電子電路相關問題

Question

1.半導體摻雜所具有之特點?(關於擴散,飄移)(關於多數戴子,少數戴子)

2.二極體分類,各有何意義(關於摻雜濃度,結合方式)

3.合謂本質半導體有何特點?如何形成的?

4.PN結合後有何特點？
先謝謝各位的回答 ^ ^

Answer 1

一般而言，矽（Si）是最常用的半導體材料，在矽中摻入微量的砷（As）、磷（P）或硼（B），就能改變矽的導電特性，形成ｎ型（負性）或ｐ型（正性）半導體。

1.要了解PN junction必需往幾個問題去思考，否則書本上只是說明電子電洞跑來跑去不知所云。(a)週期表上ⅢⅣⅤ族元素的關係；(b)弄清原子、離子、原子序、原子核、共價鍵的定義；(c)何謂intrinsic & extrinsic半導體？(d)impurity半導體有何現象？(e) N type與P type半導體的特性？(f)為何要PN junction？(g) PN junction後有何現象發生？(h)depletion region的形成。

2.電子：在原子中，圍繞在原子核外面帶負電荷的稱為電子；在價電子帶的電子獲得足夠的能量，可由價電子帶跳入傳導帶，便可自由活動(自由電子)，故傳導帶的能階比價電子帶的能階高。

3.電洞：電子獲得足夠的能量，而由價電子帶跳入傳導帶，在其價電子帶上留出了空位，此空洞就叫做電洞。所以電子與電洞形成一pair，本質(intrinsic)半導體內電子與電洞濃度相同。

4.半導體若不含雜質稱本質半導體(intrinsic)其導電率甚低，所含之電子與電洞之濃度相同，不適合用來做電子元件。後來人們發現有不純物(impurity)半導體其導電率比本質半導體高，去分析其化學組成發現電子與電洞的濃度不同。於是人們就懂得利用增加電子與電洞的濃度來提高導電率。

5.半導體導電率的提高可利用摻雜方式(熱擴散、離子佈值)精準控制載子濃度(carrier concentration)。這類半導體稱為extrinsic半導體，於是就有多數載子(majority carrier) 與少數載子(minority carrier)的產生。

6.多數載子(majority carrier)：傳導的電子或電洞稱為載子，材料中多數存在的載子稱為多數載子。
例： N型半導體的多數載子為電子，P型半導體的多數載子為電洞。

7.少數載子(minority carrier)：材料中少數存在的載子稱為少數載子。例：N型半導體的少數載子為電洞，P型半導體的少數載子為電子。

8.共價鍵：兩原子間價電子互相鍵結作用。

9.P型半導體：在矽（四個價電子）中摻雜硼（三個價電子），會多出一個電洞；依此方式摻雜的不純物半導體稱為P型半導體。

10.N型半導體：在矽（四個價電子）中摻雜磷（五個價電子），會多出一個電子，此一電子可自由移動；依此方式摻雜的不純物半導體稱為N型半導體。因五價原子其核心吸引力比三價原子大，故其軌道範圍較三價原子小，故能階較三價原子低。

11.若只有單一形半導體仍然無法work，所以要透過PN接面使它能正常運作來控制電流方向。

12.關於PN JUNCTION的形成，我們要了解當N type與P type半導體接合在一起 時，其邊界處會形成一空泛區(depletion region)，形成原因是PN接面處之N type與P type的majority carrier因濃度差而產生擴散作用使邊界處形成了大量的正、負離子。

13.若PN JUNCTION外加順向偏壓(forward bias)，外加的大電場可抵消空泛區(depletion region)的正、負離子產生的電場，降低P型和N型半導體的能階差，使多數載子越過PN接面而形成電流。當所加的順向偏壓愈大，P型和N型半導體的能階差愈小，使多數載子愈容易移動通過PN接面，則電流愈大。此時電阻為0而電流為無限大若不加負載會造成很危險的事。

14.PN JUNCTION外加逆向偏壓(Reverse bias)，會使P型和N型半導體的多數載子(majority carrier)離開PN接面，產生更大的電場增加P型和N型半導體的能階差、加大空乏區寬度，使多數載子更不易通過PN接面，所以逆向偏壓會阻止多數載子(majority carrier)通過PN接面。此時電阻為∞而電流為0。但是P型和N型半導體的少數載子(minority carrier)會因空泛區(depletion region)電場的吸引力通過PN接面產生極小的電流，此即所謂的接面漏電流(leakage current)。

Answer 2

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Answer 3

將加速到一定高能量的離子束注入固體材料表面層內﹐以改變表面層物理和化學性質的工藝。在半導體中注入相應的雜質原子(如在硅中注入硼﹑磷或砷等)﹐可改變其表面電導率或形成PN結。
離子注入需要有適用的離子注入設備。半導體摻雜用離子注入機的能量範圍為20～400千電子伏。硼離子注入硅的注入深度一般在1微米以下﹐束流強度為幾十至幾百微安。離子注入機有先分析後加速和先加速後分析兩種型式。在先分析後加速的結構中﹐離子源和磁分析器(分析磁鐵)處於高電位﹐靶室處於地電位(圖1 離子注入機框圖 )。離子源是離子注入機最重要的部件之一。微電子技術中常用的離子源電離物質為三氟化硼﹑磷烷和砷烷等。一般情況下﹐離子源提供的是單電荷離子。磁分析器起著提純的作用﹐能將不需要的離子偏離掉﹐而只讓所需的離子通過﹐經加速掃描後達到注入靶上。為了減小束流的傳輸損失﹐離子注入機通常採用單透鏡和四極透鏡進行離子束聚焦。此外﹐離子注入機尚需清潔的真空條件(無油污﹐整機真空度為1×10帕﹐靶室真空度為10帕)以及可靠而穩定的電源和控制系統等。
與熱擴散摻雜相比﹐離子注入摻雜的優點是﹕離子注入可通過調節注入離子的能量和數量﹐精確控制摻雜的深度和濃度。特別是﹐當需要淺PN結和特殊形狀的雜質濃度分布時﹐離子注入摻雜可保證其精確度和重複性。離子注入的雜質分布準直性好(即橫向擴展小)﹐有利於獲得精確的淺條摻雜﹐可提高電路的集成度和成品率。離子注入可實現大面積均勻摻雜並有高的濃度。離子注入不受化學結合力﹑擴散係數和固溶度等的限制﹐能在任意所需的溫度下進行摻雜。離子注入可達到高純度摻雜的要求﹐避免有害物質進入半導體材料﹐因而可以提高半導體器件的性能。離子注入摻雜正在替代熱擴散摻雜﹐成為大規模和超大規模集成電路中的一項重要摻雜技術。
為了獲得特定的注入濃度和雜質分布﹐需要正確選擇注入劑量和能量﹐為此需要具備注入離子的射程分布知識。在注入靶上放置晶體樣品時﹐以注入束為基準﹐必須偏離任何特徵晶向5～7﹐以避免溝道效應(在溝道方向離子有很大的射程)﹐即讓離子沿著隨機方向注入固體表層。這樣﹐晶體靶(如硅單晶)可近似作為非晶靶處理。注入離子在樣品表層中極為接近高斯分布。