半导体的n型和p型

半导体的n型、p型掺杂教师：黄辉办公室：创新园大厦A1226本章内容2•1.半导体概述•2.本征半导体•3.杂质半导体•4.掺杂工艺简介1.半导体概述3根据物体导电能力（电阻率）的不同，物质可分为导体(ρ10-1Ω·cm)、绝缘体(ρ109Ω·cm)和半导体(10-1Ωρ109Ω·cm)三大类。半导体应用极为广泛，因为它具有热敏性、光敏性、掺杂性等特殊性能。1.半导体概述4典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等，其都是4价元素（外层轨道上的电子通常称为价电子），其原子结构模型和简化模型如图所示。1.半导体概述5每个原子最外层的价电子，不仅受到自身原子核的束缚，同时还受到相邻原子核的吸引。因此，价电子不仅围绕自身的原子核运动，同时也出现在围绕相邻原子核的轨道上。于是，两个相邻的原子共有一对共价电子，这一对价电子组成所谓的。硅、锗原子的共价键结构如图所示。2.本征半导体6纯净的、不含其他杂质的半导体称为本征半导体。在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子，在原位留下一个空穴，这种产生电子-空穴对的现象称为本征激发。在热力学温度零度（即T=０Ｋ，相当于-273℃）时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，因此，晶体中没有自由电子。所以在T=０Ｋ时，半导体不能导电，如同绝缘体一样。2.本征半导体7由于随机热振动致使共价键被打破而产生电子空穴对。本征半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。分别用n和p表示自由电子和空穴的浓度，有n=p。2.本征半导体8空穴、电子导电机理由于共价键出现了空穴，在外加电场或其它的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他电子又可转移到这个新的空位。这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动方向是相反的。3.杂质半导体9本征半导体中虽有两种载流子，但因本征载子浓度很低，导电能力很差。如在本征半导体中掺入某种特定杂质，成为杂质半导体后，其导电性能将发生质的变化。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷、砷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼、镓）的半导体。3.杂质半导体10因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。n型半导体在Ｎ型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。模拟电子技术基础上页下页返回+4+4+4+4+4+4+4+4+4掺入少量五价杂质元素磷P模拟电子技术基础上页下页返回+4+4+4+4+4+4+4+4+4P模拟电子技术基础上页下页返回多出一个电子出现了一个正离子+4+4+4+4+4+4+4+4P3.杂质半导体14提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子,因此五价杂质原子也称为施主杂质.若用ND表示施主原子的浓度，n表示总自由电子的浓度，p表示少子空穴的浓度，则有如下的浓度关系：n=p+ND上式表明，离子化的施主原子和空穴的正电荷必为自由电子的负电荷所平衡，以保持材料的电中性。3.杂质半导体15应当注意，通过增加施主原子数可以提高半导体内的自由电子浓度，由此增加了电子与空穴的复合几率，使本征激发产生的少子空穴的浓度降低。由于电子与空穴的复合，在一定温度条件下，使空穴浓度与电子浓度的乘积为一常数，即pn=pini式中pini分别为本征材料中的空穴浓度和电子浓度，可以得到如下关系式：pn=ni23.杂质半导体16p型半导体•因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。•在Ｐ型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。•空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。模拟电子技术基础上页下页返回在本征半导体中掺入三价杂质元素硼B+4+4+4+4+4+4+4+4+4模拟电子技术基础上页下页返回+4+4+4+4+4+4+4+4+4B模拟电子技术基础上页下页返回出现了一个空位+4+4+4+4+4+4B+4+4模拟电子技术基础上页下页返回+4+4+4+4+4+4B+4+4负离子空穴3.杂质半导体21若用NA表示受主原子的浓度，n表示少子电子的浓度，p表示总空穴的浓度，则有如下的浓度关系：NA+n=p这是因为材料中的剩余电荷浓度必为零。或者说，离子化的受主原子的负电荷加上自由电子必与空穴的正电荷相等。3.杂质半导体22杂质半导体的特点•在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度；而小数载流子的浓度主要取决于温度。•杂质半导体，无论是N型还是P型，从总体上看，仍然保持着电中性。•在纯净的半导体中掺杂后，导电性能大大改善。但提高导电能力不是其最终目的，因为导体导电能力更强。杂质半导体的奇妙之处在于,N、P型半导体可组合制造出各种各样的半导体器件.3.杂质半导体23杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关多子浓度——与杂质浓度有关多子—电子4.掺杂工艺简介24杂质掺杂的实际应用主要是改变半导体的电特性。扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高温与扩散时间来决定。离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，因为二者互补不足，相得益彰。4.掺杂工艺简介25扩散和离子注入的示意图4.掺杂工艺简介26杂质扩散通常是在经仔细控制的石英高温炉管中放入半导体硅晶片并通入含有所需掺杂剂的气体混合物。硅的温度在800-1200℃；砷化镓的温度在600-1000℃。扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中的杂质分压有关。对硅而言，B、P和As分别是常用的p型和n型掺杂剂，它们在硅中都有极高的固溶度，可高于5×1020cm-3。引入方式有：固态源（BN、As2O3、P2O5）；液态源（BBr3、AsCl3、POCl3）；气体源（B2H6、AsH3、PH3），其中液态源最常用。4.掺杂工艺简介27使用液态源的磷扩散的化学反应如下：322524326POClOPOClP2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还原出磷，氯气被带走。2522545POSiPSiO4.掺杂工艺简介28对砷化镓的扩散工艺而言，因砷的蒸汽压高，所以需要特别的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。包括含过压的封闭炉管中扩散及在含有掺杂氧化物覆盖层（氮化硅）的开发炉管中扩散。p型扩散选用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或ZnAs2（封闭炉管法）或ZnO-SiO2（开放炉管法）。n型掺杂剂有硒和碲。电炉电炉O2N2液态杂质源石英管排气口硅晶片4.掺杂工艺简介29半导体中的扩散可以视作在晶格中通过空位或填隙原子形式进行的原子移动。下图显示了2种基本的原子扩散模型。4.掺杂工艺简介30离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程。注入能量介于1keV到1MeV之间，注入深度平均可达10nm~10um，离子剂量变动范围从用于阈值电压调整的1012/cm3到形成绝缘层的1018/cm3。相对于扩散工艺，离子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。高能的离子由于与衬底中电子和原子核的碰撞而失去能量，最后停在晶格内某一深度。平均深度由于调整加速能量来控制。杂质剂量可由注入时监控离子电流来控制。主要副作用是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。因此，后续的退化处理用来去除这些损伤。离子注入的分布4.掺杂工艺简介中等电流离子注入机的示意图