TFT相关半导体基础讲解

1、4章TFT相关的石出重点 能带与载流子及载流子迁移率 空间电荷区与能带的弯曲 接触电势差与p-n结 MOS晶体管单元TFT的断面沟道保护膜单元TFT的简单构图空位间隙原子、晶体中的点缺陷和杂质1、空位和间隙原子密度：n,=Ne-EI/kT n2=N2e-E2/kTN2单位体 积内的格点数 和间隙数。2、杂质杂质扩散的密度流与杂质密度梯度成正比j = -D ACD：扩散系数D = Do e-E/kT°替代式杂质O O O O O:O :一间隙式杂质、电子的运动状态和能级1、原子中的电子状态和能级Is, 2s, 2p, 3s, 3d, 3p 4s,内层轨道上的电 子受束缚强，能 级低；外

2、层轨道 上的电子受束缚 弱，能级高。2、自由空间中的电子状态和能级E(k)=h2 k2/47tm P=hk/27iv=p/m=hk/271m3、晶体中的电子和能带即围绕每一原子运动，又要在原子之间做共有化运动，原子中的电子能级分裂为一系列 彼此靠的很近的能级，组成 有一定宽度的带。三、导带和价带，电子和空穴施主与受主：能给出电子的杂质原子或点缺陷叫施主;能接受电子的杂质原子或点缺陷叫受主。导带施主受主-a. Eq价带四、半导体中的电导和霍尔效应1、载流子的散射运载电荷而引起电流的是导带电子 与价带空穴称为载流子。载流子不断受到振动着的原子、杂质 和缺陷等不完整性的碰撞，使得它们 运动的速度发生

3、无规则的改变，这种 现象称为散射。正因为散射的存在，电子与电子之间, 以及电子与原子之间才可以交换能量, 使得它们构成一个热平衡的统计体系。散射几率和弛予时间：单位时间内被碰撞的次数为散射几率O载流子每遭到一次碰撞平均所经历的 时间为弛予时间，To散射几率为1/T。2、电导现象在半导体样品两端加电压，其内部则产生电场。 载流子被电场所加速进行漂移运动，在半导体 中引起一定电流，这就是电导现象。载流子在电场中的加速度：a=（ 土 e）E/m*E：电场 m*：载流子有效质量载流子在电场中的漂移速度：vd = az = （±e） t /m” E上式表明，载流子的漂移速度与外电场平行，且成比

4、例。比例系数通常称为载流子的迂移流。空穴和电子的迁移率：|p= e zp /mp（空穴）pi. = e Tn /mn（电子）迁移率：cm2/V.S不仅反映导电能力的强弱，而且直接决定载流子漂移 和扩散运动的快慢，决定材料是否适合做高频器件。 在杂质浓度一定的情况下，电子的迁移率比空穴的大。（空穴）（电子）（空穴）（电子）空穴和电子的速度： Vp="E Vn二 NnE空穴和电子的电导率:Op 二 P e / bn=neNn电导率：反映半导体材料导电能力的物理量。 它由载流子密度和迁移率来决定。3、一种载流子的霍尔效应在电场强度为E和磁感应强度为B的电磁场中， 载流子要受到洛仑兹力F的作

5、用：F = （ + e） E+vxB在半导体中，如果同时有外电场和与其垂直的 磁感应强度存在时，载流子由于受洛仑兹力的 作用一方面沿着电场作用的方向产生漂移运动, 另一方面又因磁场对它们的作用使漂移运动发 生偏转。于是在垂直于外电场和磁场的方向上, 就引起横向的电动势，这种现象被称为霍尔效 应，霍尔1879年在金属箔上发现。B(b) p型材料Ey = ±HhEXBZ测量霍尔效应的示意图五、非平衡载流子嗨O O O光照引起非平衡我流子的产生粽20 0Q 000少数载流子的注入和检验测量非平衡截流子寿命的光电导实验。（a）实验装1% （5）光照使半导体的电导改变，引起垮在正，上的电压变化

6、六、半导体表面半导体表面对半导体器件的性能，常常有着重 要的影响。附着于表面的电荷可以在表面内感 生出导电沟道，引起表面漏电。另一方面利用 表面效应可作成许多种器件，如金属一氧化物半导体场效应晶体管（MOS晶体管），现已 应用在集成电路中。许多重要的半导体表面效应，几乎都同表面形 成的一层空间电荷区相联系。在此区域中有电 场存在，同时载流子密度发生变化。1、表面势MIS电容器空间电荷区形成电场E和电势Vs的变化垂直电场的存在使半导体表面呐形成具有相当 厚度的空间电荷区，起到对电场的屏蔽作用。 空间电荷的形成是由于自由载流子的过剩或欠 缺以及杂质能级上电子密度的变化引起的。 与空间电荷的存在相联

7、系的是电场的变化。在 空间电荷区中仍存在电场，由外至内逐渐减弱, 直到其边界才基本上全部被屏蔽。在此区域中 电场的出现引起电势的变化。于是半导体表面 与体内之间产生一电势差，称为表面势Vs。 外电场与半导体电荷面密度Qsc之间的关系为：E = -Qs"%2、能带的弯曲以前讨论的能带图形是表示晶体周期性势场中 电子的能级分布。而在空间电荷区中由于存在 宏观电势V(x),使得电子有了一个附加的静电 势能(-e)V(x),它随着位置而变化(这种宏观电 场比起晶体中周期性排列的原子作用于电子上 的微观电场来是非常微弱的)。因此电子能级 升降的高低也不同，造成能带的弯曲。Ef： 费 米 能 级

8、V00空间正电荷区空间负电荷区电子势垒EcEv,Ec，+ + +Ev空穴势垒费米能级:反映热平衡条件下电子在各能级中分布 情况的参数。同一热平衡体系应该有相 同的费米能级。多子：决定导电类型的多数载流子。少子：不决定导电类型的、与多数载流子电性 相反的少数载流子。(1)积累层由于能带弯曲，在表面附近的一层中多数 载流子密度增加，称为积累层。(2)耗尽层在表面附近的一层中自由载流子几乎全部被 排斥离开，只留下空间电荷区。(3)反型层从耗尽层开始，当势垒进一步提高时，少子 密度有可能超过多子密度，形成与原来导电 类型相反的一层。属i+丰丰+ 金 一氧化物半导体反型层1& JL. 11AA

9、】'7! QlUg支£ " 一 二jvf* 二一二 a- hzx j，- vP型积累层一一P型Si耗尽层P型Sime门勺 Rd u> S ¥内:为少 0三'修5"作 本 出亍J修无它下N口、 rfl华七田不口 1五邛13耗尽层P型Si(c)耗尽层(Vg>0)(d)反型层(Vg>0) _理想的MOS结构在各种偏压下的能带弯曲3、接触电势差(1)功函数晶体中的电子虽然可以在其中自由运动， 但却不能离开晶体表面。这表明电子受晶 体中原子的束缚。由于热运动，在任何温度下实际上都有一 小部分电子具有足够的热运动能量跑出晶 体外，形

10、成热电子发射。热电子流jj oc e-w/kTW标志着电子在晶体中束缚地强弱，称为 晶体的功函数。W=E0-Ef,Eo是在靠近晶 体表面的自由空间中电子的最低能量。金属真空半导体两者间距离减小彼此接触E： 9C £)S - ko /T 4用导线连接金属和n型半导体的能带图（2）接触电势差金属的费米能级为七似，半导体的费米能级 为Efs，它们的功函数分别为Wm、Ws o因 为Efs高于£似,所以Wm大于Ws。把金属和半导体连接起来，电子显然要从费 米能级高的半导体流到费米能级低的金属。 因此金属由于电子过剩带负电，半导体中电 子欠缺带正电。（3）实际MOS电容器中氧化层内电荷

11、的影响 实际MOS系统的绝缘层中往往存在有正电荷， 影响MOS系统的电学特性。设想正电荷存在于绝缘体和半导体的交界面附 近，面密度为Qss，此时在金属电极上感生出 负电荷Qm，在半导体深表面处感生出负电荷 Qsc，它们之间满足Qm+Qsc二-Qss并产生表面势。上。一上一平带电压氧化层中的电荷引起半导体表面附近的能带弯曲(4)平带电压为了抵消绝缘层中电荷的作用，可以加一定 偏压，使金属极板表面的相反电性电荷Qm= -Qss，能够把绝缘层中的电荷电力线全部吸引 过去。这使电场屏避在绝缘层内，使半导体 表面能带恢复到平直状况。降落在绝缘层上的平带电压为：VfB=-Qss4 / 8。0 = -Qss

12、 / G(5) Si-SiC)2结构在制造半导体器件的平面工艺中，都要热 生长或淀积一层Si。?，可作为杂质有选择 地进行扩散的掩膜或起到表面钝化的作用。 在MOS场效应晶体管中Si。2层作为把金属 栅、Si层相隔离的绝缘介质。但Si。2层中容 易引进可动离子沾污，尤其是Na+。因此 通常加入磷硅玻璃作为Na+的阻挡层。磷硅 玻璃的结构比较致密Na+不易穿透。七、p-n结在一片半导体样品上通过控制施主与受主浓 度的办法，可以使得一边是以电子导电为主 的n型半导体，另一边是空穴导电为主的P型 半导体。在这两个区域的交界处附近，形成 p-n 结。p.n结是大多数半导体器件的核心，可制作成 整流器、

13、检波器、开关、放大器、光电池和 半导体激光器等。1、平衡态p-n结的性质932、p-n结的电流一电压特性p-n结的主要特性是具有整流效应， 即单向导电性。外加电压在p区为正端、n区为负端时， 流过p-n结的电流大，并随电压的增高 而迅速增大。反之外加电压在p区为负 端、n区为正端时，流过p-n结的电流 小，并随电压的增高而趋向饱和值。P 九多吉门勺Hi沉t电外加偏压对p-n结的影响反偏压下的少子抽出3P-n结少数载流子的注入和抽出3、简单理论的修正一导通电压0.812 八6 /.ar (伏)重掺杂?一"结在77K时的正向/一/特性(a) Ge, E g .7eV (b) Si, E g . Ie V(c) Ga As f 万(d) Ga AsPt E。=2.0。/4、p-n结电容(1)势垒电容p-n结的势垒区是一个由正电荷和负 电荷构成的偶极层势垒区中的空间电 荷要随着外加电压而变化，因而具有 电容效应。称为势垒电容。按照杂质分布的不同，可以把p-n结 区分为突变结和线性缓变