二极管介绍与生产工艺.ppt

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1、,二极管介绍与生产工艺,US I.All rights reserved.,Contents List目 录,1.二极管简介.2 2.半导体的导电特性.33.二极管的电气特性.5 4.二极管的主要参数.65.二极管应用电路.8 5.1.二极管稳压电路.8 5.2.二极管检波电路.9 5.3.二极管钳位电路.10 5.4.二极管整流应用.116.二极管生产工艺流程.14 6.1.半导体扩散工艺.15 6.2.二极管制造中序.267.二极管生产问题分析.308.二极管构造分类.328.国产二极管型号命名.339.各类型二极管常用检测法.34,1,USI.All rights reserved.,二

2、极管在电路中主要起稳压，检波，整流，钳位，限幅等作用。,电流只能从二极管的正极流向负极,普通二极管用符号D表示。,二极管简介,晶体二极管是由P型半导体和N型半导体烧结形成的P-N结界面。图为常见二极管外形及表示方法,二极管的构成,Kinds of diodes,Light emitting diode,二极管的应用,整流,稳压,钳位,检波,线路符号,+,-,2,半导体导电特性,3,半导体导电特性,4,US I.All rights reserved.,正向电压很小 未克服PN结内电场 正向电流几乎为0,电压大于死区电压 PN结电场逐渐克服 电流随电压增大上升,PN结内电场完全削弱 电流随电压增

3、大上升 二极管导通压降不变,Voltage,0Vth,Vth,Vth,正向特性,二极管处于死区,导通进行状态,正常导通状态,阈值电压Vth，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。正向导通压降硅管约为0.60.8V锗管的约为0.20.3V,反向特性,反向电压很小 反向漏电流很小 二极管反向截止 反向漏电流受温 度影响,大于反向击穿电压 反向电流突然增大 失去单向导电性,反向电击穿 过热则永久损坏 若未引起击穿过热 则不一定损坏,Voltage,Ubr,Ubr,0Ubr,反向截止状态,反向击穿,击穿损坏,常温下硅管的反向电流比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流在nA数量级，锗管在A数量级,反向截止

4、电压,死区电压,特性曲线,二极管电气特性,5,二极管主要参数,最大整流电流If,二极管长期工作，允许的最大正向平均电流值，其与PN结面积及散热条件等有关。,电流通过管子管芯发热，超温会使管芯过热损坏,最高反向工作压Ud,二极管两端反向电压高到一定值时，管子击穿，失去单向导电能力。,IN4001二极管反向耐压为 50V，IN4007为1000V,6,反向电流Id,反向电流越小，单向导电性能越好,二极管在常温（25）和最高反向电压作用下，流过的反向电流。,最高工作频率Fm,Fm取决于PN结面积，PN结面积越大，Fm越低,Fm是二极管工作的上限频率。高于该频率将不能正常工作,二极管主要参数,7,二极

5、管构造分类,二极管构造分类,二极管稳压电路,形式一,输出电压U0取自稳压管VZ两端，故U0=Uvz。当电源电压上升，由于稳压二极管的稳压作用，Uvz不变，输出电压U0也不变。该稳定不变电压可供给其他电路，使电路稳定正常工作。,输出电压取自限流电阻R两端，当电源电压上升时，稳压二极管两端电压Uvz不变，限流电阻R两端电压上升，故输出电压U0上升。稳压二极管按这种接法是不能为电路提供稳定电压。,稳压二极管需反接于电路中，并工作于 反向击穿状态,8,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管检波电路,检波原理,电路中VD1是检波二极管，C1是高频滤波电容，R1是检波电路的负载电阻，C2是耦合电容。检波电

6、路中，调幅信号加到检波二极管正极，这时检波二极管工作原理与整流电路整流二极管工作原理基本一样，利用信号幅度使检波二极管导通。展开后的调幅信号波形中可以看出，它是一个幅度变化的交流信号。这一信号加到检波二极管正极，正半周二极管导通，负半周二极管截止，相当于整流电路工作，在负载电阻R1上得到正半周信号包络，信号虚线部分，见图中检波电路输出信号波形（不加高频滤波电容时输出信号波形）。检波电路输出信号由音频信号、直流成分和高频载波信号成分组成。三种信号中，最重要是音频信号处理。,9,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管钳位电路,钳位原理,水平线是受保护的节点。当该电压超过Vcc+Vd时，上面的二极管

7、导通，当该点电压小于-0.7V时，下面的二极管导通。因此该点的电位被钳制在-0.7Vcc+Vd之间。对于正常的二极管，正向电阻约为几千欧，反向电阻约为几百千欧（一般应大于200千欧）。如果电压过高，高于Vcc+Vd（二极管导通压降），上面的二极管导通，输出电压钳位于Vcc+Vd；如果电压过低，低于-Vd（二极管导通压降），下面的二极管导通，输出电压钳位于-Vd。,10,半波整流电路结构,变压器输出电压U2仅半个周期可到达负载，负载电压U0是单方向脉动直流电压如图(a)，半波整流电路由电源变压器、整流二极管和负载组成。U2表示变压器二次绕组的交流电压有效值，U0是脉动的直流输出电压，半波整流电路

8、简单，使用元器件少，输出电压脉动很大，效率很低用在对直流电流波形要求不高的场合,变压器T一次侧电压U1，变压器的二次侧电压U2U2为正半周时VD导通，在RL上产生正半周电压；U2为负半周时VD截止，负载RL上无电流流过当输入电压进入下一个周期，整流电路将重复上述过程,U2,UO,.Voltage waveform,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管整流电路,11,全波整流电路结构,全波整流电路由两个半波整流电路组成，变压器T二次绕组具有两个中心抽头，将二次绕组分为上下两个相等部分，变压器两个输出端可以得到两个大小相等相位相反的输出电压全波整流电路带载能力强，输出电压脉动小，易滤成平滑直流电

9、源变压器需中心抽头，变压器效低，整流管承受的耐压高。适用稳定要求较高，输出电流大的场合,当U2正半周VD1导通VD2截止，电流Io(ID1)通过VD1和RL在负载两端产生上正下负脉动直流电压Uo当U2负半周VD2导通VD1截止，电流Io(ID2)通过VD2和RL在负载两端产生上正下负脉动直流电压Uo正半周和负半周电压经过VD1和VD2整流后在负载上合成为全波脉动直流电压Uo,U2,UT,.Voltage waveform,U2,U21,U22,Uo,U21,U22,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管整流电路,12,桥式整流电路结构,.Voltage waveform,桥式整流电路属全波整流

10、，是使用最多整流电路。四只二极管接成电桥在电压U2正负半周均有电流流过负载，在负载上形成单方向的全波脉动电压桥式整流电路由电源变压器、四只整流二极管和负载电阻组成桥式整流电路利用交流输入整个周期，变压器利用率高，输出电压为半波整流的两倍，输出电压的脉动大大减少。广泛用于家用电器、仪器仪表、通信设备、电力控制等方面。,当U2正半周变压器二次绕组电压A正B负VD1VD3导通，VD2和VD4截止，电流Io1经VD1、RL和VD3在RL输出Uo,图(a)当U2负半周变压器二次绕组电压B正A负VD2VD4导通，VD1和VD3截止，电流Io2经VD2、RL和VD4在RL输出Uo,图(b)电压U2一个周期内

11、，负载RL上均有电流流过,U2,Uo,U2,(a),(b),二极管构造分类,二极管构造分类,二极管整流电路,13,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管生产工艺流程,前期半导体扩散,中期制造成型,后期打印包装,。热氧化。扩散。LPCVD。合金。清洗。沾污测试,。焊接。酸洗。模压,。印字。机包。外拣。包装,14,US I.All rights reserved.,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,扩散区域按工艺分，主要有热氧化、扩散、LPCVD、合金、清洗、沾污测试等六大工艺,热氧化工艺介绍,热氧化法是高温下（900-1200）使硅片表面形成二氧化硅膜方法。常用杂质(硼,磷,砷等)

12、在氧化层中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数，因此氧化层具有阻挡杂质向半导体中扩散的能力。利用这一性质，在硅上的二氧化硅层上刻出选择扩散窗口，则在窗口区就可以向硅中扩散杂质，其它区域被二氧化硅屏蔽，没有杂质进入，实现对硅的选择性扩散，从而导致了硅平面工艺的诞生。,15,.热氧化方法介绍,干氧氧化氧分子以扩散的方式通过氧化层到达二氧化硅-硅表面，与硅发生反应，生成一定厚度的二氧化硅层。干氧氧化化学反应式：Si+O2=SiO2干氧化制作的SiO2结构致密，均匀性重复性好，掩蔽能力强，对光刻胶的粘附性较好，但生长速率慢；较用于高质量氧化，如栅氧等。,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,湿氧

13、氧化反应气体中包括O2和H2O，实际是两种氧化结合使用。湿氧氧化化学反应式：H2+O2=H2O H2O+Si=SiO2+2H2 Si+O2=SiO2湿氧氧化生长速率介于干氧氧化和水汽氧化间；通过H2和O2流量比例调节O2和H2O分压比，调节氧化速率。为了安全，H2/O2比例不可超过1.88。湿氧化的氧化层对杂质掩蔽力以及均匀性均满足工艺要求，氧化速率比干氧氧化明显提高，因此在厚层氧化中得到较广泛应用。,16,US I.All rights reserved.,掺氯氧化氧化气体中掺入HCl或DCE（C2H2Cl2）后，氧化速率及氧化层质量都有提高。两方面解释速率变化原因，其一：掺氯氧化时反应产物

14、有H2O，加速氧化；其二：氯积累在Si-SiO2界面附近，氯与硅反应生成氯硅化物，氯硅化物稳定性差，在有氧情况下易转变成SiO2，氯成为氧与硅反应催化剂。并且氧化层质量大有改善。热氧化过程中掺入氯会使氧化层中含有一定量氯原子，可以减少钠离子沾污，钝化SiO2击穿特性，提高半导体器件可靠性和稳定性。大多干氧氧化都含有掺氯氧化。,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,水汽氧化生长速率快，但结构疏松，掩蔽能力差，有较多缺陷。水汽氧化化学反应式：2H2O+Si=SiO2+2H2其对光刻胶的粘附性较差，一般不采用此方法。,17,.热氧化方法介绍,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,

15、扩散工艺介绍,扩散技术控制半导体中特定区域内杂质的类型、浓度、深度，是半导体器件生产的主要技术之一。,.扩散机构,替位式扩散机构这种杂质原子或离子大小与Si原子差别不大，沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占晶格格点正常位置，不改变原来硅材料晶体结构。硼、磷、砷等是此种方式。,填隙式扩散机构这种杂质原子大小与Si原子差别较大，杂质原子进入硅晶体后，不占晶格格点正常位置，而从一个硅原子间隙到另一个硅原子间隙逐次跳跃前进。镍铁等重金属元素是此方式。,18,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,LPCVD工艺介绍,LPCVD即低压化学气相沉积（Low Pressure Cher

16、nicd Vapor Deposition）简写，几种典型工艺为低压化学气相沉积多晶硅、低压化学气相沉积氮化硅、低压化学气相沉积二氧化硅、低压化学气相沉积三氧化二铝。,多晶硅沉积速率与反应温度的关系,多晶硅膜厚与沉积时间的关系,19,低压化学气相沉积多晶硅用硅烷（SiH4）沉积多晶硅，用纯氩或纯氮为稀释气体，高浓度硅烷易燃易爆不安全，已趋向采用低浓度SiH4沉积工艺，5%浓度SiH4较安全。沉积温度在600700。以5%浓度SiH4为例，说明沉积过程中各参数的关系。,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,.LPCVD方法介绍,20,低压化学气相沉积氮化硅有三种工艺使用SiH4、NH3

17、及N2、使用SiH2Cl2和NH3、使用SiCl4和NH3,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,21,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,低压化学气相沉积二氧化硅,22,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,低压化学气相沉积三氧化二铝工艺程序为：将硬质合金刀片挂在试样架上，把4装在底托5上，再装入石英反应炉1内通入H2开始升温。开动真空泵28使炉内压力低于1l05pa。当试样温度升至10001100时，通入CO2和AlCl3，调整负压调节阀21，使石英炉内保持932pa左右的压力，沉积3040分钟后，停供CO2和AlCl3，待炉体温度达室温后出炉。,影响镀层质

18、量的主要因素有：硬质合金刀片表面光洁度及清洁状况，原料气体配比等。通常原料气体有H2、CO2、AlCl3，其体积配比为85%H2、12.5%CO2、2.5%AlCl3。如果CO2不足，反应不易进行。,1-石英反应炉；2-感应圈；3-试样；4-试样支架；5-底托；6-混合气体喷嘴；7-TiCl4进口处；8-管路加热器；9-AlCl3筛板；14-H2净化器；15-恒温水浴；16-蒸发瓶；17-TiCl4；18-二通阀门；19-负压计；20-供水瓶；21-负压调节阀；22-缓冲瓶；23-浓碱液；24-机械泵油；25-除尘器；26-排气管；27-氯气流量计；28-真空泵,23,合金工艺介绍,二极管构造

19、分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,淀积到硅片表面的金属层经光刻形成一定的互连图形之后，还必须进行一次热处理，称为“合金化”。合金的目的是使接触孔中的铝与硅之间形成低电阻欧姆接触，并增加铝与二氧化硅之间的附着力。,铝栅合金铝是三价元素，在硅中是强P型杂质，与Si能形成低值欧姆接触。在热处理过程中，硅会不停地往铝膜中输送，直到溶解饱和。硅在铝膜中的溶解和扩散过程受铝晶粒尺寸、孔边缘氧化层应力、孔上残余SiO2影响，引起铝膜对硅的不均匀溶解。溶解入硅的铝膜，称为铝钉。铝钉的存在，会产生PN结击穿特性退化。严重时，出现PN结短路。,24,合金工艺介绍,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺

20、,硅栅合金实际工艺中，预先在铝源中加入适量的硅，使硅在铝膜中处于饱和，避免硅在铝膜中的溶解，也就避免了“铝钉”的产生。同时用TiN层来阻挡铝膜向硅中的渗透，在TiN与硅的结合处，预先形成TiSi化合物来加强粘附性。,合金工艺的作用不仅仅是形成欧姆接触，它的另一个最大的作用在于：包含N、H烘陪工艺，是减少表面态密度，避免软击穿的有效措施。,25,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管制造中序,26,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管制造中序,27,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管制造中序,28,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管制造中序,29,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管

21、生产问题分析,生产性不良分析实例，如图所示4只二极管,芯片对角突出,30,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管生产问题分析,电气特性软,芯片开裂,玻璃上有焊锡,31,二极管构造分类,N型硅单晶片扩散P型杂质 不需调整PN结药品腐蚀作用 小电流开关用,点接触型,键型,单晶片上压触一根金属针，通过电流法形成 正向特性和反向特性差,合金法或扩散法做成 适用整流，不用高频率电路,单晶片上熔金或银细丝形成 多作开关用,在高温P型杂质气体中，加热 N型锗或硅单晶片 适用大电流整流,将杂志与合金材料一起扩散 制造高灵敏度变容二极管,与扩散型相同，但不必要部 分用药品腐蚀掉 小电流开关作用,金属和半导体接触面，用已形 成的肖特基来阻挡反向电压 制作开关和低压大电流整流二 极管,扩散型,台面型,面接触型,平面型,合金扩散型,肖特基型,32,Manufacture Type,国产二极管型号命名,33,各类型二极管常用检测法,34,各类型二极管常用检测法,35,US I.All rights reserved.,Thank You,