半導(dǎo)體器件原理

半導(dǎo)體器件原理2023/2/12提綱半導(dǎo)體中的載流子及其運(yùn)動(dòng)P-N結(jié)的特性MOS晶體管工作原理及特性MOS晶體管電路基本結(jié)構(gòu)單元及特性硅平面工藝簡(jiǎn)介（E/DNMOS工藝結(jié)構(gòu)介紹）2023/2/13半導(dǎo)體中的載流子及其運(yùn)動(dòng)硅單晶

正四面體，金剛石結(jié)構(gòu)，晶體的性質(zhì)與晶向有關(guān)，表面的性質(zhì)與晶面有關(guān)

硅原子最小距離：0.235nm

晶格常數(shù)：0.543089nm

2023/2/14半導(dǎo)體中的載流子及分布半導(dǎo)體的電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間 導(dǎo)體：ρ＜10-4Ωcm 絕緣體：ρ＞1010Ωcm 半導(dǎo)體：10-4＜ρ＜1010Ωcm導(dǎo)電能力的決定因素

σ＝1/ρ＝nqμ n:載流子的濃度，決定因素

q:載流子的電荷

μ:載流子的遷移率（相差不大）2023/2/15半導(dǎo)體中的載流子及分布硅單晶導(dǎo)電性能

硅原子四個(gè)價(jià)電子，與周圍四個(gè)原子各出一個(gè)電子形成共價(jià)鍵→每個(gè)原子周圍八個(gè)電子→共價(jià)鍵晶體 熱激發(fā)→價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶→載流子→晶體具有導(dǎo)電性電子空穴EcEv導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶寬度，EgSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi2023/2/16半導(dǎo)體中的載流子及分布本征半導(dǎo)體中載流子及分布電子空穴濃度相等ni=n0=p0

=(NvNc)1/2exp(-Eg/2kT)常溫下，硅半導(dǎo)體ni=1.5×1010cm-3

ρ＝2.3×105Ωcm不能滿足要求，需摻雜施主、受主雜質(zhì)

施主雜質(zhì)，可給出一個(gè)電子→P,As

受主雜質(zhì)，可接受一個(gè)電子→B

摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體， 摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體2023/2/17半導(dǎo)體中的載流子及分布N、P型半導(dǎo)體雜質(zhì)能級(jí)N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體ΔED=EC-EDΔEA=EA-EVECEvEDEiEFnECEvEAEiEFp2023/2/18半導(dǎo)體中的載流子及分布載流子分布ND大，EF

靠近EC，導(dǎo)帶有較多的電子，價(jià)帶基本填滿，空穴很少。NA大，EF越靠近EV，價(jià)帶空穴多，很少有電子能躍入導(dǎo)帶。熱平衡情況下np＝ni2f(E)EFE0.512023/2/19載流子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)載流子運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)，無(wú)規(guī)則電場(chǎng)下的漂移，散射，再加速的過(guò)程，平均速度為兩次散射之間由電場(chǎng)加速所獲得的定向速度。遷移率單位電場(chǎng)強(qiáng)度下載流子的漂移速度影響因素：

有效質(zhì)量、溫度（散射）、雜質(zhì)散射、 表面散射2023/2/110載流子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)非平衡載流子產(chǎn)生原因光照、熱、電等，Δn＝n－n0主要影響少數(shù)載流子少子復(fù)合多余載流子通過(guò)電子空穴復(fù)合趨于平衡（直接，間接，表面復(fù)合）擴(kuò)散擴(kuò)散長(zhǎng)度L=（Dτ）1/2τ:少子壽命D:擴(kuò)散系數(shù)EFNEVECΔnΔphν光照產(chǎn)生非平衡少子2023/2/111PN結(jié)特性PN結(jié)形成

電子空穴濃度的巨大差異→擴(kuò)散→留下離化施主和受主→形成空間電荷區(qū)→建立電場(chǎng)阻礙擴(kuò)散→擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡→統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)EFnECEVECEVEFPPN結(jié)能帶圖PN結(jié)空間電荷區(qū)EF-qΦBN+P++++---------內(nèi)建電場(chǎng)漂移電流擴(kuò)散電流xdnxdp2023/2/112PN結(jié)中載流子的分布空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度比起n、p區(qū)的多子濃度要小的多，好像耗盡了一樣，故又稱為耗盡區(qū)，可以認(rèn)為載流子濃度很小，可以忽略，空間電荷區(qū)電荷密度等于離化施主/受主密度。PN結(jié)內(nèi)（熱平衡）處處有np＝ni2n、pxxdnxdpnn0pn0np0pp0熱平衡時(shí)PN結(jié)內(nèi)載流子分布NP2023/2/113耗盡區(qū)勢(shì)壘高度等于半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)的差-qΦB＝EFN-EFP用載流子濃度表示為：-qΦB＝kTln（NA·ND/ni2）可見，勢(shì)壘高度與摻雜濃度和溫度有關(guān)。對(duì)于常溫的硅材料；通常在0.6～0.8eV勢(shì)壘寬度

對(duì)于N+P的單邊突變結(jié)，ND>>NA 電中性條件，xdn·ND=xdp·NA→xdp>>xdn xd＝xdp＋xdn≈xdp＝(2εsε0qNAΦB)1/2勢(shì)壘區(qū)電荷 QB=qNAxdpPN+++++---------xdnxdpExxVΦB2023/2/114PN結(jié)特性外加電場(chǎng)為零時(shí) 漂移和擴(kuò)散相抵消，流過(guò)PN結(jié)的凈電流為零。加正向電壓

P加正，n加負(fù)，外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，漂移減弱，擴(kuò)散占優(yōu)，空穴由p區(qū)注入到n區(qū)，電子由n區(qū)注入到p區(qū)→多子擴(kuò)散。

np>ni2正向電流JnV：外加電壓正偏時(shí)耗盡區(qū)邊緣少子分布正偏時(shí)PN結(jié)內(nèi)載流子分布n、pxxdnxdpnn0pn0np0pp0零偏正偏n、pxxdnxdppn0np02023/2/115PN結(jié)的特性反向偏置外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)一致，漂移占優(yōu)，電子由p區(qū)注入n區(qū)，空穴由n區(qū)注入p區(qū)（都是少子），電流小。反向抽取少數(shù)載流子，使得耗盡區(qū)邊緣處少子濃度接近零。 np<ni2反向電流JRV：外加電壓（反向）n、pxxdnxdppn0np0n、pxxdnxdpnn0pn0np0pp0零偏反偏反偏時(shí)耗盡區(qū)邊緣少子分布反偏時(shí)PN結(jié)內(nèi)載流子分布2023/2/116PN結(jié)的特性－擊穿反向電壓大到一定程度時(shí)，反向電流急劇增加雪崩擊穿反向強(qiáng)電場(chǎng)→載流子動(dòng)能增加→激發(fā)電子空穴對(duì)→進(jìn)一步激發(fā)電子空穴對(duì)→雪崩擊穿溫度升高→電子自由程減小→碰撞電離率減小→擊穿電壓升高；還與電場(chǎng)和空間電荷區(qū)寬度有關(guān)，邊緣效應(yīng)和柵調(diào)制電場(chǎng)加強(qiáng)使擊穿電壓降低。隧道擊穿反向偏壓增加→能帶彎曲→價(jià)帶電子能量超過(guò)導(dǎo)帶電子→電子穿越禁帶溫度升高→禁帶寬度減小→擊穿電壓降低2023/2/117PN結(jié)特性－結(jié)電容外加反向電壓，電流很小→電壓全部降落在耗盡區(qū)→耗盡區(qū)相當(dāng)于介質(zhì) 單位面積的電容(單邊突變結(jié)）N+P++++---------V變?nèi)荻O管→用于電子調(diào)諧器等2023/2/118晶體管的工作原理及特性雙極性晶體管簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)

發(fā)射極（emitter），基極（base)，集電極（collector)工作原理（NPN)VcIcIbIebIneIpeIncIpcNPN+ce2023/2/119晶體管工作原理及特性MOS晶體管的結(jié)構(gòu)

柵極（gate):早期為鋁，現(xiàn)為多晶硅

源、漏（source、drain）:背靠背PN結(jié),不通。 襯底（substrate）:NMOS接地，PMOS接高電位，提供反偏。

NMOS電位低者為源極，電位高者為漏極 PMOS電位高者為源極，電位低者為漏極P-subN+N+SDGBN-subP+P+SDGBNMOSPMOS2023/2/120MOS表面效應(yīng)（理想結(jié)構(gòu)）MetalInsulatorSemiconductorVg＝0P－subECEiEFpEVVg=0SiO2MetalInsulatorSemiconductorVg<0P－subECEiEFpEVVg<0SiO2空穴積累平帶增強(qiáng)2023/2/121MOS表面效應(yīng)（理想結(jié)構(gòu)）ECEiEFpEVVg>0SiO2qVS＝φf(shuō)ECEiEFpEVVg>>0SiO2qVS=2φf(shuō)MetalInsulatorSemiconductorVg>>0P－sub反型電子耗盡區(qū)MetalInsulatorSemiconductorVg>0P－sub耗盡區(qū)耗盡反型2023/2/122MOS晶體管開啟電壓－Vt當(dāng)柵極施加一定的正電壓，表面能帶下彎qVs=2qΦf時(shí)，表面電子和空穴濃度正好與體內(nèi)相反，表面呈現(xiàn)強(qiáng)反型（stronginversion）。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵極電壓Vg稱為開啟電壓，用Vt表示。上述討論的是理想MOS結(jié)構(gòu)體系，實(shí)際的開啟電壓受多種因素的影響：2Φf：反型表面勢(shì)，反型時(shí)表面下彎值。加在硅表面與硅體內(nèi)的電壓。-QB/Cox：維持QB所需加的柵壓，也就是表面反型是降落在柵與硅表面（SiO2)的電壓Φms：柵（電極）與硅襯底之間的接觸電勢(shì)差（功函數(shù)差）。-QSS/Cox：抵消柵氧化層與硅表面之間存在界面電荷所需的VgΦms-QSS/Cox＝VFB,平帶電壓。注：襯偏調(diào)制：QB↑，VT↑；NA↑，VT襯偏調(diào)制效應(yīng)大2023/2/123MOS晶體管的直流特性當(dāng)∣VDS∣很小時(shí)，源漏間導(dǎo)電溝厚度變化不大，源漏之間相等于電阻，∣VDS∣增加，RON減小，電流IDS=2K(VGS-VT-VDS/2)VDS≈2K(VGS-VT)VDS，隨VDS呈線性變化。當(dāng)∣VDS∣增大時(shí)，IDS－VDS曲線越來(lái)越偏離線性，當(dāng)VGS-VT＝VDS時(shí)，漏端將不存在導(dǎo)電溝，開始夾斷。夾斷區(qū)電子很少，電阻較大，但有很強(qiáng)的電場(chǎng)，可以把溝道中的電子拉向漏極。夾斷后，再增加∣VDS∣，電壓主要降落在高阻區(qū)，IDS變化不大，趨于飽和，飽和電流IDS=K(VGS-VT)2，電流VDS與無(wú)關(guān)。擊穿：當(dāng)VGS<Vt時(shí)，不存在導(dǎo)電溝，VDS被耗盡區(qū)電荷屏蔽，當(dāng)VDS增大到耗盡區(qū)電荷不足以屏蔽時(shí)→源漏穿通。

漏結(jié)擊穿 溝道長(zhǎng)時(shí)，漏結(jié)擊穿；溝道短時(shí)，源漏穿通。次開啟（subthreshold）：VGS<Vt,MOS并非絕對(duì)不通。2023/2/124MOS晶體管的電容Miller電容

有反饋?zhàn)饔茫瑢?duì)工作速度有很大的影響，比同樣值的CGS大得多VDCGDGSD等效圖2023/2/125發(fā)展中的器件物理問(wèn)題Vt小尺寸效應(yīng)短溝效應(yīng)L減小，Vt下降窄溝效應(yīng)W減小，Vt上升強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)一般條件，歐姆定律，載流子的漂移速度與電場(chǎng)成正比強(qiáng)場(chǎng)下，遷移率下降，載流子速度趨于飽和VS=107cm/sec熱載流子（hotcarrier）漏端夾斷處（NMOS)影響VtLDD解決GSDGFieldField2023/2/126發(fā)展中的器件物理問(wèn)題靜電損傷（Electro－StaticDamage）/DischargeMOS→絕緣柵輸入→靜電荷積累→柵擊穿輸出端也會(huì)擊穿加保護(hù)器件電子遷移（electronimmigration）電流密度大→電子撞擊原子→原子移動(dòng)→導(dǎo)線變細(xì)→電流密度進(jìn)一步加大→遷移加重→斷裂用Cu代替Al2023/2/127MOS晶體管電路（基本單元）開關(guān)單溝NMOS開關(guān)高閾值損失，VOH=VG-VT

襯偏調(diào)制效應(yīng)，輸出更低充電慢（高輸出時(shí)）CMOS傳輸門結(jié)構(gòu)沒有高閾值損失，也沒有低閾值損失，VO=VIVIVOCGVIVOGPGN2023/2/128MOS晶體管電路（基本單元）反相器（非門）有比反相器VIVDDMLMEVOVDDMLMEVIVGGVOVIVDDMLMEVOVDDVIRLVOE/RE/E飽和型E/E非飽和型E/D2023/2/129MOS晶體管電路（基本單元）無(wú)比反相器CMOS反相器（非門），功耗小，管子相互依賴性小其它門電路－與非門，或非門等準(zhǔn)靜態(tài)D觸發(fā)器VDDMPMNVIVOG1G2G3G4G5DΦ2023/2/130集成電路工藝結(jié)構(gòu)尺寸縮小（等比縮小scaling－down