杂质半导体的扩散[重要课资]

1、1课堂使用 目录 杂质半导体的简介杂质半导体的简介 杂质半导体与扩散技术杂质半导体与扩散技术 杂质半导体与杂质半导体与PN结结 2课堂使用 在本征半导体中掺入某些三价或者五价的 微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生 显著变化。掺入杂质的本征半导体则称为杂质 半导体。 杂质半导体的定义： 发光材料 本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体 从不用，性从不用，性 能不稳定能不稳定 3课堂使用 杂质半导体的定义：杂质半导体的定义： 杂质在带隙中产生杂质能级，当杂质原子取代半导体晶 体中的原子时： Si 掺杂掺杂磷磷掺杂掺杂硼硼 多一个价 电子，为 施主杂质 多一个空 穴，为受 主杂质 当杂质原

2、子周围的势场与晶体本身的势场有很大差异，则 借助于短程势场的作用往往形成俘获电子或空穴的能级-等电 子陷阱。等电子陷阱形成束缚激子（电子空穴对），其中电子 和空穴可直接跃迁复合，产生高效率发光。 4课堂使用 根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为N N型半导体和型半导体和P P 型半导体两种。型半导体两种。 施出价电子-施主接受电子-受主 5课堂使用 半导体发光材料的条件：半导体发光材料的条件： 1 带隙宽度合适（释放光子能量小于带隙宽度） 2 可获得电导率高的PN型晶体 3 可获得完整性好的优质晶体 4 发光复合几率大 掺杂 技术 6课堂使用 GaN的掺

3、杂： n型掺杂： 掺杂元素主要是硅和锗，激活能较低，成品易获得较低导电率 p型掺杂：掺杂元素主要是镁，镁为深受主，因被氢顿化为 Mg-H络合物，因此呈现高阻，可通过低能电子辐照及在氮气 中退火得到低阻氮化镓。但目前P型掺杂水平仍很低。 半导体的更新换代：硅砷化镓、磷化铟氮化镓氮化镓 氮化镓具有优异电学性能、热稳定性好、光电转化率高。 氮化镓基白光LED灯能耗为白炽灯的1/8，寿命是传统荧光灯的 50100倍。 7课堂使用 杂质半导体的形成： 通过扩散将一定数量和种类的杂质掺入硅片 或其他晶体中，以改变其电学性质，并使掺入的 杂质数量和分布情况都满足要求。 扩散技术是一种基本而又重要的半导体制造

4、 工艺技术。 8课堂使用 间隙式扩散 半径较小的杂质原子从半导体晶格 的间隙中挤进去。 替位式扩散 半径较大的杂质原子代替半导体原 子而占据格点（即空位） 的位置， 再依靠周围 空的格点来进行扩散。 9课堂使用 扩散方程： 将菲克第一定律方程与半导体连续性方程 联立，即得到半导体掺杂的一维扩散方程（菲 克第二定律） 10课堂使用 恒定表面源扩散 恒定表面源扩散杂质的恒定表面源扩散杂质的 分布情况分布情况 表达式： 11课堂使用 有限表面源扩散 表达式： 有限表面源扩散杂质的分布情况有限表面源扩散杂质的分布情况有限表面源扩散杂质的高斯分有限表面源扩散杂质的高斯分 布布 12课堂使用 （1）二维扩

5、散 （2）杂质浓度对扩散系数的影响 （3）电场效应 （4）发射区推进效应 13课堂使用 常用杂质的扩散方法 按所用杂质源的形式： 液态源扩散、固态源扩散、气态源扩散、涂源 扩散和金扩散等 按所用扩散系统的形式： 开管式扩散、闭管式扩散以及箱法扩散 14课堂使用 15课堂使用 采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P 型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通 常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空 间电荷区称为PN结。 16课堂使用 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, ,分别形成分别形成N型半导体型半导体 和和P型半导体。此时将在型半导体。此时

6、将在N型半导体和型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理型半导体的结合面上形成如下物理 过程过程: : 因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 PN结的形成 17课堂使用 PN结的形成 18课堂使用 PN结形成过程中的扩散运动 P型、N型半导体由于分别含有较高浓度的“空 穴”和自由电子，存在浓度梯度，所以二者之 间将产生扩散运动。即： 自由电子由N型半导体向P型半导体的方向扩散 空穴由P型半导体向N型半导体的方向扩散 19课堂使用 高掺杂n+型氮化镓体单晶衬底 2011年8月美国Kyma 公司新推出尺寸为10 10 mm-2和18 18 mm-2的 高掺杂n+型氮化镓体单晶 衬底。 电阻率小于0.02欧姆 厘米，比以前的n型氮化 镓衬底低两个数量级。n 型载流子浓度达到了 61018 cm-3，对应电阻 率仅为0.005欧姆厘米 20课堂使用 高掺杂n+型氮化镓体单晶衬底 低垂直电