摘要: 对N型硅单晶深扩散所形成的P型扩散区,进行关于P型耗尽层界面的研究,导出P型耗尽层方块电阻及耐压的结论,提出P型耗尽层宽度的测量方法。首次为国内硅半导体器件的工艺设计提供理论量化依椐。
　　关键词: P型扩散区耗尽层;方块电阻;CT解剖测量法
　　0 前言
　　目前,国内生产大电流﹑高反压的硅半导体功率器件产品,多采用N型硅单晶片为原材料,使用P型杂质深扩散的方法形成耐高压的PN结。产品的耐压理论计算,普遍采用N基区单边突变结“耗尽层近似理论”,忽略了P区的耐压,致使产品的设计参数与实际参数相差较大。
　　作者利用正负电荷等量相存的“电中性原理”,推导出了P型深扩散区耗尽界面的位置;利用所谓“CT解剖测量”方法,确定P型耗尽层宽度;进而计算出P型扩散区的耐压。
　　1 P型扩散区耗尽层的理论推导
　　1.1 在反向雪崩电压下,N区耗尽层的方块电阻
　　式4中,Wn﹑Wp分别是N区和P区耗尽层厚度坐标,x是厚度的自变量。
　　既然N区耗尽层中的正电荷量与P型耗尽层中的负电荷量是相等的,而N区耗尽层的方块电阻近似为3KΩ/□,P区耗尽层的方块电阻是否也近似为3KΩ/□呢?答案是否定的。因为半导体的方块电阻,既决定于半导体内载流子的可动电荷量,还决定于载流子的迁移率。在高纯硅中,电子的迁移率为1360C㎡/(V·S),而空穴为495C㎡/(V·S)[3]。载流子的迁移率与半导体硅的电阻率成反比关系,故国内硅半导体功率器件在反向雪崩电压时,P区耗尽层的方块电阻近似为:R□p = 8KΩ/□,其值可以根据实用硅片的电阻率参照表1进行修正。这是本文的结论之一。
　　上述由P型杂质深扩散模型导出的结论,亦可用于PiN型结构的硅半导体功率器件产品。在PiN型结构中,“耗尽层近似理论”“电中性原理”仍然有效,而这二点理论是导出本结论的理论依据。
　　1.3 在反向雪崩电压下,P型扩散区耗尽层
　　从PN结向P区方向取一薄层,随着几何宽厚度的增加,薄层内所含杂质原子数逐渐增多,薄层的方块电阻逐渐减小。当方块电阻数值等于8KΩ/□时,该薄层就是:在反向雪崩电压下,P区的耗尽层;该薄层处于P区的界面就是:在反向雪崩电压下,P型深扩散区耗尽层界面;该薄层的厚度就是:在反向雪崩电压下,P型深扩散区耗尽层的厚度。
　　Wp越大。国内硅半导体功率器件产品中的普通整流管,其Wp值约为5-10um;普通晶闸管的Wp值,约为20-40um。
　　上述方块电阻的测量工艺方法,系笔者发明,由于所用精密仪器少,方法简便直观,可多次测量求平均值等优点,被国内硅半导体功率器件行业誉为“C T解剖测量法”。
　　3 P型扩散区耗尽层的耐压
　　参考文献:
　　[1]黄昆、韩汝琦,《半导体物理基础》,1979.
　　[2]徐传骧,《高压硅半导体器件耐压与表面绝缘技术》,1985.
　　[3](美)B.J巴利伽,《硅功率场控器件和功率集成电路》,1987.
　　[4](美)S.K格安迪,《功率半导体器件工作原理和制造工艺》,1982.