半導體器件原理

半導體器件原理2023/2/12提綱半導體中的載流子及其運動P-N結的特性MOS晶體管工作原理及特性MOS晶體管電路基本結構單元及特性硅平面工藝簡介（E/DNMOS工藝結構介紹）2023/2/13半導體中的載流子及其運動硅單晶

正四面體，金剛石結構，晶體的性質與晶向有關，表面的性質與晶面有關

硅原子最小距離：0.235nm

晶格常數(shù)：0.543089nm

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

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半導體中的載流子及分布硅單晶導電性能

硅原子四個價電子，與周圍四個原子各出一個電子形成共價鍵→每個原子周圍八個電子→共價鍵晶體 熱激發(fā)→價帶電子躍遷到導帶→載流子→晶體具有導電性電子空穴EcEv導帶價帶禁帶寬度，EgSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi2023/2/16半導體中的載流子及分布本征半導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

施主雜質，可給出一個電子→P,As

受主雜質，可接受一個電子→B

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

靠近EC，導帶有較多的電子，價帶基本填滿，空穴很少。NA大，EF越靠近EV，價帶空穴多，很少有電子能躍入導帶。熱平衡情況下np＝ni2f(E)EFE0.512023/2/19載流子在電場中的運動載流子運動熱運動，無規(guī)則電場下的漂移，散射，再加速的過程，平均速度為兩次散射之間由電場加速所獲得的定向速度。遷移率單位電場強度下載流子的漂移速度影響因素：

有效質量、溫度（散射）、雜質散射、 表面散射2023/2/110載流子在電場中的運動非平衡載流子產生原因光照、熱、電等，Δn＝n－n0主要影響少數(shù)載流子少子復合多余載流子通過電子空穴復合趨于平衡（直接，間接，表面復合）擴散擴散長度L=（Dτ）1/2τ:少子壽命D:擴散系數(shù)EFNEVECΔnΔphν光照產生非平衡少子2023/2/111PN結特性PN結形成

電子空穴濃度的巨大差異→擴散→留下離化施主和受主→形成空間電荷區(qū)→建立電場阻礙擴散→擴散與漂移達到平衡→統(tǒng)一的費米能級EFnECEVECEVEFPPN結能帶圖PN結空間電荷區(qū)EF-qΦBN+P++++---------內建電場漂移電流擴散電流xdnxdp2023/2/112PN結中載流子的分布空間電荷區(qū)內載流子濃度比起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結內（熱平衡）處處有np＝ni2n、pxxdnxdpnn0pn0np0pp0熱平衡時PN結內載流子分布NP2023/2/113耗盡區(qū)勢壘高度等于半導體費米能級的差-qΦB＝EFN-EFP用載流子濃度表示為：-qΦB＝kTln（NA·ND/ni2）可見，勢壘高度與摻雜濃度和溫度有關。對于常溫的硅材料；通常在0.6～0.8eV勢壘寬度

對于N+P的單邊突變結，ND>>NA 電中性條件，xdn·ND=xdp·NA→xdp>>xdn xd＝xdp＋xdn≈xdp＝(2εsε0qNAΦB)1/2勢壘區(qū)電荷 QB=qNAxdpPN+++++---------xdnxdpExxVΦB2023/2/114PN結特性外加電場為零時 漂移和擴散相抵消，流過PN結的凈電流為零。加正向電壓

P加正，n加負，外加電場與內建電場方向相反，漂移減弱，擴散占優(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)→多子擴散。

np>ni2正向電流JnV：外加電壓正偏時耗盡區(qū)邊緣少子分布正偏時PN結內載流子分布n、pxxdnxdpnn0pn0np0pp0零偏正偏n、pxxdnxdppn0np02023/2/115PN結的特性反向偏置外加電場與內建電場一致，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、pxxdnxdpnn0pn0np0pp0零偏反偏反偏時耗盡區(qū)邊緣少子分布反偏時PN結內載流子分布2023/2/116PN結的特性－擊穿反向電壓大到一定程度時，反向電流急劇增加雪崩擊穿反向強電場→載流子動能增加→激發(fā)電子空穴對→進一步激發(fā)電子空穴對→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；還與電場和空間電荷區(qū)寬度有關，邊緣效應和柵調制電場加強使擊穿電壓降低。隧道擊穿反向偏壓增加→能帶彎曲→價帶電子能量超過導帶電子→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結特性－結電容外加反向電壓，電流很小→電壓全部降落在耗盡區(qū)→耗盡區(qū)相當于介質 單位面積的電容(單邊突變結）N+P++++---------V變容二極管→用于電子調諧器等2023/2/118晶體管的工作原理及特性雙極性晶體管簡介結構

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晶體管的結構

柵極（gate):早期為鋁，現(xiàn)為多晶硅

源、漏（source、drain）:背靠背PN結,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（理想結構）MetalInsulatorSemiconductorVg＝0P－subECEiEFpEVVg=0SiO2MetalInsulatorSemiconductorVg<0P－subECEiEFpEVVg<0SiO2空穴積累平帶增強2023/2/121MOS表面效應（理想結構）ECEiEFpEVVg>0SiO2qVS＝φfECEiEFpEVVg>>0SiO2qVS=2φfMetalInsulatorSemiconductorVg>>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當柵極施加一定的正電壓，表面能帶下彎qVs=2qΦf時，表面電子和空穴濃度正好與體內相反，表面呈現(xiàn)強反型（stronginversion）。此時所對應的柵極電壓Vg稱為開啟電壓，用Vt表示。上述討論的是理想MOS結構體系，實際的開啟電壓受多種因素的影響：2Φf：反型表面勢，反型時表面下彎值。加在硅表面與硅體內的電壓。-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：襯偏調制：QB↑，VT↑；NA↑，VT襯偏調制效應大2023/2/123MOS晶體管的直流特性當∣VDS∣很小時，源漏間導電溝厚度變化不大，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∣VDS∣增大時，IDS－VDS曲線越來越偏離線性，當VGS-VT＝VDS時，漏端將不存在導電溝，開始夾斷。夾斷區(qū)電子很少，電阻較大，但有很強的電場，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與無關。擊穿：當VGS<Vt時，不存在導電溝，VDS被耗盡區(qū)電荷屏蔽，當VDS增大到耗盡區(qū)電荷不足以屏蔽時→源漏穿通。

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

有反饋作用，對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)展中的器件物理問題Vt小尺寸效應短溝效應L減小，Vt下降窄溝效應W減小，Vt上升強場效應一般條件，歐姆定律，載流子的漂移速度與電場成正比強場下，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→柵擊穿輸出端也會擊穿加保護器件電子遷移（electronimmigration）電流密度大→電子撞擊原子→原子移動→導線變細→電流密度進一步加大→遷移加重→斷裂用Cu代替Al2023/2/127MOS晶體管電路（基本單元）開關單溝NMOS開關高閾值損失，VOH=VG-VT

襯偏調制效應，輸出更低充電慢（高輸出時）CMOS傳輸門結構沒有高閾值損失，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，或非門等準靜態(tài)D觸發(fā)器VDDMPMNVIVOG1G2G3G4G5DΦ2023/2/130集成電路工藝結構尺寸縮?。ǖ缺瓤s小scaling－down