芯片战争:什么叫做PN结

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本期内容将带来与PN结相关的介绍。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,这类结构被称为PN结。

PN结具有单向导电性,在实际生活中得到广泛应用,几乎涵盖了电子和光电的所有领域。PN结构成的MOS管是我们电脑、手机、各种数码产品芯片的基本构成单元;PN结也是LED灯、太阳能电池、光通信激光器和探测器芯片的基本部分。可以说当今世界上,只要有电子电路的地方就有PN结的踪影。


01

半导体掺杂技术和PN结

Semiconductor doping and P-N Junction    

由于硅半导体拥有几乎像绝缘体一样的高阻抗,向其中加入掺杂剂能够提升电荷载体的数量。阳性的(P型)掺杂用于增加电子空穴,阴性的(N型)掺杂用于增加电子供体。P型硅和N型硅之间的交互会形成一个PN结。一种简单的半导体设备、PN结二极管,是在半导体晶体形成的过程中加入一半P型掺杂和一半N型掺杂而来的。之所以称其为“结”,是因为在同一块半导体基片上,P型半导体和N型半导体紧密联系。在PN结当中,N型半导体中的自由电子被P型半导体中的空穴所吸引。

可以通过掺杂离子注入、扩散掺杂剂、或是外延生长(在一种添加了掺杂剂的晶体表面生长包含了另一种掺杂剂的晶体层)等方式来制备PN结。

当人们在添加了P型掺杂的区域施加一个正电压的时候,PN结此时被称为正向偏置,如果在添加了P型掺杂的区域施加一个负电压,则被称为逆向偏置。与P型掺杂区域的接触称为阳极,与N型掺杂区域的接触称为阴极。负电压能够将更多的电子输送到N型掺杂区域而正电压能够在P型掺杂区域增加更多的空穴来为PN结二极管拓宽耗尽层。NPN结在应用时更加流行,因为使用N型硅晶圆的生产成本更低、且切换操作的表现更快。


02

晶体管的类型

Transistor Types    
晶体管是用于放大或切换电子信号及电子功率的半导体设备。它由半导体材料制成,通常具备用于接到外部电路上的至少三个端口,施加在晶体管的一对端口上的电压或电流将会改变穿过另一对端口上的电流。

晶体管可以被归类为双极性晶体管(BJT)、场效应晶体管(FET)和用于电压/功率放大或切换的功率晶体管。晶体管的三大主要功能包括集电极电流增益、切换, 和电流放大。


BJT(双极性晶体管)是一种具有像三明治一样三层结构的设备,要么是在两个N型层之间有一个P型层,要么是在两个P型层之间有一个N型层。这些通常被称为NPN晶体管和PNP晶体管。这些晶体管所包含的三个层分别被称为集电极、基极和发射极。

双极性晶体管具有两个PN结二极管和三个端口,分别是发射极、基极和集电极,用于对电流进行放大。 


03

场效应晶体管的结构

FET Structure    
场效应晶体管是使用单一某种电荷载体的单极设备。FET是具有三个活性端口的设备,使用电场来控制电流,且其拥有高输入阻抗的特性。场效应晶体管主要应用在集成电路的内部。在应用过程中,FET电路消耗的功率等级比使用双极性晶体管技术的IC要低得多。FET的这个特性使得超大规模集成(VLSI)电路能够高效运转。

FET包含一个半导体电子渠道,渠道的不同端被称作耗费端和根源端。


一个被称为阀门的控制电子被放置到与渠道非常邻近的位置,这样这个控制电子的电荷就能对渠道产生影响。FET的阀门控制载体(电子或空穴)从根源端到耗费端的流动,它是通过控制导电渠道的尺寸和形状来完成这一过程的。


电流发生的半导体渠道可能是P型的,也可能是N型的,因此也被称为P渠道和N渠道场效应晶体管。


金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET):MOSFET使用阀门和渠道之间的一道绝缘层,这个绝缘层通常是由半导体氧化层形成的。


04

平面晶体管制程步骤

Planar Transistor Fabrication Steps    

●使用添加了大量N型添加剂的硅层作为基底,形成第1层集电层;

●使用添加了少量N型添加剂的硅层,使其沉积在第1层的顶部,形成2层的集电极;

●集电层的一部分被蚀刻去掉,为P型基层形成洼地;

●在洼地区域添加P型基层;

●部分的基层被蚀刻去掉,留下非常薄的一个基层;

●将添加了大量N型添加剂的发射层加到被蚀刻了的薄薄的P型基层的上面,形成发射极;

●金属接触脚连接器被添加进来、让引线在测试后固定。