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      半導體pn結的形成/多晶硅中PN結是怎樣形成的?空穴和自由電子

      作者:佚名    文章來源:本站原創    點擊數:    更新時間:2023/5/6

      pn結的形成/多晶硅中PN結是怎樣形成的?

      一、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。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。

      上大學時貪玩,對于電路,模擬電子,數字電子,高頻,電子測量以及信號與系統等等課程可以用沒學來形容。目前主要從事單片機程序的開發,偶爾也設計一下簡單的電路,在與他人交流時發現,原來那些基礎非常之重要,讓自己感到非常的愧疚,一直以來想惡補一下,忙亂中看了看運放的基礎知識,發現還是不夠底層,才發現還需要從PN結,二極管,三極管學起。一直很納悶為什么有些東西在別人的腦子里就像1+1一樣,而到自己這里卻跟天書一樣。一直以為是自己的記憶力衰退了,什么東西看過了,很快就忘記了,沒有印象,但是又不愿意承認自己就是學不會模擬電子,硬是耐著性子繼續看書,現在終于有點概念了,閉上眼睛知道哪個電子在往哪里跑,知道了什么叫N型半導體,什么叫P型半導體,知道了PN結的形成過程,知道了結電容的概念。

      二、半導體所涉及到的概念:

      1、本征激發:本征半導體共價鍵中的價電子在室溫下獲得足夠的能量掙脫共價鍵的束縛成為自由電子的現象。本征激發產生電子—空穴對。

      2、P型半導體:

      P型半導體電子移動動畫 

      P型半導體  在硅(或鍺)晶體內摻入微量的三價元素硼B(或銦In、鋁Al),就會多出許多空穴。這類半導體主要靠空穴導電叫P型半導體。在P型半導體中,空穴是多數載流子,自由電子是少數載流子,在外電場作用下, P型半導體中電流主要是空穴電流。

      3、N型半導體:

      N型半導體電子移動動畫 

      N型半導體 在硅(或鍺)晶體內摻入微量的五價元素磷P(或銻Sb、砷As),就會多出許多電子來導電。這是有少數空穴,但自由電子的濃度比空穴的濃度大得多,這類半導體主要靠電子導電叫N型半導體。在N型半導體中,自由電子是多數載流子,空穴是少數載流子,在外電場作用下, N型半導體中電流主要是電子電流。

      4、PN結形成過程:

      PN結形成過程動畫 

       

       

      三、形成PN結的幾種方法

      在本章一開始就已講過,PN結是半導體器件的心臟。它是根據雜質補償原理,通過摻雜來得到的。具體形成PN結的方法有以下幾種:

      ①、生長法

      生長法又可分為單晶生長法和外延生長法兩種。單晶生長法是最原始的方法。它的工藝過程大體是這樣的:在生長單晶時,先在半導體中摻入施主型雜質,這樣先生長出來的部分晶體是N型的,然后再摻入受主型雜質,它的濃度要遠高于先摻入的施主型雜質,這樣,后生長出來部分的晶體就成為P型。最早的面結型二極管是使用這種方法制成的。這種PN結的制造方法缺點很多,如工藝復雜、結面不平整、控制困難等,所以這種方法早已淘汰。外延生長法是大家比較熟悉并被普遍采用的一種方法。它是利用汽相淀積方法在P型的襯底上生長一層N型層,在制造雙極型集成電路以及某些大功率晶體管中都采用這種方法。

      ②、合金法

      這是早期普遍采用的PN結制造工藝。它是通過一種導電類型雜質的合金熔化后摻入到另一種導電類型的半導體中去,經過再結晶而形成的,所以叫合金法。這種方法的優點是工藝簡單、成熟、引線焊接方便,是生產晶體管的基本工藝之一。但是,合金法也存在一些缺點,如結面不平整、結深和結面的大小不易控制、合金法制成的器件頻率較低等。

      ③、擴散法

      擴散法制造PN結是利用雜質在高溫下向半導體內部擴散,使P型雜質進入N型半導體或N型雜質進入P型半導體來形成PN結的。擴散法形成PN結有很多優點,如能精確控制PN結的結深和結面積、結面平整、能精確控制雜質濃度等。所以,擴散法是目前最常用的一種制造PN結的方法。


      ④、離子注入法

      擴散法雖然優點很多,但隨著半導體器件的發展,對器件的要求也越來越高。擴散法形成PN的精度已不能滿足某些器件的要求。其次,由于擴散是在1000℃左右的高溫中進行的,所以晶體的晶格會受到破壞,晶格缺陷增多,使器件的電性能下降。另外,用擴散法制造結深較淺的PN結也有困難。

      離子注入法是一種新工藝。這種方法是先把雜質原子變成電離的雜質離子。然后,雜質的離子流在極強的電場下高速地射向硅片,并進入硅片內部。電場強度越強,雜質離子射入硅片就越深。離子流密度越大,轟擊硅片的時間越長,則進入硅片的雜質就越多。所以,適當控制電場強度、離子流密度和轟擊時間,就可精確地得到所要求的結深和雜質濃度的PN結。另外,離子注入法還可以任意改變半導體內的雜質分布。


      離子注入法的缺點是設備較復雜而且價格昂貴、生產效率比擴散法低、不適用制造結深較深的器件。但是,由于離子注入的獨特優點而越來越受到人們的重視,所以在一些特殊要求的器件中,應用越來越廣泛。

       

      Tags:半導體,pn結,空穴  
      責任編輯:admin
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