半導(dǎo)體器件與工藝課件

半導(dǎo)體器件與工藝

2004年8月1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)計側(cè)重工作原理、特性分析、模型2半導(dǎo)體器件方面的課程內(nèi)容預(yù)備知識：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

半導(dǎo)體及其基本特性5固體材料：超導(dǎo)體:大于106(cm)-1 導(dǎo)體:106~104(cm)-1半導(dǎo)體:104~10-10(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低：絕緣性從能帶及溫度特性來區(qū)分6

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,InAsII-V族:ZnS,ZnSe,CdS發(fā)展Ge:1947-1958,nowsomeresearch

Si:1962－III-V族：1970－寬禁帶半導(dǎo)體：SiC,GaN，1990－有機半導(dǎo)體、納米半導(dǎo)體..….？71.半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)大部分半導(dǎo)體材料：共價鍵晶體以硅為例，最外層4個電子：價電子：決定硅的物理化學(xué)性質(zhì)每兩個相鄰原子之間有一對電子，與兩個原子核有吸引作用：共價鍵原子結(jié)合形式：共價鍵9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)兩個面心立方套在一起，沿體對角線平移1/4原子規(guī)則排列成晶格10載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ与娮樱篍lectron，價電子脫離共價鍵束縛后，成為自由運動的電子，帶負電的導(dǎo)電載流子空穴：Hole，價電子脫離原子束縛后形成的電子缺位，可以自由移動，正電的導(dǎo)電載流子半導(dǎo)體中的載流子：電子和空穴11電子擺脫共價鍵的能量晶體內(nèi)原子的熱運動常溫下，硅中熱運動激發(fā)產(chǎn)生的電子、空穴很少，對硅的導(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)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負電的離子。 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，電場不很強，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＝E＝E/電導(dǎo)率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系18常溫下電子無規(guī)則運動：不會形成電流漂移運動：存在電場，由電場作用而產(chǎn)生電子沿電場方向的運動，產(chǎn)生一定定向速度

j=nqv，v是平均速度單位時間通過單位面積的電荷量

j＝E＝E/

v＝uE：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，載流子運動速度定量分析引入遷移率的概念19以電子為例載流子的統(tǒng)計規(guī)律大量載流子微觀運動表現(xiàn)出來電子的運動方式穩(wěn)恒運動，具有完全確定的能量：量子態(tài)相應(yīng)的能量：能級量子躍遷

21量子態(tài)半導(dǎo)體中的量子態(tài)共價鍵電子擺脫共價鍵后自由運動的電子摻雜原子可以將電子束縛在周圍運動大量電子在各類量子態(tài)中的分布情況：電子的統(tǒng)計分布

22原子中電子的量子態(tài)和能級硅原子的14個電子在三層軌道上運動軌道越高，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子態(tài)形象表示：能級圖每一量子態(tài)所取的確定能量：能級用高低不同的水平橫線來表示每一個量子態(tài)稱為一個能級空能級：電子躍遷23半導(dǎo)體的能帶

在同一個原子能級上產(chǎn)生的共有化運動多樣可以有各種速度從一個原子能級可以演變出許多共有化量子態(tài)原子能級能帶一組密集的能級：能帶

禁帶，帶隙25價帶：被電子填充的能量最高的能帶，價電子填充能量最高價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)帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價帶頂之間的能量差半導(dǎo)體中的能帶(價帶、導(dǎo)帶和帶隙)Si，Ge等晶體中，內(nèi)層到最外層價電子填滿相應(yīng)的能帶導(dǎo)帶價帶Eg26n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)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：電子晶格熱振動產(chǎn)生電子躍遷：產(chǎn)生電子－空穴對復(fù)合：導(dǎo)帶電子落入價帶空能級熱平衡時，電子、空穴濃度維持不變半導(dǎo)體中少子和多子的平衡（一個基本的載流子統(tǒng)計規(guī)律）熱平衡：無光照、PN結(jié)注入等29本征載流子濃度：n=p=ninp=ni2

ni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－空穴對的產(chǎn)生載流子濃度

電子濃度n,

空穴濃度p30非本征半導(dǎo)體的載流子在非本征情形:熱平衡時:N型半導(dǎo)體：n大于pP型半導(dǎo)體：p大于n31電中性條件:

正負電荷之和為0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互補償p=n+Na–Ndn=p+Nd–Na32n型半導(dǎo)體：電子nNd 空穴pni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴pNa 電子nni2/Na33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費米能級費米能級：反映電子填充能帶到什么水平：電子統(tǒng)計規(guī)律的一個基本概念從重摻雜P型到重摻雜N型半導(dǎo)體，填進能帶的電子逐漸增多，費米能級逐漸增高費米能級畫到能帶圖中，反映電子填充能帶情況，不代表電子的量子態(tài)費米能級以下基本填滿電子費米能級在禁帶中央：本征費米能級在禁帶上半部：N型費米能級在禁帶下半部：P型Ef反映了電子的占據(jù)情況，是系統(tǒng)的化學(xué)勢35載流子的統(tǒng)計分布函數(shù)

費米－狄拉克分布

量子的統(tǒng)計分布玻爾茲曼分布

經(jīng)典粒子的統(tǒng)計分布E-Ef大于幾個kT時簡化形式熱平衡時電子占據(jù)能級E的幾率36載流子的輸運載流子輸運形成電流漂移運動擴散運動….非平衡情況下37載流子的輸運漂移電流遷移率電阻率單位電場作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場作用下輸運能力載流子的漂移運動：載流子在電場作用下的運動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載流子在運動過程中，與晶格、雜質(zhì)、缺陷發(fā)生碰撞，無規(guī)則地改變運動方向，發(fā)生散射；經(jīng)歷一次散射載流子喪失了原有定向運動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力加速獲得的平均速度平均自由運動時間（平均弛豫時間）影響遷移率的因素：有效質(zhì)量平均弛豫時間39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。載流子運動狀態(tài)的變化是外力和晶體勢場共同作用的結(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)體中電子的有效質(zhì)量更小40平均弛豫時間溫度和摻雜濃度對遷移率的影響半導(dǎo)體中載流子的散射機制：晶格散射（熱運動引起）電離雜質(zhì)散射（帶電中心對載流子的吸引、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41擴散電流電子擴散電流：空穴擴散電流：愛因斯坦關(guān)系:載流子的擴散運動：載流子在化學(xué)勢作用下運動由載流子非均勻分布引起擴散系數(shù)，描述載流子的擴散能力42過剩載流子的擴散和復(fù)合過剩載流子的復(fù)合機制：直接復(fù)合、間接復(fù)合、表面復(fù)合、俄歇復(fù)合過剩載流子的擴散過程擴散長度Ln和Lp:L=(D)1/2如P型半導(dǎo)體中有電子從邊緣進入，注入保持不變電子和空穴在運動過程中相互遭遇而湮滅43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)體中靜電勢的變化規(guī)律靜電勢由本征費米能級Ei的變化決定能帶向下彎，靜電勢增加44方程的形式1方程的形式2電荷密度(x)可動的－載流子（n,p)固定的－電離的施主、受主45電流連續(xù)方程可動載流子的守恒熱平衡時：產(chǎn)生率＝復(fù)合率np=ni2電子：空穴46電流密度方程載流子的輸運方程在漂移－擴散模型中擴散項漂移項方程形式147愛因斯坦關(guān)系波耳茲曼關(guān)系方程形式2電子和空穴的準費米勢：費米勢48PN結(jié)的結(jié)構(gòu)有代表性：兩種載流子漂移、擴散、產(chǎn)生復(fù)合基本運動形式49突變結(jié)線性緩變結(jié)50PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕篜區(qū)接正，N區(qū)接負正向?qū)щ娦院芎?，電流隨電壓增加迅速增大，正向電阻小反向?qū)щ娦圆?，電流很小，趨于飽和，反向電阻大反向擊穿分析平衡非平衡正向反?1PN結(jié)的形成NP空間電荷區(qū)XM空間電荷區(qū)－耗盡層XNXP空間電荷