半導(dǎo)體器件與工藝

1、半導(dǎo)體器件與工藝1第1頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 半導(dǎo)體器件 IC的基礎(chǔ) 數(shù)字集成電路建庫等 模擬集成電路、射頻集成電路設(shè)計(jì) 側(cè)重工作原理、特性分析、模型2第2頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二半導(dǎo)體器件方面的課程內(nèi)容預(yù)備知識(shí)：半導(dǎo)體物理 半導(dǎo)體器件主要組成模塊：PN結(jié) BJT金屬半導(dǎo)體接觸MIS結(jié)構(gòu) MOSFET 異質(zhì)結(jié) 超晶格、量子阱等 BJT器件MOSFET基礎(chǔ)：原理、特性、模型 長溝MOSFET 短溝MOSFET3第3頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二半導(dǎo)體器件方面的課程內(nèi)容(續(xù))器件發(fā)展趨勢(shì)scaling do

2、wn：roadmap bottom upnon-classical MOSFETs 襯底：SOI CMOS器件 柵， S/D， 溝道 新工作機(jī)制4第4頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 半導(dǎo)體及其基本特性5第5頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二固體材料：超導(dǎo)體: 大于106(cm)-1 導(dǎo) 體: 106104(cm)-1 半導(dǎo)體: 10410-10(cm)-1 絕緣體: 小于10-10(cm)-1什么是半導(dǎo)體?從導(dǎo)電特性和機(jī)制來分氣體、液體、固體、等離子體 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體之間的界限不絕對(duì)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)含量很高：金屬性純凈半導(dǎo)體在低溫下的電阻率很

3、低：絕緣性 從能帶及溫度特性來區(qū)分6第6頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 主要的半導(dǎo)體材料元素半導(dǎo)體，如：Si、Ge化合物半導(dǎo)體 IV族：SiC, SiGeIII-V族：GaAs、InP、GaP, InAs II-V族: ZnS, ZnSe, CdS 發(fā)展 Ge: 1947-1958, now some research Si: 1962 III-V族：1970 寬禁帶半導(dǎo)體： SiC, GaN，1990 有機(jī)半導(dǎo)體、納米半導(dǎo)體.？7第7頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 基本導(dǎo)電性 影響導(dǎo)電性的因素 摻雜：雜質(zhì)的種類和數(shù)量 光照等 導(dǎo)電能力的表征

4、 半導(dǎo)體中的載流子8第8頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二1. 半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)大部分半導(dǎo)體材料：共價(jià)鍵晶體以硅為例，最外層4個(gè)電子：價(jià)電子：決定硅的物理化學(xué)性質(zhì)每兩個(gè)相鄰原子之間有一對(duì)電子，與兩個(gè)原子核有吸引作用：共價(jià)鍵原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵9第9頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二半導(dǎo)體的結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)形成的晶體結(jié)構(gòu)： 具有 金剛石晶體結(jié)構(gòu)兩個(gè)面心立方套在一起，沿體對(duì)角線平移1/4原子規(guī)則排列成晶格10第10頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ与娮樱篍lectron，價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛 后

5、，成為自由運(yùn)動(dòng)的電子，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子空穴：Hole，價(jià)電子脫離原子束縛 后形成的電子缺位，可以自由移動(dòng)，正電的導(dǎo)電載流子半導(dǎo)體中的載流子：電子和空穴11第11頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 電子擺脫共價(jià)鍵的能量不同的半導(dǎo)體，電子擺脫束縛需要的能量不同 硅：1.12eV 鍺：原子序數(shù)32，對(duì)價(jià)電子的束縛較弱，0. 78eV 化合物半導(dǎo)體III-V族化合物半導(dǎo)體 共價(jià)鍵結(jié)合 每個(gè)III族原子周圍有4個(gè)V族原子，V族原子周圍有4個(gè)III族原子 V族原子把一個(gè)電子轉(zhuǎn)移給III族原子，有一定離子性，結(jié)合強(qiáng)度增大 電子脫離共價(jià)鍵束縛需要的能量：1.43eV12第12頁，共55

6、頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二電子擺脫共價(jià)鍵的能量 晶體內(nèi)原子的熱運(yùn)動(dòng) 常溫下，硅中熱運(yùn)動(dòng)激發(fā)產(chǎn)生的電子、空穴很少，對(duì)硅的導(dǎo)電性影響很小光照 常溫下硅的導(dǎo)電性 雜質(zhì)13第13頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二半導(dǎo)體的摻雜BAs 受 主 摻 雜III族：B等 施 主 摻 雜V族：P,As,Sb等14第14頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中 提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。硅中摻有施主雜質(zhì)，靠施主提供的電子導(dǎo)電N型半導(dǎo)體 受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)

7、原子向半導(dǎo)體中 提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。 硅中摻有受主雜質(zhì)，靠受主提供的空穴導(dǎo)電 P型半導(dǎo)體15第15頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 雜質(zhì)補(bǔ)償： 同時(shí)有施主、受主 NDNA ：供導(dǎo)電 16第16頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 基本導(dǎo)電性 影響導(dǎo)電性的因素 摻雜：雜質(zhì)的種類和數(shù)量 光照等 導(dǎo)電能力的表征 半導(dǎo)體中的載流子17第17頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 導(dǎo)電能力的表征 電導(dǎo)率、電阻率 遷移率均勻?qū)щ姴牧希弘娮杌螂妼?dǎo)來表示導(dǎo)電能力，電場(chǎng)不很強(qiáng)，歐姆定律 雜質(zhì)：半導(dǎo)體的導(dǎo)電 電流不均勻 微分歐姆定律：j

8、EE/ 電導(dǎo)率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系18第18頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 常溫下電子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)：不會(huì)形成電流 漂移運(yùn)動(dòng)：存在電場(chǎng)，由電場(chǎng)作用而產(chǎn)生電子沿電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一定定向速度 j=nqv，v是平均速度 單位時(shí)間通過單位面積的電荷量 jEE/ vuE：u為載流子的遷移率 nqu 與n有關(guān)與u有關(guān)遷移率：導(dǎo)電能力， 載流子運(yùn)動(dòng)速度定量分析 引 入 遷 移 率 的 概 念19第19頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 基本導(dǎo)電性 影響導(dǎo)電性的因素 摻雜：雜質(zhì)的種類和數(shù)量 光照等 導(dǎo)電能力的表征 半導(dǎo)體中的載流子 20第20頁，共55頁，2022年

9、，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 以電子為例 載流子的統(tǒng)計(jì)規(guī)律 大量載流子微觀運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出來 電子的運(yùn)動(dòng)方式 穩(wěn)恒運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量：量子態(tài) 相應(yīng)的能量：能級(jí) 量子躍遷 21第21頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 量子態(tài) 半導(dǎo)體中的量子態(tài) 共價(jià)鍵電子 擺脫共價(jià)鍵后自由運(yùn)動(dòng)的電子 摻雜原子可以將電子束縛在周圍運(yùn)動(dòng) 大量電子在各類量子態(tài)中的分布情況：電子的統(tǒng)計(jì)分布 22第22頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 原子中電子的量子態(tài)和能級(jí) 硅原子的14個(gè)電子在三層軌道上運(yùn)動(dòng) 軌道越高，能量越高 量子態(tài)的能量：取一些特定值 兩層軌道之間不存在中間能量的量

10、子態(tài) 形象表示：能級(jí)圖 每一量子態(tài)所取的確定能量：能級(jí) 用高低不同的水平橫線來表示 每一個(gè)量子態(tài)稱為一個(gè)能級(jí) 空能級(jí)：電子躍遷23第23頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二半導(dǎo)體中的能帶電子的共有化運(yùn)動(dòng)軌道交迭：電子可從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去原子組合成晶體：電子的量子態(tài)發(fā)生質(zhì)的變化，電子穿行于整個(gè)晶體的運(yùn)動(dòng) 電子只能在能量相同的量子態(tài)之間轉(zhuǎn)移 共有化的量子態(tài)與原子能級(jí)之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系24第24頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二半導(dǎo)體的能帶 在同一個(gè)原子能級(jí)上產(chǎn)生的共有化運(yùn)動(dòng)多樣可以有各種速度 從一個(gè)原子能級(jí)可以演變出許多共有化量子態(tài) 原子能級(jí) 能

11、帶一組密集的能級(jí)：能帶 禁帶，帶隙25第25頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二價(jià)帶：被電子填充的能量最高的能帶，價(jià)電子填充 能量最高 價(jià)帶以上能帶基本為空導(dǎo)帶： 未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體中的能帶(價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙)Si，Ge等晶體中，內(nèi)層到最外層價(jià)電子填滿相應(yīng)的能帶導(dǎo) 帶價(jià) 帶Eg26第26頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 電子擺脫共價(jià)鍵束縛形成一對(duì)電子和空穴 電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷過程 導(dǎo)帶增加一個(gè)電子、價(jià)帶增加一個(gè)空穴 禁帶寬度：擺脫共價(jià)鍵所需的能量 導(dǎo)電的電子：導(dǎo)帶中的電子

12、 導(dǎo)電的空穴：填滿的價(jià)帶中出現(xiàn)的空能級(jí)，實(shí)質(zhì)是價(jià)帶中電子的導(dǎo)電從低向高能級(jí)躍遷：吸收能量；反之放出能量 27第27頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二雜質(zhì)能級(jí)：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)雜質(zhì)能級(jí)一般處于禁帶中施主能級(jí)V族施主電離能很小施主的電離：施主能級(jí)上的電子躍遷到導(dǎo)帶 受主能級(jí)負(fù)電中心束縛空穴III族受主電離能很小受主的電離：價(jià)帶電子躍遷到受主能級(jí)，失去空穴的負(fù)電中心施主和受主的補(bǔ)償28第28頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二n型半導(dǎo)體：主要電子導(dǎo)電，有少量空穴P型半導(dǎo)體：主要空穴導(dǎo)電，有少量電子多子：多數(shù)載流子 n型半導(dǎo)體：電子p型半導(dǎo)

13、體：空穴少子：少數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：空穴p型半導(dǎo)體：電子晶格熱振動(dòng) 產(chǎn)生電子躍遷：產(chǎn)生電子空穴對(duì)復(fù)合：導(dǎo)帶電子落入價(jià)帶空能級(jí)熱平衡時(shí)，電子、空穴濃度維持不變半導(dǎo)體中少子和多子的平衡（一個(gè)基本的載流子統(tǒng)計(jì)規(guī)律）熱平衡：無光照、PN結(jié)注入等29第29頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二本征載流子濃度： n=p=ni np=ni2ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)本征載流子本征半導(dǎo)體：沒有摻雜的半導(dǎo)體本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子載流子來源：電子空穴對(duì)的產(chǎn)生載流子濃度 電 子 濃 度 n, 空 穴 濃 度 p30第30頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 非本征半導(dǎo)體

14、的載流子在非本征情形: 熱平衡時(shí):N型半導(dǎo)體：n大于pP型半導(dǎo)體：p大于n31第31頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二電中性條件: 正負(fù)電荷之和為0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互補(bǔ)償p = n + Na Ndn = p + Nd Na32第32頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二n型半導(dǎo)體：電子 n Nd 空穴 p ni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴 p Na 電子 n ni2/Na33第33頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二非平衡載流子 由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平

15、衡分布的載流子為非平衡(過剩)載流子公式不成立外界因素撤除后，過剩載流子復(fù)合34第34頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二費(fèi)米能級(jí) 費(fèi)米能級(jí)：反映電子填充能帶到什么水平：電子統(tǒng)計(jì)規(guī)律的一個(gè)基本概念 從重?fù)诫sP型到重?fù)诫sN型半導(dǎo)體，填進(jìn)能帶的電子逐漸增多，費(fèi)米能級(jí)逐漸增高 費(fèi)米能級(jí)畫到能帶圖中，反映電子填充能帶情況，不代表電子的量子態(tài) 費(fèi)米能級(jí)以下基本 填滿電子 費(fèi)米能級(jí)在禁帶中央：本征 費(fèi)米能級(jí)在禁帶上半部：N型 費(fèi)米能級(jí)在禁帶下半部：P型Ef反映了電子的占據(jù)情況，是系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)35第35頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二載流子的統(tǒng)計(jì)分布函數(shù) 費(fèi)米狄拉

16、克分布 量 子 的 統(tǒng) 計(jì) 分 布玻爾茲曼分布 經(jīng) 典 粒 子 的 統(tǒng) 計(jì) 分 布E-Ef大于幾個(gè)kT時(shí)簡(jiǎn)化形式熱平衡時(shí)電子占據(jù)能級(jí)E的幾率36第36頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二載流子的輸運(yùn) 載流子輸運(yùn)形成電流 漂移運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) .非平衡情況下37第37頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二載流子的輸運(yùn)漂移電流遷移率電阻率單位電場(chǎng)作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場(chǎng)作用下輸運(yùn)能力 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng) 引 入 遷 移 率 的 概 念遷移率：電子和空穴不同摻雜濃度影響溫度影響.38第38頁，共55頁，2022年，5月20

17、日，1點(diǎn)42分，星期二 載流子在運(yùn)動(dòng)過程中，與晶格、雜質(zhì)、缺陷發(fā)生碰撞，無規(guī)則地改變運(yùn)動(dòng)方向，發(fā)生散射；經(jīng)歷一次散射載流子喪失了原有定向運(yùn)動(dòng)速度 載流子的平均漂移速度等于載流子在兩次散射之間電場(chǎng)力加速獲得的平均速度平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間（平均弛豫時(shí)間）影響遷移率的因素：有效質(zhì)量平均弛豫時(shí)間39第39頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二半導(dǎo)體中載流子的行為可以等效為自由粒子，但與真空中的自由粒子不同，考慮了晶格作用后的等效粒子。載流子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是外力和晶體勢(shì)場(chǎng)共同作用的結(jié)果有效質(zhì)量與半導(dǎo)體材料有關(guān)電子和空穴的有效質(zhì)量m* 電子的有效質(zhì)量比空穴小 部分III-V族化合物半導(dǎo)體中電

18、子的有效質(zhì)量更小40第40頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二平均弛豫時(shí)間溫度和摻雜濃度對(duì)遷移率的影響半導(dǎo)體中載流子的散射機(jī)制： 晶格散射（ 熱運(yùn)動(dòng)引起） 電離雜質(zhì)散射（帶電中心對(duì)載流子的吸引、排斥） 溫度升高，晶格散射增大，低摻雜濃度下遷移率下降 摻雜濃度增大，電離雜質(zhì)散射增強(qiáng)41第41頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二擴(kuò)散電流電子擴(kuò)散電流：空穴擴(kuò)散電流：愛因斯坦關(guān)系:載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子在化學(xué)勢(shì)作用下運(yùn)動(dòng)由載流子非均勻分布引起擴(kuò)散系數(shù)，描述載流子的擴(kuò)散能力42第42頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二過剩載流子的擴(kuò)散和復(fù)合過

19、剩載流子的復(fù)合機(jī)制： 直接復(fù)合、間接復(fù)合、 表面復(fù)合、俄歇復(fù)合過剩載流子的擴(kuò)散過程擴(kuò)散長度Ln和Lp: L=(D)1/2如P型半導(dǎo)體中有電子從邊緣進(jìn)入，注入保持不變電子和空穴在運(yùn)動(dòng)過程中相互遭遇而湮滅43第43頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二描述半導(dǎo)體器件工作的基本方程 泊松方程 高斯定律 描述半導(dǎo)體中靜電勢(shì)的變化規(guī)律靜電勢(shì)由本征費(fèi)米能級(jí)Ei的變化決定能帶向下彎，靜電勢(shì)增加44第44頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二方程的形式1方程的形式2電荷密度(x)可動(dòng)的 載流子（n,p)固定的 電離的施主、受主45第45頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 電流連續(xù)方程 可動(dòng)載流子的守恒熱平衡時(shí)：產(chǎn)生率復(fù)合率np=ni2電子：空穴46第46頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二 電流密度方程 載流子的輸運(yùn)方程在漂移擴(kuò)散模型中擴(kuò)散項(xiàng)漂移項(xiàng)方程形式147第47頁，共55頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)42分，星期二愛因斯坦關(guān)系波耳茲曼關(guān)系