pn結(jié)的形成/多晶硅中PN結(jié)是怎樣形成的？

一、PN結(jié)及其形成過(guò)程　　
在雜質(zhì)半導(dǎo)體中， 正負(fù)電荷數(shù)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(chǎn)生的多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)　　在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差，N型區(qū)內(nèi)的電子很多而空穴很少，P型區(qū)內(nèi)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(kuò)散，因此，有些電子要從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散， 也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。

　　2、電子和空穴的復(fù)合形成了空間電荷區(qū)　　電子和空穴帶有相反的電荷，它們?cè)跀U(kuò)散過(guò)程中要產(chǎn)生復(fù)合（中和），結(jié)果使P區(qū)和N區(qū)中原來(lái)的電中性被破壞。 P區(qū)失去空穴留下帶負(fù)電的離子，N區(qū)失去電子留下帶正電的離子， 這些離子因物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，它們不能移動(dòng)，因此稱為空間電荷，它們集中在P區(qū)和N區(qū)的交界面附近，形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結(jié)。　

　3、空間電荷區(qū)產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)E又阻止多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)　　在空間電荷區(qū)后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)中形成一個(gè)電場(chǎng)，其方向從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)，由于該電場(chǎng)是由載流子擴(kuò)散后在半導(dǎo)體內(nèi)部形成的，故稱為內(nèi)電場(chǎng)。因?yàn)閮?nèi)電場(chǎng)的方向與電子的擴(kuò)散方向相同，與空穴的擴(kuò)散方向相反，所以它是阻止載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的。綜上所述，PN結(jié)中存在著兩種載流子的運(yùn)動(dòng)。一種是多子克服電場(chǎng)的阻力的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；另一種是少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的漂移運(yùn)動(dòng)。因此，只有當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)建電場(chǎng)才能相對(duì)穩(wěn)定。由于兩種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流方向相反，因而在無(wú)外電場(chǎng)或其他因素激勵(lì)時(shí)，PN結(jié)中無(wú)宏觀電流。

上大學(xué)時(shí)貪玩，對(duì)于電路，模擬電子，數(shù)字電子，高頻，電子測(cè)量以及信號(hào)與系統(tǒng)等等課程可以用沒(méi)學(xué)來(lái)形容。目前主要從事單片機(jī)程序的開(kāi)發(fā)，偶爾也設(shè)計(jì)一下簡(jiǎn)單的電路，在與他人交流時(shí)發(fā)現(xiàn)，原來(lái)那些基礎(chǔ)非常之重要，讓自己感到非常的愧疚，一直以來(lái)想惡補(bǔ)一下，忙亂中看了看運(yùn)放的基礎(chǔ)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)還是不夠底層，才發(fā)現(xiàn)還需要從PN結(jié)，二極管，三極管學(xué)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(guò)了，很快就忘記了，沒(méi)有印象，但是又不愿意承認(rèn)自己就是學(xué)不會(huì)模擬電子，硬是耐著性子繼續(xù)看書，現(xiàn)在終于有點(diǎn)概念了，閉上眼睛知道哪個(gè)電子在往哪里跑，知道了什么叫N型半導(dǎo)體，什么叫P型半導(dǎo)體，知道了PN結(jié)的形成過(guò)程，知道了結(jié)電容的概念。

二、半導(dǎo)體所涉及到的概念：

1、本征激發(fā)：本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的價(jià)電子在室溫下獲得足夠的能量掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子的現(xiàn)象。本征激發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。

2、P型半導(dǎo)體：

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

3、N型半導(dǎo)體：

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

4、PN結(jié)形成過(guò)程：

三、形成PN結(jié)的幾種方法

在本章一開(kāi)始就已講過(guò)，PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的心臟。它是根據(jù)雜質(zhì)補(bǔ)償原理，通過(guò)摻雜來(lái)得到的。具體形成PN結(jié)的方法有以下幾種：

①、生長(zhǎng)法

生長(zhǎng)法又可分為單晶生長(zhǎng)法和外延生長(zhǎng)法兩種。單晶生長(zhǎng)法是最原始的方法。它的工藝過(guò)程大體是這樣的：在生長(zhǎng)單晶時(shí)，先在半導(dǎo)體中摻入施主型雜質(zhì)，這樣先生長(zhǎng)出來(lái)的部分晶體是N型的，然后再摻入受主型雜質(zhì)，它的濃度要遠(yuǎn)高于先摻入的施主型雜質(zhì)，這樣，后生長(zhǎng)出來(lái)部分的晶體就成為P型。最早的面結(jié)型二極管是使用這種方法制成的。這種PN結(jié)的制造方法缺點(diǎn)很多，如工藝復(fù)雜、結(jié)面不平整、控制困難等，所以這種方法早已淘汰。外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(jié)制造工藝。它是通過(guò)一種導(dǎo)電類型雜質(zhì)的合金熔化后摻入到另一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體中去，經(jīng)過(guò)再結(jié)晶而形成的，所以叫合金法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、成熟、引線焊接方便，是生產(chǎn)晶體管的基本工藝之一。但是，合金法也存在一些缺點(diǎn)，如結(jié)面不平整、結(jié)深和結(jié)面的大小不易控制、合金法制成的器件頻率較低等。

③、擴(kuò)散法

擴(kuò)散法制造PN結(jié)是利用雜質(zhì)在高溫下向半導(dǎo)體內(nèi)部擴(kuò)散，使P型雜質(zhì)進(jìn)入N型半導(dǎo)體或N型雜質(zhì)進(jìn)入P型半導(dǎo)體來(lái)形成PN結(jié)的。擴(kuò)散法形成PN結(jié)有很多優(yōu)點(diǎn)，如能精確控制PN結(jié)的結(jié)深和結(jié)面積、結(jié)面平整、能精確控制雜質(zhì)濃度等。所以，擴(kuò)散法是目前最常用的一種制造PN結(jié)的方法。

④、離子注入法

擴(kuò)散法雖然優(yōu)點(diǎn)很多，但隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，對(duì)器件的要求也越來(lái)越高。擴(kuò)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(kuò)散是在1000℃左右的高溫中進(jìn)行的，所以晶體的晶格會(huì)受到破壞，晶格缺陷增多，使器件的電性能下降。另外，用擴(kuò)散法制造結(jié)深較淺的PN結(jié)也有困難。

離子注入法是一種新工藝。這種方法是先把雜質(zhì)原子變成電離的雜質(zhì)離子。然后，雜質(zhì)的離子流在極強(qiáng)的電場(chǎng)下高速地射向硅片，并進(jìn)入硅片內(nèi)部。電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，雜質(zhì)離子射入硅片就越深。離子流密度越大，轟擊硅片的時(shí)間越長(zhǎng)，則進(jìn)入硅片的雜質(zhì)就越多。所以，適當(dāng)控制電場(chǎng)強(qiáng)度、離子流密度和轟擊時(shí)間，就可精確地得到所要求的結(jié)深和雜質(zhì)濃度的PN結(jié)。另外，離子注入法還可以任意改變半導(dǎo)體內(nèi)的雜質(zhì)分布。

離子注入法的缺點(diǎn)是設(shè)備較復(fù)雜而且價(jià)格昂貴、生產(chǎn)效率比擴(kuò)散法低、不適用制造結(jié)深較深的器件。但是，由于離子注入的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到人們的重視，所以在一些特殊要求的器件中，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。