TFT相關(guān)半導(dǎo)體基礎(chǔ)講解

1、4章TFT相關(guān)的石出重點(diǎn) 能帶與載流子及載流子遷移率 空間電荷區(qū)與能帶的彎曲 接觸電勢差與p-n結(jié) MOS晶體管單元TFT的斷面溝道保護(hù)膜單元TFT的簡單構(gòu)圖空位間隙原子、晶體中的點(diǎn)缺陷和雜質(zhì)1、空位和間隙原子密度：n,=Ne-EI/kT n2=N2e-E2/kTN2單位體 積內(nèi)的格點(diǎn)數(shù) 和間隙數(shù)。2、雜質(zhì)雜質(zhì)擴(kuò)散的密度流與雜質(zhì)密度梯度成正比j = -D ACD：擴(kuò)散系數(shù)D = Do e-E/kT°替代式雜質(zhì)O O O O O:O :一間隙式雜質(zhì)、電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和能級(jí)1、原子中的電子狀態(tài)和能級(jí)Is, 2s, 2p, 3s, 3d, 3p 4s,內(nèi)層軌道上的電 子受束縛強(qiáng)，能 級(jí)低；外

2、層軌道 上的電子受束縛 弱，能級(jí)高。2、自由空間中的電子狀態(tài)和能級(jí)E(k)=h2 k2/47tm P=hk/27iv=p/m=hk/271m3、晶體中的電子和能帶即圍繞每一原子運(yùn)動(dòng)，又要在原子之間做共有化運(yùn)動(dòng)，原子中的電子能級(jí)分裂為一系列 彼此靠的很近的能級(jí)，組成 有一定寬度的帶。三、導(dǎo)帶和價(jià)帶，電子和空穴施主與受主：能給出電子的雜質(zhì)原子或點(diǎn)缺陷叫施主;能接受電子的雜質(zhì)原子或點(diǎn)缺陷叫受主。導(dǎo)帶施主受主-a. Eq價(jià)帶四、半導(dǎo)體中的電導(dǎo)和霍爾效應(yīng)1、載流子的散射運(yùn)載電荷而引起電流的是導(dǎo)帶電子 與價(jià)帶空穴稱為載流子。載流子不斷受到振動(dòng)著的原子、雜質(zhì) 和缺陷等不完整性的碰撞，使得它們 運(yùn)動(dòng)的速度發(fā)生

3、無規(guī)則的改變，這種 現(xiàn)象稱為散射。正因?yàn)樯⑸涞拇嬖冢娮优c電子之間, 以及電子與原子之間才可以交換能量, 使得它們構(gòu)成一個(gè)熱平衡的統(tǒng)計(jì)體系。散射幾率和弛予時(shí)間：單位時(shí)間內(nèi)被碰撞的次數(shù)為散射幾率O載流子每遭到一次碰撞平均所經(jīng)歷的 時(shí)間為弛予時(shí)間，To散射幾率為1/T。2、電導(dǎo)現(xiàn)象在半導(dǎo)體樣品兩端加電壓，其內(nèi)部則產(chǎn)生電場。 載流子被電場所加速進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)，在半導(dǎo)體 中引起一定電流，這就是電導(dǎo)現(xiàn)象。載流子在電場中的加速度：a=（ 土 e）E/m*E：電場 m*：載流子有效質(zhì)量載流子在電場中的漂移速度：vd = az = （±e） t /m” E上式表明，載流子的漂移速度與外電場平行，且成比

4、例。比例系數(shù)通常稱為載流子的迂移流。空穴和電子的遷移率：|p= e zp /mp（空穴）pi. = e Tn /mn（電子）遷移率：cm2/V.S不僅反映導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，而且直接決定載流子漂移 和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的快慢，決定材料是否適合做高頻器件。 在雜質(zhì)濃度一定的情況下，電子的遷移率比空穴的大。（空穴）（電子）（空穴）（電子）空穴和電子的速度： Vp="E Vn二 NnE空穴和電子的電導(dǎo)率:Op 二 P e / bn=neNn電導(dǎo)率：反映半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力的物理量。 它由載流子密度和遷移率來決定。3、一種載流子的霍爾效應(yīng)在電場強(qiáng)度為E和磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的電磁場中， 載流子要受到洛侖茲力F的作

5、用：F = （ + e） E+vxB在半導(dǎo)體中，如果同時(shí)有外電場和與其垂直的 磁感應(yīng)強(qiáng)度存在時(shí)，載流子由于受洛侖茲力的 作用一方面沿著電場作用的方向產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng), 另一方面又因磁場對(duì)它們的作用使漂移運(yùn)動(dòng)發(fā) 生偏轉(zhuǎn)。于是在垂直于外電場和磁場的方向上, 就引起橫向的電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象被稱為霍爾效 應(yīng)，霍爾1879年在金屬箔上發(fā)現(xiàn)。B(b) p型材料Ey = ±HhEXBZ測量霍爾效應(yīng)的示意圖五、非平衡載流子嗨O O O光照引起非平衡我流子的產(chǎn)生粽20 0Q 000少數(shù)載流子的注入和檢驗(yàn)測量非平衡截流子壽命的光電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。（a）實(shí)驗(yàn)裝1% （5）光照使半導(dǎo)體的電導(dǎo)改變，引起垮在正，上的電壓變化

6、六、半導(dǎo)體表面半導(dǎo)體表面對(duì)半導(dǎo)體器件的性能，常常有著重 要的影響。附著于表面的電荷可以在表面內(nèi)感 生出導(dǎo)電溝道，引起表面漏電。另一方面利用 表面效應(yīng)可作成許多種器件，如金屬一氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOS晶體管），現(xiàn)已 應(yīng)用在集成電路中。許多重要的半導(dǎo)體表面效應(yīng)，幾乎都同表面形 成的一層空間電荷區(qū)相聯(lián)系。在此區(qū)域中有電 場存在，同時(shí)載流子密度發(fā)生變化。1、表面勢MIS電容器空間電荷區(qū)形成電場E和電勢Vs的變化垂直電場的存在使半導(dǎo)體表面吶形成具有相當(dāng) 厚度的空間電荷區(qū)，起到對(duì)電場的屏蔽作用。 空間電荷的形成是由于自由載流子的過?；蚯?缺以及雜質(zhì)能級(jí)上電子密度的變化引起的。 與空間電荷的存在相聯(lián)

7、系的是電場的變化。在 空間電荷區(qū)中仍存在電場，由外至內(nèi)逐漸減弱, 直到其邊界才基本上全部被屏蔽。在此區(qū)域中 電場的出現(xiàn)引起電勢的變化。于是半導(dǎo)體表面 與體內(nèi)之間產(chǎn)生一電勢差，稱為表面勢Vs。 外電場與半導(dǎo)體電荷面密度Qsc之間的關(guān)系為：E = -Qs"%2、能帶的彎曲以前討論的能帶圖形是表示晶體周期性勢場中 電子的能級(jí)分布。而在空間電荷區(qū)中由于存在 宏觀電勢V(x),使得電子有了一個(gè)附加的靜電 勢能(-e)V(x),它隨著位置而變化(這種宏觀電 場比起晶體中周期性排列的原子作用于電子上 的微觀電場來是非常微弱的)。因此電子能級(jí) 升降的高低也不同，造成能帶的彎曲。Ef： 費(fèi) 米 能 級(jí)

8、V00空間正電荷區(qū)空間負(fù)電荷區(qū)電子勢壘EcEv,Ec，+ + +Ev空穴勢壘費(fèi)米能級(jí):反映熱平衡條件下電子在各能級(jí)中分布 情況的參數(shù)。同一熱平衡體系應(yīng)該有相 同的費(fèi)米能級(jí)。多子：決定導(dǎo)電類型的多數(shù)載流子。少子：不決定導(dǎo)電類型的、與多數(shù)載流子電性 相反的少數(shù)載流子。(1)積累層由于能帶彎曲，在表面附近的一層中多數(shù) 載流子密度增加，稱為積累層。(2)耗盡層在表面附近的一層中自由載流子幾乎全部被 排斥離開，只留下空間電荷區(qū)。(3)反型層從耗盡層開始，當(dāng)勢壘進(jìn)一步提高時(shí)，少子 密度有可能超過多子密度，形成與原來導(dǎo)電 類型相反的一層。屬i+豐豐+ 金 一氧化物半導(dǎo)體反型層1& JL. 11AA

9、】'7! QlUg支£ " 一 二jvf* 二一二 a- hzx j，- vP型積累層一一P型Si耗盡層P型Sime門勺 Rd u> S ¥內(nèi):為少 0三'修5"作 本 出亍J修無它下N口、 rfl華七田不口 1五邛13耗盡層P型Si(c)耗盡層(Vg>0)(d)反型層(Vg>0) _理想的MOS結(jié)構(gòu)在各種偏壓下的能帶彎曲3、接觸電勢差(1)功函數(shù)晶體中的電子雖然可以在其中自由運(yùn)動(dòng)， 但卻不能離開晶體表面。這表明電子受晶 體中原子的束縛。由于熱運(yùn)動(dòng)，在任何溫度下實(shí)際上都有一 小部分電子具有足夠的熱運(yùn)動(dòng)能量跑出晶 體外，形

10、成熱電子發(fā)射。熱電子流jj oc e-w/kTW標(biāo)志著電子在晶體中束縛地強(qiáng)弱，稱為 晶體的功函數(shù)。W=E0-Ef,Eo是在靠近晶 體表面的自由空間中電子的最低能量。金屬真空半導(dǎo)體兩者間距離減小彼此接觸E： 9C £)S - ko /T 4用導(dǎo)線連接金屬和n型半導(dǎo)體的能帶圖（2）接觸電勢差金屬的費(fèi)米能級(jí)為七似，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí) 為Efs，它們的功函數(shù)分別為Wm、Ws o因 為Efs高于£似,所以Wm大于Ws。把金屬和半導(dǎo)體連接起來，電子顯然要從費(fèi) 米能級(jí)高的半導(dǎo)體流到費(fèi)米能級(jí)低的金屬。 因此金屬由于電子過剩帶負(fù)電，半導(dǎo)體中電 子欠缺帶正電。（3）實(shí)際MOS電容器中氧化層內(nèi)電荷

11、的影響 實(shí)際MOS系統(tǒng)的絕緣層中往往存在有正電荷， 影響MOS系統(tǒng)的電學(xué)特性。設(shè)想正電荷存在于絕緣體和半導(dǎo)體的交界面附 近，面密度為Qss，此時(shí)在金屬電極上感生出 負(fù)電荷Qm，在半導(dǎo)體深表面處感生出負(fù)電荷 Qsc，它們之間滿足Qm+Qsc二-Qss并產(chǎn)生表面勢。上。一上一平帶電壓氧化層中的電荷引起半導(dǎo)體表面附近的能帶彎曲(4)平帶電壓為了抵消絕緣層中電荷的作用，可以加一定 偏壓，使金屬極板表面的相反電性電荷Qm= -Qss，能夠把絕緣層中的電荷電力線全部吸引 過去。這使電場屏避在絕緣層內(nèi)，使半導(dǎo)體 表面能帶恢復(fù)到平直狀況。降落在絕緣層上的平帶電壓為：VfB=-Qss4 / 8。0 = -Qss

12、 / G(5) Si-SiC)2結(jié)構(gòu)在制造半導(dǎo)體器件的平面工藝中，都要熱 生長或淀積一層Si。?，可作為雜質(zhì)有選擇 地進(jìn)行擴(kuò)散的掩膜或起到表面鈍化的作用。 在MOS場效應(yīng)晶體管中Si。2層作為把金屬 柵、Si層相隔離的絕緣介質(zhì)。但Si。2層中容 易引進(jìn)可動(dòng)離子沾污，尤其是Na+。因此 通常加入磷硅玻璃作為Na+的阻擋層。磷硅 玻璃的結(jié)構(gòu)比較致密Na+不易穿透。七、p-n結(jié)在一片半導(dǎo)體樣品上通過控制施主與受主濃 度的辦法，可以使得一邊是以電子導(dǎo)電為主 的n型半導(dǎo)體，另一邊是空穴導(dǎo)電為主的P型 半導(dǎo)體。在這兩個(gè)區(qū)域的交界處附近，形成 p-n 結(jié)。p.n結(jié)是大多數(shù)半導(dǎo)體器件的核心，可制作成 整流器、

13、檢波器、開關(guān)、放大器、光電池和 半導(dǎo)體激光器等。1、平衡態(tài)p-n結(jié)的性質(zhì)932、p-n結(jié)的電流一電壓特性p-n結(jié)的主要特性是具有整流效應(yīng)， 即單向?qū)щ娦?。外加電壓在p區(qū)為正端、n區(qū)為負(fù)端時(shí)， 流過p-n結(jié)的電流大，并隨電壓的增高 而迅速增大。反之外加電壓在p區(qū)為負(fù) 端、n區(qū)為正端時(shí)，流過p-n結(jié)的電流 小，并隨電壓的增高而趨向飽和值。P 九多吉門勺Hi沉t電外加偏壓對(duì)p-n結(jié)的影響反偏壓下的少子抽出3P-n結(jié)少數(shù)載流子的注入和抽出3、簡單理論的修正一導(dǎo)通電壓0.812 八6 /.ar (伏)重?fù)诫s?一"結(jié)在77K時(shí)的正向/一/特性(a) Ge, E g .7eV (b) Si, E g . Ie V(c) Ga As f 萬(d) Ga AsPt E。=2.0。/4、p-n結(jié)電容(1)勢壘電容p-n結(jié)的勢壘區(qū)是一個(gè)由正電荷和負(fù) 電荷構(gòu)成的偶極層勢壘區(qū)中的空間電 荷要隨著外加電壓而變化，因而具有 電容效應(yīng)。稱為勢壘電容。按照雜質(zhì)分布的不同，可以把p-n結(jié) 區(qū)分為突變結(jié)和線性緩變