清華大學(xué) 器件物理03

1、*據(jù)統(tǒng)計：半導(dǎo)體器件主要有據(jù)統(tǒng)計：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外還有種，另外還有110個相關(guān)的變種個相關(guān)的變種*所有這些器件都是由少數(shù)的基本模塊構(gòu)成：所有這些器件都是由少數(shù)的基本模塊構(gòu)成： pn結(jié)結(jié)金屬半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體接觸 MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié) 超晶格超晶格萌萌芽芽期期成長期成長期成熟期成熟期衰退期1874年年 F.Braun半導(dǎo)體器件的第半導(dǎo)體器件的第1項研究項研究金屬半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體接觸1939年年 Schottky肖特基勢壘肖特基勢壘1907年年 H.J.Round發(fā)光二極管發(fā)光二極管 LED1947年年 Shockley ，Bardeen, Brattain晶體管晶體管

2、(transistor)點接觸式的點接觸式的諾貝爾獎諾貝爾獎1949年年 Shockleyp-n結(jié)結(jié)雙極晶體管（雙極晶體管（BJT1940187019301950萌萌芽芽期期第一個點接觸式的第一個點接觸式的晶體管晶體管 (transistor)成為電子現(xiàn)代成為電子現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)工業(yè)的基礎(chǔ)Ge 晶體管晶體管獲獲1956年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎1957年年 Kroemer異質(zhì)結(jié)雙極晶體管異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT諾貝爾獎諾貝爾獎1952年年 Schockley結(jié)型場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET第第1個半導(dǎo)體場效應(yīng)器件個半導(dǎo)體場效應(yīng)器件1954年年 Chapin, Fuller, Pearso

3、n 硅太陽電池，硅太陽電池，61952年年Ebers閘流管模型閘流管模型 thyristor1958年年 Esaki隧道二極管隧道二極管諾貝爾獎諾貝爾獎19601950進進入入成成長長期期1960年年 Kahng,Atalla增強型增強型MOSFET1962年年 Hall, Nathan, Quist 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器1963年年Gunn渡越電子二極管渡越電子二極管Gunn二極管二極管1967年年Kahng, Sze非揮發(fā)存儲器非揮發(fā)存儲器1966年年 MeadMESFET1965年年Johnston, DeLoach, CohenIMPATT二極管二極管197019601962年年W

4、anlass、C. T. SahCMOS技術(shù)技術(shù)1968年年Dennard單晶體管單晶體管DRAM第一個增強型第一個增強型MOSFET利用硅和熱氧化生長的二氧化硅，其利用硅和熱氧化生長的二氧化硅，其上為鋁柵上為鋁柵溝道長度：溝道長度：25微米微米柵氧化層：柵氧化層：1000埃埃第一塊集成電路，1958， KilbyGe 襯底上的混合集成電路，美國專利號3138743第一塊單片集成電路，1959， Noyce1970年年 Boyle, SmithCCD器件器件1974年年Chang, Esaki, Tsu共振隧道二極管共振隧道二極管1980年年Mimura, Hiyamizu, Fujii, N

5、anbu MODFET調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管19801970分水嶺：分水嶺：1970年前發(fā)明年前發(fā)明的器件全部實的器件全部實現(xiàn)商業(yè)化現(xiàn)商業(yè)化1971年Intel公司微處理器1980年后出年后出現(xiàn)了大量的現(xiàn)了大量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件和量子效應(yīng)器件和量子效應(yīng)器件1984年年 Luryi, Katalskys,Gossard, Hendel電荷注入晶體管電荷注入晶體管CHINT1984年年Capasso, Kiehl共振隧穿雙極晶體管共振隧穿雙極晶體管RTBT1985年年Yokoyama, Imamura, Muto,Hiyamizu , Nishi RHET共振隧穿熱電子晶

6、體管共振隧穿熱電子晶體管19901980MOS 晶體管結(jié)構(gòu)晶體管結(jié)構(gòu) (a) 原始的，原始的， （b) 現(xiàn)代的現(xiàn)代的N+（P+）N+（P+）P-（N-）Source Gate DrainN+ (P+)N+ (P+)P (N)Source Gate DrainN+(P+)abCMOS FETCMOS FET 技術(shù)演變技術(shù)演變MOS FETMOS FET，19601960Poly-Si Self-AlignedPoly-Si Self-Aligned Gate,1966Gate,1966Ion Implant application, 1969Ion Implant application, 19

7、69Silicided Poly-Si Gate, 1978Silicided Poly-Si Gate, 1978Sidewall for S/D implant, Sidewall for S/D implant, 19801980Self-aligned LDD, 1981Self-aligned LDD, 1981Salicide, S/D extension , Salicide, S/D extension , 19821982Oxy-Nitride for gate Oxy-Nitride for gate dielectric, 1983dielectric, 1983CMP,

8、 1989CMP, 1989Damascene interconnect, 1992Damascene interconnect, 1992Copper interconnect, 1993Copper interconnect, 1993N+N+P N+P+P+ NP+Substrate*據(jù)統(tǒng)計：半導(dǎo)體器件主要有據(jù)統(tǒng)計：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外還有種，另外還有110個相關(guān)的變種個相關(guān)的變種*所有這些器件都是由少數(shù)的基本模塊構(gòu)成：所有這些器件都是由少數(shù)的基本模塊構(gòu)成：4 pn結(jié)結(jié)金屬半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體接觸 MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié) 超晶格超晶格兩個習(xí)題兩個習(xí)題 2.3 PN結(jié)結(jié)1.

9、PN結(jié)的形成結(jié)的形成NP空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)XM空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，因為缺少載流子因為缺少載流子實際的實際的PN結(jié)結(jié)構(gòu)結(jié)結(jié)構(gòu)2. 平衡的平衡的PN結(jié)情形結(jié)情形載流子的漂移載流子的漂移(電流電流)和擴散和擴散(電流電流)過程保過程保持平衡持平衡(相等相等)，形成，形成自建場和自建勢自建場和自建勢20000lnlnlniADpnnpfpfnBnNNqkTnnqkTppqkTqEE自建勢自建勢qVbi費米能級平直費米能級平直0dxdEF0 xEnxEnjFnnFnn 0 xEpxEpjFppFpp 平衡時的能帶結(jié)構(gòu)平衡時的能帶結(jié)構(gòu)3.正向偏置的正向偏置的PN結(jié)情形結(jié)情形正向偏置時

10、的能帶圖正向偏置時的能帶圖N區(qū)區(qū)P區(qū)區(qū)空穴：空穴： 100kTqVppnnnpnpeLDpLDnxjxjj電子：電子：P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)擴散擴散擴散擴散漂移漂移漂移漂移正向的正向的PN結(jié)電流輸運過程結(jié)電流輸運過程電流傳輸與轉(zhuǎn)換（載流子的擴散和復(fù)合過程電流傳輸與轉(zhuǎn)換（載流子的擴散和復(fù)合過程4. PN結(jié)的反向特性結(jié)的反向特性N區(qū)區(qū)P區(qū)區(qū)空穴：空穴：電子：電子：P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)擴散擴散擴散擴散漂移漂移漂移漂移 100kTqVppnnnpnprReLDpLDnxjxjj反向偏置時的能帶圖反向偏置時的能帶圖N區(qū)區(qū)P區(qū)區(qū)電子：電子：擴散擴散漂移漂移空穴：空穴： P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)擴散擴散漂移漂移 100kTqVppnnn

11、pnprReLDpLDnxjxjj5. PN結(jié)的特性結(jié)的特性單向?qū)щ娦裕簡蜗驅(qū)щ娦裕赫蚱谜蚱梅聪蚱梅聪蚱谜驅(qū)?，多?shù)載流子擴散電流正向?qū)?，多?shù)載流子擴散電流反向截止，少數(shù)載流子漂移電流反向截止，少數(shù)載流子漂移電流正向?qū)妷赫驅(qū)妷篤bi0.7V(Si)反向擊穿電壓反向擊穿電壓Vrb6. PN結(jié)的擊穿結(jié)的擊穿雪崩擊穿雪崩擊穿齊納齊納/隧穿擊穿隧穿擊穿7. PN結(jié)電容結(jié)電容VQCTdVdQCTmsTXSC0金屬半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體接觸一、能帶結(jié)構(gòu)一、能帶結(jié)構(gòu)*一般形成勢壘肖特基勢壘一般形成勢壘肖特基勢壘*半導(dǎo)體中形成類似于單邊突半導(dǎo)體中形成類似于單邊突變結(jié)的耗盡層變結(jié)的耗盡層

12、*勢壘高度存在兩種極限情況勢壘高度存在兩種極限情況金屬與半導(dǎo)體的能帶金屬與半導(dǎo)體的能帶1. 由功函數(shù)決定由功函數(shù)決定2. 由表面態(tài)決定由表面態(tài)決定一、能帶結(jié)構(gòu)一、能帶結(jié)構(gòu)釘扎釘扎熱離子發(fā)射熱離子發(fā)射隧穿、場發(fā)射隧穿、場發(fā)射空間電荷空間電荷區(qū)的復(fù)合區(qū)的復(fù)合空穴注入空穴注入二、電流的傳輸二、電流的傳輸正向偏置時：正向偏置時：金屬半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體接觸Schottky barriern-typesemi-conductorElectrons moveover the barriermetalEcEFEvElectrons tunnelthrough the narrowdepletion regi

13、onn-typesemi-conductorn+-regionmetalOhmic contactEcEFEv通常通常MS接接觸分為：觸分為：肖特基接觸肖特基接觸歐姆接觸歐姆接觸 2.4 雙極晶體管雙極晶體管發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)收集區(qū)收集區(qū)基區(qū)基區(qū)發(fā)發(fā)射射結(jié)結(jié)收收集集結(jié)結(jié)發(fā)發(fā)射射極極收收集集極極基極基極cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1cebIII共基極共基極共發(fā)射極共發(fā)射極共收集極共收集極NNP晶體管的共收集極接法晶體管的共收集極接法cbeecII0bcII00001cecIIIeciibcii1215. BJT的特點的特點優(yōu)優(yōu)點點垂直結(jié)構(gòu)垂直結(jié)構(gòu)與輸運時間相關(guān)的尺與輸運時間相關(guān)的尺寸由工藝參數(shù)決定，寸由工藝參數(shù)決定，與光刻尺寸關(guān)系不大與光刻尺寸關(guān)系不大易于獲易于獲得高得高fT高速高速應(yīng)用應(yīng)用整個發(fā)射上整個發(fā)射上有電流流過有電流流過可獲得單位面積可獲得單位面積的大輸出電流的大輸出電流易于獲得易于獲得大電流大電流大功率大功率應(yīng)用應(yīng)用開態(tài)電壓開態(tài)電壓VBE與尺寸、與尺寸、工藝無關(guān)工藝無關(guān)片間漲落小，可獲片間漲落小，可獲得小的電壓擺幅得小的電壓擺幅易于小信易于小信號應(yīng)用號應(yīng)用模擬電模擬電路路輸入電容由輸入電容由擴散電容決擴散電容決定定隨工作電流的減隨工作電流的減小而減小小而減小可同時在大或小的電可同時在大或小的電流下工作而無需調(diào)整流下