1、.PN結原理及其制備工藝. 在物理學中，根據材料的導電能力，可以將他們劃分為在物理學中，根據材料的導電能力，可以將他們劃分為導體、絕緣體和半導體。導體、絕緣體和半導體。 典型的半導體是典型的半導體是硅硅Si和和鍺鍺Ge，它們都是它們都是4價元素價元素。sisi硅原子硅原子Ge鍺原子鍺原子Ge+4+4硅和鍺最外層軌道上的硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為四個電子稱為價電子價電子。.【n型半導體】“n”表示負電的意思，在這類半導體中，參與導電的主要是帶負電的電子，這些電子來自半導體中的“施主”雜質。所謂施主雜質就是摻入雜質能夠提供導電電子而改變半導體的導電性能。例如，半導體鍺和硅中的五價元素砷、銻、

2、磷等原子都是施主雜質。如果在某一半導體的雜質總量中，施主雜質的數量占多數，則這種半導體就是n型半導體。如果在硅單晶中摻入五價元素砷、磷。則在硅原子和砷、磷原子組成共價鍵之后，磷外層的五個電子中，四個電子組成共價鍵，多出的一個電子受原子核束縛很小，因此很容易成為自由電子。所以這種半導體中，電子載流子的數目很多，主要kao電子導電，叫做電子半導體，簡稱 n型半導體。【p型半導體】“p”表示正電的意思。在這種半導體中，參與導電的主要是帶正電的空穴，這些空穴來自于半導體中的“受主”雜質。所謂受主雜質就是摻入雜質能夠接受半導體中的價電子，產生同數量的空穴，從而改變了半導體的導電性能。例如，半導體鍺和硅中

3、的三價元素硼、銦、鎵等原子都是受主。如果某一半導體的雜質總量中，受主雜質的數量占多數，則這半導體是p型半導體。如果在單晶硅上摻入三價硼原子，則硼原子與硅原子組成共價鍵。由于硼原子數目比硅原子要少很多，因此整個晶體結構基本不變，只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替。硼是三價元素，外層只有三個價電子，所以當它與硅原子組成共價鍵時，就自然形成了一個空穴。這樣，摻入的硼雜質的每一個原子都可能提供一個空穴，從而使硅單晶中空穴載流子的數目大大增加。這種半導體內幾乎沒有自由電子，主要 kao空穴導電，所以叫做空穴半導體，簡稱p型半導體。.【pn結】在一塊半導體中，摻入施主雜質，使其中一部分成為n型半導體。其

4、余部分摻入受主雜質而成為p型半導體，當p型半導體和n型半導體這兩個區域共處一體時，這兩個區域之間的交界層就是p-n結。p-n結很薄，結中電子和和空穴都很少，但在kao近n型一邊有帶正電荷的離子，kao近p型一邊有帶負電荷的離子。這是因為，在p型區中空穴的濃度大，在n型區中電子的濃度大，所以把它們結合在一起時，在它們交界的地方便要發生電子和空穴的擴散運動。由于p區有大量可以移動的空穴，n區幾乎沒有空穴，空穴就要由p區向n區擴散。同樣n區有大量的自由電子，p區幾乎沒有電子，所以電子就要由n區向p 區擴散。隨著擴散的進行，p區空穴減少，出現了一層帶負電的粒子區；n區電子減少，出現了一層帶正電的粒子區

5、。結果在pn結的邊界附近形成了一個空間電荷區，p型區一邊帶負電荷的離子，n型區一邊帶正電荷的離子，因而在結中形成了很強的局部電場，方向由n區指向p區。當結上加正向電壓（即p區加電源正極，n區加電源負極）時，這電場減弱，n區中的電子和p區中的空穴都容易通過，因而電流較大；當外加電壓相反時，則這電場增強，只有原n區中的少數空穴和 p區中的少數電子能夠通過，因而電流很小。因此pn結具有整流作用。當具有pn結的半導體受到光照時，其中電子和空穴的數目增多，在結的局部電場作用下，p區的電子移到n區，n區的空穴移到p區，這樣在結的兩端就有電荷積累，形成電勢差。這現象稱為pn結的光生伏特效應。由于這些特性，用

6、pn結可制成半導體二極管和光電池等器件。如果在pn結上加以反向電壓（n區加在電源正極，p區加在電源負極），電壓在一定范圍內，pn結幾乎不通過電流，但當加在pn結上的反向電壓越過某一數值時，發生電流突然增大的現象。這時p-n結被擊穿。pn結被擊穿后便失去其單向導電的性能，但結并不一定損壞，此時將反向電壓降低，它的性能還可以恢復。根據其內在的物理過程，pn結擊穿可分為雪崩擊穿和隧道擊穿兩種。由于pn結具有這種特性，一方面可以用它制造半導體二極管，使之工作在一定電壓范圍之內作整流器等；另方面因擊穿后并不損壞而可用來制造穩壓管或開關管等器件。 . 本征半導體的共價鍵結構本征半導體的共價鍵結構束縛電子束

7、縛電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在絕對溫度在絕對溫度T=0K時，時，所有的價電子都被共價鍵所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不緊緊束縛在共價鍵中，不會成為會成為自由電子自由電子，因此本因此本征半導體的導電能力很弱征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。，接近絕緣體。本征半導體（Intrinsic Semiconductor)完全純凈的、結構完整的半導體晶體。完全純凈的、結構完整的半導體晶體。. 這一現象稱為這一現象稱為本征激發，本征激發，也稱也稱熱激發熱激發。 當溫度升高或受到當溫度升高或受到光的照射時，束縛光的照射時，束縛電子能量增高，有電子能量增高，有的電子可以掙脫原的電子可

8、以掙脫原子核的束縛，而參子核的束縛，而參與導電，成為與導電，成為自由自由電子電子。自由電子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由電子產生的自由電子產生的同時，在其原來的共同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個價鍵中就出現了一個空位，稱為空位，稱為空穴空穴。.雜質半導體雜質半導體N N型半導體型半導體：q雜質元素：磷，砷雜質元素：磷，砷正離子+多數載流子少數載流子在本征在本征SiSi和和GeGe中摻入微量中摻入微量五價五價元素后元素后形成的雜質半導體。形成的雜質半導體。q多子：自由電子多子：自由電子q少子：空穴少子：空穴.-P P型半導體：型半導體：q雜質元素：硼，銦雜質元素：

9、硼，銦負離子多數載流子少數載流子在本征在本征SiSi和和GeGe中摻入微量中摻入微量三價元素三價元素后后形成的雜質半導體。形成的雜質半導體。q多子：空穴多子：空穴q少子：自由電子少子：自由電子雜質半導體雜質半導體.說明v雜質半導體呈雜質半導體呈電中性電中性，任一空間的正負電荷數相等，任一空間的正負電荷數相等 N N型半導體：電子型半導體：電子+ +正離子正離子 P P型半導體：空穴型半導體：空穴+ +負離子負離子v多子多子主要由主要由摻雜摻雜形成形成, ,少子本征激發少子本征激發形成形成.PN結：PN結的形成結的形成+-載流子的擴散運動載流子的擴散運動建立內電場建立內電場內電場對載流子的作用擴

10、散運動和漂移運動達到動態平衡，交界面形成穩定的空間電荷區，即 結P區N區.pn結的形成結的形成-形成形成PN結的原理結的原理PN結 及其形成過程 在雜質半導體 中， 正負電荷數是相等的，它們的作用相互抵消，因此保持電中性。 1、載流子的濃度差產生的多子的擴散運動在P型半導體和N型半導體結合后，在它們的交界處就出現了電子和空穴的濃度差，N型區內的電子很多而空穴很少，P型區內的空穴而電子很少，這樣電子和空穴很多都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散，因此，有些電子要從N型區向P型區擴散， 也有一些空穴要從P型區向N型區擴散。2、電子和空穴的復合形成了空間電荷區電子和空穴帶有相反的電荷，它們在擴散過程

11、中要產生復合（中和），結果使P區和N區中原來的電中性被破壞。 P區失去空穴留下帶負電的離子，N區失去電子留下帶正電的離子， 這些離子因物質結構的關系，它們不能移動，因此稱為空間電荷，它們集中在P區和N區的交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區，這就是所謂的PN結。3、空間電荷區產生的內電場E又阻止多子的擴散運動在空間電荷區后，由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區中形成一個電場，其方向從帶正電的N區指向帶負電的P區，由于該電場是由載流子擴散后在半導體內部形成的，故稱為內電場。因為內電場的方向與電子的擴散方向相同，與空穴的擴散方向相反，所以它是阻止載流子的擴散運動的。.首先是空穴的產生。當半導

12、體內摻入硼原子后，相當于占據了一個硅原首先是空穴的產生。當半導體內摻入硼原子后，相當于占據了一個硅原子（鍺原子）的位置，因為硼原子最外層只有子（鍺原子）的位置，因為硼原子最外層只有3 3個電子，當這些電子與周個電子，當這些電子與周圍硅原子（鍺原子）形成共價鍵的時候，自然就空出一個位置。因此，圍硅原子（鍺原子）形成共價鍵的時候，自然就空出一個位置。因此，周圍的硅原子（鍺原子）的電子很容易就可以跑到空出的位置上，從而周圍的硅原子（鍺原子）的電子很容易就可以跑到空出的位置上，從而形成空穴。所謂空穴的移動，其實是這些電子在移動，方向相反，我覺形成空穴。所謂空穴的移動，其實是這些電子在移動，方向相反，我

13、覺得這一點和導體內電流方向與自由電子移動相反差不多。得這一點和導體內電流方向與自由電子移動相反差不多。 其次是其次是PNPN結正負電荷的產生。先要說明擴散運動和漂移運動的區別。結正負電荷的產生。先要說明擴散運動和漂移運動的區別。擴散運動指的是由于濃度的差異而引起的運動；而漂移運動則是指在電擴散運動指的是由于濃度的差異而引起的運動；而漂移運動則是指在電場作用下載流子的運動。當在場作用下載流子的運動。當在P P型半導體部分區域摻入磷原子或在型半導體部分區域摻入磷原子或在N N型半型半導體部分區域摻入硼原子之后，由于擴散運動電子和空穴會在交界處復導體部分區域摻入硼原子之后，由于擴散運動電子和空穴會在

14、交界處復合，磷原子失去電子變成正電荷，硼原子得到電子變成負電荷，形成內合，磷原子失去電子變成正電荷，硼原子得到電子變成負電荷，形成內部電場阻止多子的擴散。部電場阻止多子的擴散。 當加上正向電壓（正偏）且大于當加上正向電壓（正偏）且大于0.5V0.5V時，在外電場的作用下，多子向時，在外電場的作用下，多子向PNPN結運動，負電荷得到空穴中和，正電荷得到電子中和，因而結運動，負電荷得到空穴中和，正電荷得到電子中和，因而PNPN結變窄，結變窄，擴散運動較之前又會變強。同時，因為電源不斷補充電子和空穴，使得擴散運動較之前又會變強。同時，因為電源不斷補充電子和空穴，使得多子的運動得以持續形成電流。多子的

15、運動得以持續形成電流。 當加上反向電壓（反偏）時，與內部電場方向一致，多子向當加上反向電壓（反偏）時，與內部電場方向一致，多子向PNPN結反方結反方向移動使向移動使PNPN結變寬，只有少子的漂移運動，因為數目很少，所以形成的結變寬，只有少子的漂移運動，因為數目很少，所以形成的反向電流近乎于反向電流近乎于0 0，可認為阻斷。要注意的是，若反向電壓過大，則會導，可認為阻斷。要注意的是，若反向電壓過大，則會導致擊穿。原因是電場強制性地將電子拉出變成自由電子；而且當反向電致擊穿。原因是電場強制性地將電子拉出變成自由電子；而且當反向電流很大時發熱也會很厲害，而半導體受溫度影響很大，當溫度升高時導流很大時

16、發熱也會很厲害，而半導體受溫度影響很大，當溫度升高時導電性會急劇增加。電性會急劇增加。. 綜上所述，PN結中存在著兩種載流子的運動。一種是多子克服電場的阻力的擴散運動；另一種是少子在內電場的作用下產生的漂移運動。因此，只有當擴散運動與漂移運動達到動態平衡時，空間電荷區的寬度和內建電場才能相對穩定。由于兩種運動產生的電流方向相反，因而在無外電場或其他因素激勵時，PN結中無宏觀電流。 .一、一、PNPN結結正向偏置正向偏置 在外電場作用下，多子將向結移動，結在外電場作用下，多子將向結移動，結果使空間電荷區變窄，內電場被削弱，有利于多果使空間電荷區變窄，內電場被削弱，有利于多子的擴散而不利于少子的漂

17、移，擴散運動起主要子的擴散而不利于少子的漂移，擴散運動起主要作用。結果，區的作用。結果，區的多子空穴多子空穴將源源不斷的將源源不斷的流向流向區區，而區的，而區的多子自由電子多子自由電子亦不斷亦不斷流向區流向區，這兩股載流子的流動就形成了這兩股載流子的流動就形成了結的正向電流結的正向電流。 PN結外加結外加正向電壓正向電壓（P區接電源的正極，區接電源的正極，N區區接電源的負極，或接電源的負極，或P區的電位高于區的電位高于N區電位），稱區電位），稱為為正向偏置正向偏置，簡稱，簡稱正偏正偏。PN結的單向導電性結的單向導電性.二、二、PNPN結結反向偏置反向偏置 在外電場作用下，多子將背離結移動，結果

18、使在外電場作用下，多子將背離結移動，結果使空空間電荷區變寬間電荷區變寬，內電場被增強，內電場被增強，有利于少子的漂移有利于少子的漂移而而不利不利于多子的擴散于多子的擴散，漂移運動起主要作用。漂移運動產生的漂，漂移運動起主要作用。漂移運動產生的漂移電流的方向與正向電流相反，稱為反向電流。移電流的方向與正向電流相反，稱為反向電流。 因少子濃因少子濃度很低，度很低，反向電流遠小于正向電流反向電流遠小于正向電流。v當溫度一定時，少子濃度一定，反向電流幾乎不隨當溫度一定時，少子濃度一定，反向電流幾乎不隨外加電壓而變化，故稱為外加電壓而變化，故稱為 反向飽和電流反向飽和電流 。 PN PN結外加結外加反向

19、電壓反向電壓（P P區接電源的負極，區接電源的負極，N N區接區接電源的正極，或電源的正極，或P P區的電位低于區的電位低于N N區電位），稱為區電位），稱為反反向偏置向偏置，簡稱，簡稱反偏反偏。. PN PN結結正偏時呈導正偏時呈導通通狀態，正向電阻很小，狀態，正向電阻很小，正向電流很大；正向電流很大； PNPN結結反偏時呈截反偏時呈截止止狀態，反向電阻很大，狀態，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流很小。 PNPN結的單向導電結的單向導電性性.在一個PN結的兩端，各引一根電極引線，并用外殼封裝起來就構成了半導體二極管，（或稱晶體二極管，簡稱二極管。由P區引出的電極稱為陽極（正極）由N區引出

20、的電極稱為陰極（負極）半導體二極管的結構和類型半導體二極管的結構和類型.UFIF0URIR0反向電擊穿區(1) (1) 正向特性正向特性(2) (2) 反向特性反向特性半導體二極管的伏安特性半導體二極管的伏安特性.工藝流程圖晶片準備平面工藝封裝測試.（0）準備）準備準備： 1、制備單晶硅片（平整、無缺陷） 涉及到知識：單晶晶生長、晶圓切、磨、拋。晶圓切、磨、拋。 （ 在形成單晶的過程中已經進行了均勻的硼摻雜） 2、硅片表面的化學清洗 涉及到知識：去除硅片表面雜質的方法及化學原理 （有機物、吸附的金屬離子和金屬原子的化學清洗）p-Si.晶體生長，晶圓切、磨、拋晶圓切、磨、拋.p-SiSiO2(1

21、) 氧化氧化 問題： 1、二氧化硅薄膜作用及制備的方法有哪些？ 涉及到知識：薄膜生長 2、此處的二氧化硅薄膜的作用是？ 涉及到知識：薄膜生長 3、為什么要雙面氧化？ 為后續的磷擴散做準備。熱生長一層氧化層 做為擴散的掩蔽膜。 4、氧化層的厚度需要大于設計的厚度，為什么？ .(2) 涂膠涂膠photoresist問題：問題：1、涂膠涂膠.avi過程過程2、光刻膠分類，作用，常用的光刻膠？、光刻膠分類，作用，常用的光刻膠？ 聚乙烯醇肉桂酸酯光刻膠聚乙烯醇肉桂酸酯光刻膠3、涂膠后，曝光前，有一個對光刻膠加固的過程叫做？、涂膠后，曝光前，有一個對光刻膠加固的過程叫做？ 烘烤烘烤.黑色部分都是不透光的，中間的白色部分是做擴散的位置。MaskMask的剖面圖Mask 1.（3）曝光）曝光問題：1、光刻的作用？在氧化層上刻出擴散窗口，這個窗口最終將成為pn結二極管的位置。2、圖中使用的是正膠，如果用負膠如