半導(dǎo)體器件電子學(xué)-Ch

<<半導(dǎo)體器件電子學(xué)>>北京工業(yè)大學(xué)電控學(xué)院2006年9月《半導(dǎo)體器件電子學(xué)》課程大綱第一章現(xiàn)代半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)和特性（10學(xué)時）§1.1半導(dǎo)體的基本特性與常見半導(dǎo)體材料§1.2新型寬帶半導(dǎo)體材料的特性§1.3Si材料的SOI結(jié)構(gòu)特性§1.4半導(dǎo)體材料的壓電特性第二章載流子輸運(yùn)特性及非平衡態(tài)（14學(xué)時）

§2.1體材料半導(dǎo)體載流子的性質(zhì)及電流密度 §2.2小尺寸下半導(dǎo)體材料中遷移率退化和速度飽和 §2.3器件的小尺寸帶來的熱問題 §2.4小尺寸下的量子效應(yīng)

§2.5小尺寸器件中的量子力學(xué)機(jī)理 §2.6二維電子氣的輸運(yùn) §2.7調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)和場效應(yīng)晶體管 §2.8強(qiáng)磁場中的二維電子氣 §2.9摻雜對輸運(yùn)特性的影響第三章半導(dǎo)體結(jié)特性的電子學(xué)分析（6學(xué)時） §3.1PN結(jié)的模型 §3.2求解空間電荷區(qū)的近似解析模型

§1.1半導(dǎo)體的基本特性與常見半導(dǎo)體材料一、半導(dǎo)體的基本特性電阻率：介于10-3-106Ω.cm，金屬：10－6Ω.cm絕緣體:1012Ω.cm純凈半導(dǎo)體負(fù)溫度系數(shù)摻雜半導(dǎo)體在一定溫度區(qū)域出現(xiàn)正溫度系數(shù)不同摻雜類型的半導(dǎo)體做成pn結(jié),或金-半接觸后，電流與電壓呈非線性關(guān)系，可以有整流效應(yīng)具有光敏性，用適當(dāng)波長的光照射后，材料的電阻率會變化，即產(chǎn)生所謂光電導(dǎo)半導(dǎo)體中存在著電子與空穴兩種載流子第一章現(xiàn)代半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)和特性二、常見的半導(dǎo)體材料構(gòu)成半導(dǎo)體材料的主要元素及其在元素周期表中的位置元素半導(dǎo)體Si：是常用的元素半導(dǎo)體材料，是目前最為成熟的材料，廣泛用于VLSI。Ge：早期使用的半導(dǎo)體材料。化合物半導(dǎo)體Ⅲ-Ⅴ族化合物（AIIIBV）Ⅲ-Ⅴ：Al，Ga，In——P，As，N，Sb（碲）GaAs、InP、GaP、InAs、GaN等。Ⅱ-Ⅵ族化合物（AIIBVI）

Ⅱ－Ⅵ：Zn，Cd，Hg——S，Se，TeZnO、ZnS、TeCdHg等Ⅵ-Ⅵ化合物（AIVBiV）SiGe、SiC。

混合晶體構(gòu)成的半導(dǎo)體材料◆兩種族化合物按一比例組成，如xAⅢCⅤ+(1-x)BⅢCⅤ，xAⅡCⅥ+(1-x)BⅡCⅥ，SixGe1-x，

能帶工程：由于可能通過選取不同比例的x，而改變混晶的物理參數(shù)(禁帶寬度，折射率等)，這樣人們可以根據(jù)光學(xué)或電學(xué)的需要來調(diào)節(jié)配比x。通過調(diào)節(jié)不同元素的組分，才能實(shí)現(xiàn)禁帶寬度的變化。在光電子、微電子方面有很重要的作用。三、常見半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)類型◆金剛石結(jié)構(gòu)：Si、Ge◆閃鋅礦結(jié)構(gòu)：GaAs、InP、InAs、InSb、AlP、

AlSb、CdTe◆纖鋅礦結(jié)構(gòu)：GaN、AlN、SiC金剛石結(jié)構(gòu)：◆閃鋅礦結(jié)構(gòu)◆纖鋅礦礦結(jié)構(gòu)構(gòu)§1.2新新型型寬帶帶半導(dǎo)導(dǎo)體材材料的的特性性1。GaN半導(dǎo)導(dǎo)體材材料的的特性性由三族族元素素Ga和五五族元元素N，III-V族化化合物物半導(dǎo)導(dǎo)體。。晶體結(jié)結(jié)構(gòu)分分為:閃鋅礦礦結(jié)構(gòu)構(gòu)(ZincBlendecrystalstructure)立方方晶纖鋅礦礦結(jié)構(gòu)構(gòu)(Wurtzitecrystalstructure)六角角GaN在1932年年人工工合成成。（參考考書：：NitrideSemiconductorsandDeviceHadisMorkoc））III族的的氮化化物有有三種種晶體體結(jié)構(gòu)構(gòu)：閃鋅礦礦結(jié)構(gòu)構(gòu)、纖纖鋅礦礦結(jié)構(gòu)構(gòu)、鹽鹽石巖巖結(jié)構(gòu)構(gòu)（NaCl））對于AlN、GaN和InN，室室溫下下：熱熱力學(xué)學(xué)動力力學(xué)穩(wěn)穩(wěn)定的的結(jié)構(gòu)構(gòu)是纖纖鋅礦礦結(jié)構(gòu)構(gòu)。GaN、InN通過過薄膜膜外延延生長長在立立方晶晶的（（110））晶面面上，，如Si，，MgO，，GaAs，才才能生生長出出閃鋅礦礦結(jié)構(gòu)構(gòu)。纖鋅礦礦結(jié)構(gòu)構(gòu)六角的的，有有兩個個晶格格常數(shù)數(shù)c和和a，，是復(fù)復(fù)式格格子。。沿c軸方方向移移動5/8c形形成。。閃鋅礦礦結(jié)構(gòu)構(gòu)(ZincBlendecrystalstructure)立方方晶單胞中中含有有4個個基元元（4個III族原原子和和4個個V族族原子子）復(fù)式格格子。。GaN材料料的外外延生生長：：其結(jié)構(gòu)構(gòu)取決決于使使用的的襯底底類型型六角晶晶體襯襯底長長出纖纖鋅礦礦結(jié)構(gòu)構(gòu)立方晶晶體襯襯底長長出閃閃鋅礦礦結(jié)構(gòu)構(gòu)目前常常用的的襯底底：sapphireAl2O3，藍(lán)寶石缺點(diǎn)：晶體體結(jié)構(gòu)不好好，與氮化化物的熱匹匹配不好優(yōu)點(diǎn):來來源廣，，六角結(jié)構(gòu)構(gòu)，容易處處理，高溫溫穩(wěn)定。由于熱匹配配不好，緩緩沖層要厚厚。SiC作為為襯底，熱熱匹配和晶晶格匹配比比較好。缺點(diǎn)：SiC常規(guī)工工藝很難處處理，SiC的結(jié)構(gòu)構(gòu)變數(shù)太大大。GaN體材材料是最理理想的。但但目前還不不能生長出出大尺寸的的材料。摻雜：n-GaN:Si，，Ge，Sn（Selenium）p-GaN：Mg，，（1989）Zn，Be，，Hg，CBasicParameters:ZincBlendecrystalstructureEnergygaps,Eg3.28eV0KEnergygaps,Eg3.2eV300KElectronaffinity4.1eV300KConductionbandEnergyseparationbetweenΓvalleyandXvalleysEΓ1.4eV300KEnergyseparationbetweenΓvalleyandLvalleysEL1.6~1.9eV300KEffectiveconductionbanddensityofstates：：1.2x1018cm-3300KValencebandEnergyofspin-orbitalsplittingEso0.02eV300KEffectivevalencebanddensityofstates4.1x1019cm-3300K立方晶第一一布里淵區(qū)區(qū)－－截角角八面體WurtzitecrystalstructureEnergygaps,Eg3.47eV0K3.39eV300KEnergygaps,Eg,dir3.503(2)eV1.6K;photoluminescence,fromexcitonicgapaddingtheexcitonbindingenergy3.4751(5)eV1.6K;A-exciton(transitionfromΓΓ9v)3.4815(10)eV1.6K;B-exciton(transitionfromupperΓΓ7v)3.493(5)eV1.6K;C-exciton(transitionfromlowerΓΓ7v)3.44eV300K;temperaturedependencebelow295Kgivenby:Eg(T)-Eg(0)=-5.08x10-4T2/(996-T),(TinK).Electronaffinity4.1eV300KConductionbandEnergyseparationbetweenΓΓvalleyandM-Lvalleys1.1~1.9eV300KEnergyseparationbetweenM-L-valleysdegeneracy6eV300KEnergyseparationbetweenΓΓvalleyandAvalleys1.3~2.1eV300KEnergyseparationbetweenA-valleydegeneracy1eV300KalsoTheenergyseparationsbetweentheΓΓ9stateandthetwoΓΓ7statescanbecalculatedfromtheenergyseparationsoftheA-,B-,C-excitons.Effectiveconductionbanddensityofstates2.3x1018cm-3300KValencebandEnergyofspin-orbitalsplittingEso0.008eV300KEnergyofspin-orbitalsplittingEso11(+5,-2)meV300K;Energyofcrystal-fieldsplittingEcr0.04eV300KEnergyofcrystal-fieldsplittingEcr22(2)meV300K;calculatedfromthevaluesofenergygapEg,dir(givenabove)Effectivevalencebanddensityofstates4.6x1019cm-3300K2。。GaN材材料料的的主主要要器器件件特特性性GaN器器件件的的未未來來：：Electronics：：GaN帶帶隙隙寬寬，，使使之之最最適適合合高高溫溫應(yīng)應(yīng)用用的的半半導(dǎo)導(dǎo)體體材材料料。。高高遷遷移移率率有有利利于于高高頻頻應(yīng)應(yīng)用用。。多數(shù)數(shù)為為二二維維器器件件應(yīng)應(yīng)用用。。BipolarTransistors：：HBT（（HeterojunctionBipolarTransistor)由于于電電流流橫橫向向流流動動，，功功率率消消耗耗很很小小。。一種種結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)：：GaN發(fā)發(fā)射射極極，，SiC基基極極。。導(dǎo)導(dǎo)帶帶帶帶隙隙差差幾幾乎乎為為零零，，但但價價帶帶有有很很大大帶帶隙隙差差。。提提高高發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)發(fā)發(fā)射射效效率率。。散散熱熱性性能能好好。。Photo-Transistors：：光光電電晶晶體體管管。。基區(qū)區(qū)通通過過UV光光照照射射后后，，產(chǎn)產(chǎn)生生光光注注入入空空穴穴。。實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對對集集電電極極電電流流的的控控制制。。Thyristors：：晶晶閘閘管管形成成pnpn結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)電電流流的的開開關(guān)關(guān)控控制制。。MemoryDevice：：存存儲儲器器器器件件是是基基于于電電荷荷存存儲儲。。半半導(dǎo)導(dǎo)體體材材料料中中帶帶電電載載流流子子壽壽命命依依賴賴于于電電荷荷逃逃脫脫陷陷阱阱的的激激活活能能。。而而帶帶隙隙越越寬寬，，通通過過復(fù)復(fù)合合損損失失的的電電荷荷逃逃脫脫的的可可能能性性就就越越小小。。GaN的的存存儲儲器器具具有有最最高高的的讀讀出出效效率率。。GaN器器件件的的未未來來：：Optoelectronics:LED1994年年，，Nakamura報(bào)報(bào)道道了了商商業(yè)業(yè)化化GaN基基超超亮亮度度LED。。在在固固態(tài)態(tài)照照明明SSL方方面面有有著著巨巨大大的的潛潛力力。。Optoelectronics:LD通過過GaAlN組組成成異異質(zhì)質(zhì)結(jié)結(jié)，，制制備備出出邊邊發(fā)發(fā)光光LDs。。（（Edge-emitting））.只只有有Nichia制制備備出出CW20C下下，，工工作作10000小小時時。。UVDetectorsGaAlN/GaN異異質(zhì)質(zhì)結(jié)結(jié)探探測測器器其其波波段段覆覆蓋蓋太太陽陽盲盲區(qū)區(qū)，，是是理理想想的的紫紫外外探探測測器器材材料料。。"太太陽陽光光譜譜盲盲區(qū)區(qū)"是是指指波波長長在在220～～280納納米米的的紫紫外外波波段段，，這這一一術(shù)術(shù)語語來來自自下下列列事事實(shí)實(shí):太太陽陽輻輻射射(紫紫外外輻輻射射的的主主要要來來源源)的的這這一一波波段段的的光光波波幾幾乎乎被被地地球球的的臭臭氧氧層層所所吸吸收收，，所所以以"太太陽陽光光譜譜盲盲區(qū)區(qū)"的的紫紫外外輻輻射射變變得得很很微微弱弱。。這這樣樣，，由由于于空空域域內(nèi)內(nèi)太太陽陽光光等等紫紫外外輻輻射射的的能能量量極極其其有有限限，，如如果果出出現(xiàn)現(xiàn)導(dǎo)導(dǎo)彈彈羽羽煙煙的的"太太陽陽光光譜譜盲盲區(qū)區(qū)"紫紫外外輻輻射射，，那那么么就就能能在在微微弱弱的的背背景景下下探探測測出出導(dǎo)導(dǎo)彈彈。。X-RayDetectors制備備X-ray探探測測器器。。ConductingWindowsforSolarCellsOpticsPiezoelectronicsSurfaceAcousticWaveGenerationAcousto-OpticModulatorPyroelectricity：：熱熱電電現(xiàn)現(xiàn)象象。。NegativeElectronAffinity2。。SiC半半導(dǎo)導(dǎo)體體材材料料的的特特性性由四四族族Si原原子子和和C原原子子組組成成的的化化合合物物半半導(dǎo)導(dǎo)體體SiC晶晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu):具具有有同同質(zhì)質(zhì)多多型型的的特特點(diǎn)點(diǎn)幾種種典典型型的的晶晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)SiC和和Si材材料料性性質(zhì)質(zhì)：：六方方結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)SiC的的解解理理面面是是（（1100））（（1120））(0001)SiC的的技技術(shù)術(shù)特特性性：：高硬硬度度材材料料；；莫莫氏氏硬硬度度9.2-9.3，，金金剛剛石石10耐磨磨材材料料：：金金剛剛石石10，，SiC9.15熱穩(wěn)穩(wěn)定定性性：：常常壓壓下下不不可可能能熔熔化化，，高高溫溫下下，，SiC升升華華分分解解為為C和和硅硅蒸蒸汽汽，，殘殘留留下下來來的的石石墨墨以以原原晶晶體體的的贗贗形形存存在在。。化學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)：：SiC表表面面生生產(chǎn)產(chǎn)SiO2層能能防防止止SiC的的進(jìn)進(jìn)一一步步氧氧化化。。在在高高于于1700℃溫溫度度下下SiO2熔化化并并迅迅速速發(fā)發(fā)生生氧氧化化反反應(yīng)應(yīng)。。SiC能能溶溶解解于于熔熔融融的的氧氧化化劑劑物物質(zhì)質(zhì)，，如如熔熔融融的的Na2O2，或或Na2CO3-KNO3混合合物物。。在在300℃℃下下可可溶溶于于NaOH+KOH。。SiC材材料料的的優(yōu)優(yōu)勢勢：：寬帶帶隙隙、、高高臨臨界界擊擊穿穿電電場場、、高高熱熱導(dǎo)導(dǎo)率率、、高高載載流流子子飽飽和和速速度度應(yīng)用用：：高溫溫、、高高頻頻、、大大功功率率、、光光電電子子及及抗抗輻輻射射等等方方面面具具有有巨巨大大的的應(yīng)應(yīng)用用潛潛力力。。特別別是是在在高高溫溫、、大大功功率率應(yīng)應(yīng)用用方方面面，，明明顯顯優(yōu)優(yōu)于于Si和和GaAs：：SiC的的熱熱導(dǎo)導(dǎo)率率高高于于GaAs8-10倍倍；；4H-SiC和和6H-SiC帶帶隙隙是是GaAs的的2倍倍、、Si的的3倍倍；；擊穿電電場高高于Si的的1個個量級級。SiC基器器件：：1、功功率MOSFET器器件2、功功率整整流器器3、SiC光電電器件件紫外光光電二二極管管4、傳傳感器器寬區(qū)間間高溫溫溫度度傳感感器壓力傳傳感器器熱線風(fēng)風(fēng)速計(jì)計(jì)SiC器件件的工工藝特特點(diǎn)：：1、在在原料料成分分的利利用度度和生生態(tài)特特性方方面。。具有原原料來來源的的無限限性；；典型的的原料料純化化和加加工處處理過過程；；對生物物圈造造成的的能量量負(fù)荷荷和生生態(tài)學(xué)學(xué)負(fù)荷荷低。。2、高高溫和和化學(xué)學(xué)活性性介質(zhì)質(zhì)的穩(wěn)穩(wěn)定性性：在高于于2000℃和低低于標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)壓壓力下下，有有效的的分解解（升升華））；正常壓壓力下下部熔熔解400℃℃的堿堿溶液液中和和在1000℃℃的的含氯氯氣體體中，，能有有效的的化學(xué)學(xué)腐蝕蝕。3、合合金的的可及及性施主雜雜質(zhì)N，受受主雜雜質(zhì)Al和和B；；施主和和受主主雜質(zhì)質(zhì)濃度度摻雜雜濃度度范圍圍寬，，1015-1021/cm34、可可以以以自身身的碳碳形成成本征征掩膜膜，也也存在在本征征氧化化物SiO2。5、SiC多型型在生生長、、摻雜雜、氧氧化過過程的的結(jié)構(gòu)構(gòu)、取取向的的選擇擇性：：FundamentalPropertiesofZnOII-VIcompoundsemiconductor.Directbandgap,withEg3.32eV.Bandgapengineering:alloywithCdorMgtotailorbandgapfrom2.8eVto4.0eV.Multi-functional:Hexagonalwurtziteclasscrystal=>piezoelectrictywithlargecouplingcoefficient.Largeandfastphotoconductivity=>opticalsensing.AlorGadoping=>transparentconductiveoxide.Li&Mgdoping=>ferroelectric.AlloyedwithMn=>magneticoxidesemiconductor.Combineelectrical,opticalandpiezoelectricalpropertiesMolecularmass81.389-Specificgravityatroomtemp.5.642g/cm3-Pointgroup6mm(Wurtzite)-Latticeconstantsatroomtemp.a=3.250,c=5.205-Mohshardness4-Meltingpoint2250K-RTlinearthermalexpansioncoefficient-a-axisdirection4.75-c-axisdirection2.92-Electronmass0.28-Holemass1.8-Bandgapenergyatroomtemp.3.37eV-Excitonbindingenergy60meV-Specificheat0.125cal/gm-Thermalconductivity0.006cal/cm/K-ThermoelectricConstantat573K1200mV/K3。ZnO半導(dǎo)導(dǎo)體材材料的的特性性KeyAdvantagesofZnO-HighPiezoelectricEffect(e33=1.2C/m2,半半導(dǎo)體體中最最高)-HighThermalConductivityof0.54Wcm-1K-1(0.5forGaAs)-LargestExcitonBindingEnergyofII-VI&III-VSemiconductors,60meV=excitonicstimulatedlightemissionupto550K-EvenmoreradiationresistantthanGaN(upto2MeV,1.2x1017electrons/cm-2)-DriftMobilitySaturatesatHigherFields&HigherValuesthanGaN=attractiveforhighfrequencydevices-VeryLowDarkCurrentUVDetectorswithmaximumspectralresponseat350nm-StrongTwo-PhotonAbsorptionwithHighDamageThresholds,=attractiveforopticalpowerlimitingdevices-VeryLargeShearModulus~45.5Gpa(indicatesstabilityofthecrystal)=comparedwith18.35forZnSe,32.60forGaAs,51.37forSi.1、、SOI（（SiliconOnInsolator））背背景景介介紹紹隨著著集集成成電電路路集集成成度度的的不不斷斷提提高高，，器器件件特特征征尺尺寸寸減減小小，，器器件件內(nèi)內(nèi)部部PN結(jié)結(jié)之之間間以以及及器器件件與與器器件件之之間間通通過過襯襯底底的的相相互互作作用用愈愈來來愈愈嚴(yán)嚴(yán)重重，，出出現(xiàn)現(xiàn)了了一一系系列列材材料料、、器器件件物物理理、、設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)和和工工藝藝等等方方面面的的新新問問題題。。使使得得深深亞亞微微米米硅硅集集成成電電路路的的集集成成度度、、可可靠靠性性受受到到影影響響。。這這些些問問題題主主要要包包括括：：（1））體體硅硅CMOS電電路路的的寄寄生生可可控控硅硅閂鎖鎖效效應(yīng)應(yīng)以及及體體硅硅器器件件在在宇宇宙宙射射線線輻輻照照環(huán)環(huán)境境中中出出現(xiàn)現(xiàn)的的軟軟失失效效效效應(yīng)應(yīng)等等使使電電路路的的可可靠靠性性降降低低；；（2））隨隨著著器器件件尺尺寸寸的的縮縮小小，，體體硅硅CMOS器器件件的的各各種種多多維維及及非非線線性性效效應(yīng)應(yīng)如如短溝溝道道效效應(yīng)應(yīng)、窄溝溝道道效效應(yīng)應(yīng)、漏感感應(yīng)應(yīng)勢勢壘壘降降低低效效應(yīng)應(yīng)、熱載載流流子子效效應(yīng)應(yīng)、亞亞閾閾值值電電導(dǎo)導(dǎo)效效應(yīng)應(yīng)、、速度度飽飽和和效效應(yīng)應(yīng)、速度度過過沖沖效效應(yīng)應(yīng)等變變得得十十分分顯顯著著，，影影響響了了器器件件性性能能的的改改善善。。§1.3Si材材料料的的SOI結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)特特性性（3））器器件件之之間間隔隔離離區(qū)區(qū)所所占占的的芯芯片片面面積積隨隨器器件件尺尺寸寸的的減減小小相相對對增增大大，，使使得得寄寄生生電電容容增增加加，，互互連連線線延延長長，，影影響響了了集集成成度度及及速速度度的的提提高高。。為了克服服這些問問題，除除了采用用先進(jìn)深深槽隔離離、電子子束刻蝕蝕、硅化化物等工工藝技術(shù)術(shù)外，開開發(fā)新型型材料及及探索新新型高性性能器件件和電路路結(jié)構(gòu)，，成為超超高速集集成電路路所面臨臨的問題題。絕緣襯底底硅（SiliconOnInsolatorSOI））技術(shù)以以其獨(dú)特特的材料料結(jié)構(gòu)有有效地克克服了體體硅材料料的不足足，充分分發(fā)揮了了硅集成成技術(shù)的的潛力，，逐漸成成為研究究和開發(fā)發(fā)高速度度、低功功耗、高高集成度度及高可可靠性ULSI和VLSI的的主要技技術(shù)之一一。2、SOI（SiliconOnInsolator）材材料介紹紹SOI的的形成工工藝主要要有三種種:1、SIMOX（SeperatingbyIMplantOXygen））2、鍵合合Bonding3、Semi-Bonding4、SmartCut智智能剝離離技術(shù)SIMOX,Bonding和Simbond三種方方法比較較SIMOXBondingSimbondWafersOnewaferTwowafersTwowafersWafersize4",5",6"&8"4",5",6"&8"4",5",6"&8"ProcessTwobasicstepsThreebasicstepsFourbasicstepsSOIthicknessThin/ultra-thinThick(>1.5um)Thin/ultrathin/thickBOXthicknessThin(<400nm)Thin/thickThin/thickBOXpropertyGood/AverageGoodGoodSOIuniformityGoodAverageGood1部分分耗盡的的SOIMOSFET:器器件的溝溝道區(qū)足足夠厚，，溝道耗耗盡區(qū)的的寬度小小于整個個溝道硅硅層的厚厚度。特點(diǎn)：器器件的設(shè)設(shè)計(jì)和工工作原理理與體硅硅CMOS器件件非常接接近。3、SOI（SiliconOnInsolator）優(yōu)優(yōu)勢2全耗耗盡SOIMOSFET：：器件制制作在極極薄SOI表面面的Si層上，，該硅層層的厚度度必須小小于溝道道區(qū)耗盡盡層的厚厚度，以以保證晶晶體管中中的溝道道區(qū)全部部被耗盡盡。特點(diǎn)：（1））由于溝道道區(qū)被全全耗盡，，因此降降低了溝溝道區(qū)的的電場，，進(jìn)而降降低了熱載流子子效應(yīng)和短溝道效效應(yīng)，并引起起晶體管管驅(qū)動能能力增強(qiáng)強(qiáng)。（2)源源和漏漏周圍是是氧化層層，而非非Si層層，而氧氧化層的的介電常常數(shù)低于于Si，，因此全全耗盡SOIMOSFET的源源－漏寄寄生電容容也減小小。薄膜SOI技術(shù)術(shù)的優(yōu)勢勢1、速度度高全耗盡SOI器器件具有有遷移率率高（器器件縱向向電場小小，且反反型層較較厚，表表面散射射作用降降低）、、跨導(dǎo)大大、寄生生電容小?。纳娙葜髦饕獊碜宰噪[埋二二氧化硅硅層電容容，遠(yuǎn)小小于體硅硅MOSFET）中的的電容，，不隨器器件按比比例縮小小而改變變，SOI的結(jié)結(jié)電容和和連線電電容都很很小等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，因因而CMOS/SOI電路具具有極好好的速度度特性，，這一優(yōu)優(yōu)勢隨著著ULSI技術(shù)術(shù)向深亞亞微米水水平發(fā)展展，變得得越來越越突出。。2、功耗耗低功耗包括括靜態(tài)功功耗和動動態(tài)功耗耗兩部分分，其中中靜態(tài)功功耗依賴賴于泄漏漏電流IL和電源電電壓VDD，即Ps=ILxVDD，在全耗耗盡SOI器件件中，陡陡直的亞亞閾值斜斜率接近近理想水水平，泄泄漏電流流很小，，靜態(tài)功耗耗很?。?；動態(tài)功功耗由電電容C、、工作頻頻率f及及電源電電壓決定定：Pa＝CfVdd2，在全耗耗盡SOI電路路中，結(jié)結(jié)電容降降低且具具有極小小的連線線電容，，因此動動態(tài)功耗耗也大大大降低。。3、抗輻輻照特性性好（enhancedradiationhardness））SOI技技術(shù)采用用全介質(zhì)質(zhì)隔離結(jié)結(jié)構(gòu)，徹徹底消除除了體硅硅CMOS電路路的Latch-up效應(yīng)，，且具有有極小的的結(jié)面積積，因此此具有良良好的抗抗y射線線和單粒粒子（a粒子））翻轉(zhuǎn)能能力。4、集成成密度高高SOI電電路采用用介質(zhì)隔隔離，它它不需要要體硅CMOS電路的的場區(qū)及及井等結(jié)結(jié)構(gòu)，器器件最小小間隔僅僅僅取決決于光刻刻和刻蝕蝕技術(shù)的的限制，，集成密密度大幅幅度提高高。5、成本本低一般認(rèn)為為，SOI是一一種理想想的ULSI技技術(shù)，只只是成本本較高。。實(shí)際上上這是一一種誤解解，SOI技術(shù)術(shù)除了原原始材料料比體硅硅材料價價格高之之外，其其它成本本均小于于體硅。。CMOS/SOI電電路的制制造工藝藝比典型型體硅工工藝至少少少三塊塊掩膜版版，減少少芯片面面積可降降低1.8倍，，浪費(fèi)的的面積可可減少30%以以上。6、特別別適合于于小尺寸寸器件全耗盡SOI器器件的短短溝道效效應(yīng)較小小，不存存在體硅硅CMOS電路路的金屬屬穿通問問題，能能自然形形成淺結(jié)結(jié)，泄漏漏電流較較小，亞亞閾值曲曲線陡直直，所有有這些都都說明全全耗盡SOI結(jié)結(jié)構(gòu)特別別適合亞亞微米、、深亞微微米器件件。7、特別別適合于于低功耗耗電路在體硅CMOS集成電電路中，，由于體體效應(yīng)的的作用，，降低電電源電壓壓會使結(jié)結(jié)電容增增加和驅(qū)驅(qū)動電流流減小，，導(dǎo)致電電路速度度迅速下下降；而而在薄膜膜全耗盡盡CMOS/SOI電電路與相相應(yīng)體硅硅電路相相比具有有更高的的速度和和更小的的功耗，，薄膜全全耗盡CMOS/SOI結(jié)構(gòu)構(gòu)是理想想的低壓壓功耗技技術(shù)。4、SOI（SiliconOnInsolator）帶帶來的問問題1、襯底浮置置效應(yīng)（FloatingBodyEffect））溝道區(qū)中中可能會會由于過過量空穴穴積累，，使MOS器件件的表面面溝道區(qū)區(qū)和埋氧氧化層Si-SiO2界面區(qū)同同時導(dǎo)通通。影響：在在器件開開啟并且且溝道充充電后，，這一效效應(yīng)將引引起晶體體管的I-V特特性曲線線扭曲，，因此有有時稱作作扭曲效效應(yīng)。還還將導(dǎo)致致?lián)舸╇婋妷旱慕到档汀?、全耗耗盡SOIMOS器器件的短短溝道效效應(yīng)隨著MOS器件件溝道長長度不斷斷縮小，，短溝道道效應(yīng)的的影響越越來越突突出。SOIMOS器件的的短溝道道效應(yīng)主主要表現(xiàn)現(xiàn)為兩方方面：（1）體體硅器件件中的短短溝道效效應(yīng)表現(xiàn)現(xiàn)在，閾閾值電壓壓與漏端端的偏壓壓有關(guān)，，引起閾閾值電壓壓的漂移移。SOIMOS中中，短溝溝道效應(yīng)應(yīng)主要反反映在：：溝道中中的電荷荷出現(xiàn)共共享，要要受到前前柵和后后柵的影影響。即即柵下耗耗盡區(qū)電電荷不再再完全受受柵控制制，其中中一部份份受源、、漏控制制，而且且隨著溝溝道長度度的減小小，受柵柵控制的的耗盡區(qū)區(qū)電荷減減少，使使達(dá)到閾閾值的柵柵壓不斷斷降低。。（2）另一一種短溝溝道效應(yīng)應(yīng)：漏感感應(yīng)電導(dǎo)導(dǎo)增強(qiáng)DICE（DrainInducedConductivityEnhancement））當(dāng)短溝道道中施加加VDS后，溝道道中的強(qiáng)強(qiáng)反型后后的電流流也要受受到，漏漏源電壓壓的影響響。5、SON（SilicononNothing））器件件壓電學(xué)：：是研究究壓電材材料在機(jī)機(jī)械應(yīng)力力或電場場作用下下所發(fā)生生的彈性性效應(yīng)和和電極化化效應(yīng)相相互耦合合原理及及其應(yīng)用用的一門門學(xué)科。。發(fā)展歷史史：1880年，P。Curie和J。。Curie兄兄弟首次次發(fā)現(xiàn)壓壓電效應(yīng)應(yīng)。1916年，Langevin用石石英晶體體做了水水下?lián)Q能能器。1921年年，石英諧諧振器和濾濾波器1940年年以后，開開始向陶瓷瓷和多晶材材料應(yīng)用。?！?.4半半導(dǎo)體材料料的壓電特特性主要的半導(dǎo)導(dǎo)體材料：：ZnO和和AlN用于表面聲聲學(xué)波和體體波一、晶體的的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)構(gòu)和對稱性性按布拉伐（（A。Bravais）晶胞胞分，可分分為：七大大晶系和十十四種布拉拉伐格子。。對稱操作：：共有8種種n度旋轉(zhuǎn)：：2/n，表表示n，或或Cn，n只能取1，2，3，4，6。n度旋轉(zhuǎn)-反演軸對稱性為3度轉(zhuǎn)軸加加上對稱中中心對稱性為3度轉(zhuǎn)軸加加上垂直轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的對稱稱面對稱元素有有1，2，，3，4，，6，i，，m，4-二、晶體物物性與點(diǎn)群群的關(guān)系三、晶體的的壓電性質(zhì)質(zhì)1、晶體的的介電性質(zhì)質(zhì)理想電介質(zhì)質(zhì)晶體，在在一般電場場作用下，，束縛電子子會產(chǎn)生電電子式極化化。晶體中的離離子會極性性分子也只只能作很小小的彈性位位移，發(fā)生生離子式或或彈性定向向式極化。。理想晶體只只有極化，，沒有電導(dǎo)導(dǎo)介質(zhì)在電場場E作用下下，感生的電極極化可用極化強(qiáng)度P表示低頻時：P=0E：極化率率電位移矢量量：D=0E+P0真空介電常常數(shù)，其值值為8.85x10-12F/mD=0（1+）E=E是絕對介介電常數(shù)。。對于各向同同性介質(zhì)，，D，P和和E方向相相同，、與與D，P和和E方向無無關(guān)，是標(biāo)標(biāo)量。對于完全各各向異性的的電介質(zhì)，，如三斜晶晶系，D，，P和E的的方向是彼彼此不同的的，介電常數(shù)和和極化率都都是二階張張量。對于所有的的晶體都有有：二階張量中中，只有6個獨(dú)立變變量根據(jù)各個晶晶系的對稱稱性，可簡簡化各自的的介電張量量。正交晶系：四方、三方方和六方晶晶系的介電電常數(shù)立方晶系的的介電常數(shù)數(shù)實(shí)際介質(zhì)中中的損耗：：彈性位移式式極化，馳馳豫式極化化。在靜電場作作用下，要要經(jīng)過一段段時間才能能達(dá)到極化化強(qiáng)度的最最終值。交變電場下下，極化落落后電場，，發(fā)生滯后后現(xiàn)象。導(dǎo)導(dǎo)致動態(tài)介介電常數(shù)小小于靜態(tài)介介電常數(shù)，，引起介質(zhì)質(zhì)損耗。=’-j”’，””分別為復(fù)復(fù)介電常數(shù)數(shù)的實(shí)部和和虛部，前前者代表極極化，后者者代表損耗耗。損耗角：tg=”/’四、晶體的的彈性性質(zhì)質(zhì)：彈性行為表表現(xiàn)為應(yīng)力力T（單位位面積的作作用力）和和應(yīng)變S（（單位長度度的伸縮量量）描述。。彈性范圍內(nèi)內(nèi)，應(yīng)力和和應(yīng)變的關(guān)關(guān)系遵從Hooks定律：S=sTT=cSs：彈性柔柔順常數(shù)，，表示物體體在單位應(yīng)應(yīng)力作用下下發(fā)生的應(yīng)應(yīng)變；c：彈性剛剛性常數(shù)，，表示使物物體產(chǎn)生單單位形變所所需的應(yīng)力力T11，T22，T33位平行于軸軸的拉應(yīng)力力；T12=T21，T23=T32，T31=T13分別為1，，2，3面面上的切應(yīng)應(yīng)力。Tij=Tji純切應(yīng)力具具有對稱性性質(zhì)。i表示應(yīng)力力方向，j表示應(yīng)力力作用面與與i垂直雙足下標(biāo)：：11，22，33，23,32，，31,13，12,21單足下標(biāo)：：123456彈性關(guān)系矩矩陣：彈性定律也也可表示為為：除三斜晶系系外，其它它晶系都有有一定的對對稱性，六六角晶系的的AlN，，s張量矩矩陣為：x=S66=2(S11-S12)對于各向同同性體，S44=2（S11-S12）獨(dú)立變量量數(shù)只有兩兩個五、晶體的的壓電性質(zhì)質(zhì)壓電系數(shù)是是表征壓電電體的彈性性效應(yīng)和極極化效應(yīng)相相互耦合關(guān)關(guān)系的宏觀觀物理量。。分為正壓電電效應(yīng)和逆逆壓電效應(yīng)應(yīng)兩種：正壓電效應(yīng)應(yīng)：某些介電電體在機(jī)械械力作用下下發(fā)生形變變，使介電電體內(nèi)正負(fù)負(fù)電荷中心心相對位移移而極化，，以致兩端端表面出現(xiàn)現(xiàn)符號相反的束縛縛電荷，其其電荷密度與應(yīng)力力成正比，，即由“壓力”產(chǎn)產(chǎn)生“電””。逆壓電效應(yīng)應(yīng)：如果將具具有壓電效效應(yīng)的介電電體置于外外電場中，，電場使介介質(zhì)內(nèi)部正正負(fù)電中心心位移，導(dǎo)導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)產(chǎn)生形變。。即由“電電”產(chǎn)生““機(jī)械形變變”。兩者統(tǒng)稱為為壓電效應(yīng)應(yīng)。機(jī)電耦合：壓電效應(yīng)應(yīng)中應(yīng)力T和應(yīng)變S導(dǎo)出的力力學(xué)量與電電場E和電電位移D導(dǎo)導(dǎo)出的電學(xué)學(xué)量之間的的相互轉(zhuǎn)換換關(guān)系。第一類壓電電方程：晶體是電介介質(zhì)，也是是彈性體，，在電場E和應(yīng)力T分別作用用下，產(chǎn)生生介電電位位移D和彈彈性應(yīng)變SD介=TE S彈=sETT為應(yīng)力T=0，或?yàn)闉槌?shù)時的的介電常數(shù)數(shù)矩陣，sE為場強(qiáng)E=0，或常常數(shù)時的彈彈性柔順系系數(shù)矩陣。。若晶體也是是壓電體，，在T和E的作用下下，將通過過正、逆壓壓電效應(yīng)產(chǎn)產(chǎn)生壓電電電位移和壓壓電應(yīng)變，，即：D壓=dTS壓=dtE晶體總電位位移和總應(yīng)應(yīng)變?yōu)椋篋=dT+TES=sET+dtE壓電晶體具具有壓電效效應(yīng)，當(dāng)對對一個按一一定取向和和形狀制成成的有電極極的壓電晶晶片輸入電電訊號時，，如果訊號號頻率與晶晶片機(jī)械諧諧振頻率相相一致，就就會使晶片片由于逆壓壓電效應(yīng)而而產(chǎn)生機(jī)械械諧振。壓壓電晶片諧諧振時，要要克服內(nèi)摩摩擦而消耗耗能量，會會造成機(jī)械械損耗。機(jī)械品質(zhì)因因數(shù)：Qm為了反映壓壓電材料的的機(jī)械能與電能之間間的耦合關(guān)關(guān)系，定義機(jī)電耦耦合系數(shù)k六、壓電薄薄膜的電學(xué)學(xué)性質(zhì)1、介電常常數(shù)2、體電阻阻率：v〉108cmAlN電阻阻率：2x1014~~1015cm3、損耗角角正切AlN：tg=0.003—0.005ZnO：tg=0.005—0.014、擊穿電電場：ZnO：0.01——0.4MV/cmAlN：0.5—6.0MV/cm5、體聲波波性能6、表聲波波性能七、聲表面面波器件的的應(yīng)用1885年年英國物理理學(xué)家LordReyleigh就就從理論論上預(yù)言了了聲表面波波。聲表面波：：包括縱波波（P波））分量以及及質(zhì)點(diǎn)位移移方向與表表面垂直的的橫波（SV波）分分量。它是是能量只集集中于固體體表面，并并沿表面?zhèn)鱾鞑サ膹椥孕圆ā?0%以上上的能量集集中在離表表面一個聲聲波波長的的深度內(nèi)。。Reyleigh波波的傳播速速度略慢于于橫波，約約為橫波的的93%左左右。激勵和控制制聲表面波波方法—叉叉指換能器器（interdigitalIDT）1965年年，R。M。White發(fā)明明的，用來來激勵表面面聲波叉指換能器器是以壓電電基質(zhì)為導(dǎo)導(dǎo)聲體，在在基片上制制備叉指電電極，直接接激勵聲表表面波。特性取決于于：叉指電電極間距a、叉指電電極寬度h、以及叉叉指電極對對數(shù)N。層狀結(jié)構(gòu)對對聲學(xué)波的的影響：一一般在層狀狀結(jié)構(gòu)介質(zhì)質(zhì)中傳播的的波具有頻頻散特性，，即傳播速速度隨頻率率不同而改改變。層狀結(jié)構(gòu)中中的傳播特特性對聲學(xué)學(xué)器件非常常重要，如如在非壓電電材料，如如玻璃上，，淀積一層層ZnO，，AlN等等壓電薄膜膜，驅(qū)動非非壓電材料料。壓電材料表表面金屬材材料對波速速的影響：：壓電作用可可在導(dǎo)體表表面產(chǎn)生電電場分量，，如果表面面覆蓋理想想導(dǎo)體時，，該電場分分量被短路路。這種壓壓電反作用用使表面附附近的波速速小于介質(zhì)質(zhì)深處的波波速，因此此波集中在在表面附近近。聲表面面波在叉指指換能器的的電極部分分和空隙部部分傳播速速度不相等等。設(shè)覆蓋導(dǎo)體體部分的速速度和未覆覆蓋導(dǎo)體部部分的波速速分別為：：vm和vt，聲表面波波的有效機(jī)機(jī)電耦合系系數(shù)K：聲表面波器器件的特點(diǎn)點(diǎn)：1、聲表面面波器件是是平面結(jié)構(gòu)構(gòu)，其制作作工藝可以以引用與集集成電路相相輔相成發(fā)發(fā)展著的光光刻技術(shù)。。2、能夠從從傳播途徑徑的任何一一點(diǎn)取出信信號，即能能進(jìn)行所謂謂抽頭，增增加了信號號處理技術(shù)術(shù)的自由度度。3、聲表面面波的傳播播速度慢，，適合于制制作中頻小小型器件。。4、由于是是單片結(jié)構(gòu)構(gòu)，在器件件設(shè)計(jì)方面面非常容易易。5、聲表面面波容易與與半導(dǎo)體載載流子、光光等相互作作用。6、因?yàn)槟苣芰烤窒抻谟诒砻娓浇鼈鞑?，故故容易?gòu)成成非線性效效應(yīng)器件。。2、聲表面面波材料有壓電單晶晶、壓電陶陶瓷和壓電電薄膜。主要要求：：1、表面粗粗糙度要小小，為了使使形成叉指指電極有良良好的接觸觸。2、機(jī)電耦耦合系數(shù)盡盡可能高，，從而提高高換能效率率，K2應(yīng)大于2%。3、傳播損損耗要小，，希望其值值在0.2dB/以下。4、傳播速速度的溫度度系數(shù)要小小5、重復(fù)性性要好，可可靠性要高高，且適于于批量生產(chǎn)產(chǎn)。6、成本要要低。3、聲表面面波換能器器4、聲表面面波濾波器器聲表面波濾濾波器5、聲表面面波延遲線線6、聲表面面波放大器器八、體聲波波的應(yīng)用何謂Latch-UpEffect?閂鎖效應(yīng)是是指CMOS電路中中寄生的固固有可控硅硅被結(jié)構(gòu)外外界因素觸觸發(fā)導(dǎo)通，，在電源和和地之間形形成低阻通通路現(xiàn)象，，一旦電流流流通，電電源電壓不不降至臨界界值以下，，導(dǎo)通就無無法中止，，引起器件件的燒毀，，構(gòu)成CMOS電路路的一個主主要的可靠靠性問題。。隨著集成成度的提高高，尺寸縮縮小，摻雜雜濃度提高高，寄生管管的H(fe)變大大，更易引引起閂縮效效應(yīng)。由由于CMOSIC結(jié)構(gòu)構(gòu)形成了PNPN四四層寄生可可控硅（SCR）結(jié)結(jié)構(gòu)，也可可視作PNP管和NPN管的的串聯(lián)，這這種寄生的的晶體管的的eb結(jié)都都并有一個個由相應(yīng)襯襯底構(gòu)成的的的寄生電電阻，因此此觸發(fā)閂鎖鎖效應(yīng)的條條件為：1．寄寄生npn(pnp)transister的共基極極電流增益益α間有關(guān)關(guān)系ααnRw/(Rw+γen)+αpRs/(Rs+γep)>=1式式中Rw,Rs分分別為晶晶體管eb結(jié)上并聯(lián)聯(lián)的寄生電電阻,γen,γep時相應(yīng)應(yīng)發(fā)射極串串聯(lián)電阻。。

2。。電源電電壓必須大大于維持電電壓Uh，，他所提供供的電流必必須大于維維持電流Ih.2．觸發(fā)發(fā)電流在寄寄生電阻上上的壓降大大于相應(yīng)晶晶體管eb結(jié)上正向向壓降。觸觸發(fā)信信號可以是是外界噪聲聲或電源電電壓波動；；觸發(fā)段可可以是電路路的任一端端。下面以以輸出端的的噪聲觸發(fā)發(fā)為例來分分析其觸發(fā)發(fā)的物理過過程，其他他端的情況況類似。電電路輸輸出端閂鎖鎖觸發(fā)的等等效電路如如圖1所示示，當(dāng)輸出出端上存在在正的外部部噪聲時，，在寄生PNP管Tr1的eb結(jié)成正正向偏置，，基極電流流通過Rs流入U(xiǎn)DD中，Tr1導(dǎo)通通，其集電電機(jī)電流通通過P阱內(nèi)內(nèi)部Rw進(jìn)進(jìn)入U(xiǎn)ss,Rw上上產(chǎn)生壓降降，當(dāng)Tr2管的UBE達(dá)到