半导体器件 绪论

1、 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices1半导体器件原理半导体器件原理theory of semiconductor devices联系方式 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices2前言 半导体器件进展 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices3 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices4 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices5

2、中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices6 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices7 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices8 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices9 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices10 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices11 中国科学技术大学物理

3、系微电子专业12mos device 中国科学技术大学物理系微电子专业13cmos technology for 25 nm channel lengthcmos technology for 25 nm channel length 中国科学技术大学物理系微电子专业14cmos technology for 25 nm channel lengthcmos technology for 25 nm channel length 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices15chandrasakan lab uwb project chips

4、中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices16chandrasakan lab uwb project chips 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices17 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices18 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices19 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices20 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-

5、11-7semiconductor devices21original motivation:moores law 1950 1970 1990 2010 20301 m1 cmyearvlsiintegratedcircuitstransistorvacuum valvesmolecular dimensions1 m mm10 nm1 a adevice sizefrom intel 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices22 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices23“摩尔定律摩尔

6、定律”：处理器：处理器(cpu)(cpu)的功能和的功能和复杂性每年复杂性每年( (其后期减慢为其后期减慢为1818个月个月) )会会增加一倍，而成本却成比例地递减。增加一倍，而成本却成比例地递减。在技术上，摩尔定律依然勇往直前在技术上，摩尔定律依然勇往直前 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices24si substratemetal gatehigh-ktri-gatesgdiii-vscarbon nanotube fet50 nm35 nm30 nmsige s/dstrained siliconfuture options subj

7、ect to research & changesige s/dstrained silicon90 nm65 nm45 nm32 nm20032005200720092011+technology generationsource: intel20 nm10 nm5 nm5 nm5 nmnanowiremanufacturing development researchtransistor researchresearch options:high-k & metal gatenon-planar trigateiii-v, cnt, nw 中国科学技术大学物理系微电子专业2

8、021-11-7semiconductor devices25 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices26 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices27 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices28 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices29building blocks for nanoelectronicscarbon nanotubesnanowiresquantum dotsa

9、dvantages for one-dimensional nanostructures:atomic precision available via chemical synthesis;easy to wire up (compared to quantum dots);rich and versatile properties. 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices30cnt is a tubular form of carbon with diameter as small as 1 nm. length: few nm to c

10、m.cnt is configurationally equivalent to a two dimensional graphene sheet rolled into a tube.cnt exhibits:1. carrier mobility 100,000 cm2/vs2. youngs modulus over 1 tera pascal, as stiff as diamond;3. tensile strength 200 gpa.cnt can be metallic or semiconducting, depending on chirality. 中国科学技术大学物理系

11、微电子专业2021-11-7semiconductor devices31cnt fetsgate 8nm hfo2sio2p+ sipdpdcntdelft : tans, et al., nature, 393, 49, 1998javey, et al., nano letters, 4, 1319, 2004appenzeller, et al., prl, 93, 19, 2005drainsourcegatedrainsourcegatesapphire substrategateoxideliu, et al., nano letters, 6, 34, 2006 中国科学技术大

12、学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices32traditional approach: on-site synthesis of single-walled carbon nanotubessisio2pmmacatalystch4nanotubecatalyst island900 cmetal electrodeh. dai, et al, nature 395, 878 (1998). 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices33infrastructure: nanotube cvd genera

13、tion i 1 m mm1 m mm2.6 nm in diameter 1.0 nm in diameter high-quality nanotubes can be grown at specific positions-60-50-40-30-20-100ids(na)-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0vds(v)vg: -4 v 0 v 2 v 6 vnanotube transistor can be easily produced.si back gatesio2sd 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices34t

14、oward integrated nanotube systemssi back gatesio2kn typesdpotassium source6005004003002001000ids (na)1.00.20.0vds (v)vg: 6 v 4 v 2 v 0 vpotassium doping:1. heat up a potassium source;2. electron transfer from k to the nanotube reverts the doping from p type to n type.n-type field effect tra

15、nsistor 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices35integrated nanotube systems:complementary carbon nanotube invertercarbon nanotube field-effect inverters, x. liu, r. lee, j. han, c. zhou, appl. phys. lett. 79, 3329 (2001).one of the first integrated systems made of carbon nanotubes.si back ga

16、tekvinvoutvddgndp-type cntn-type cnt6040200ids(na)-4 -2024vg(v)vds=10 mvp type mosfet:12840ids (na)-4 -2024vg (v)vds=10 mvn type mosfet:2.52.01.51.00.50.0vout(v)2.52.01.51.00.50.0vin(v)vdd=2.9 vvinvout0 vvddpn 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices36 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor de

17、vices37 biosensor arrays 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices38si nanowires as dna sensorsmicrofluidic processpna-dna duplexpna receptorlieber, 4, 51, 2004avidin-modified nw was linked with biotinylated pna probes, and followed by dna hybridization. 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor d

18、evices39siconstruction of dna / protein chipsautomated measurementsarray of sensors with various probe moleculeskey challenge: selective functionalization of different nanowires? 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices40按比例缩小的主要挑战 超大尺寸晶片的不断增大 亚100nm分辨率的光刻系统 超小尺寸的逻辑存贮器件 多级互连的寄生rc延迟 微电子产业的高额投资

19、中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices41微电子小型化的极限 固体的最小尺寸 功耗限制 电压或电流感应击穿的限制 噪声限制 heisenberg不确定原理的限制 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices42解决途径 新材料：非晶硅，多晶硅，sige，-族复合半导体，有机材料，宽禁带半导体（sic、gan） 新结构器件 新互连方法：铜连线、低k，光连接等。 深亚微米尺度下器件和电路设计cad工具 新电路 新电源：板上太阳能，生物电，空间微波等 纳米技术 3d电路 中国科学技术大学物理系微电子

20、专业2021-11-7semiconductor devices43小结总结与展望： 双极型晶体管 化合物半导体器件 mosfet 功率器件 量子器件 光电子器件 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices44内容：课程章节 本课是一门重要的专业基础课 了解半导体器件的工作原理，物理概念和器件特性。 掌握研究半导体器件工作原理和器件特性的基本方法，为从事半导体器件的研制和应用打下基础。 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices45 前前 言言 半导体器件进展半导体器件进展 第一章：第一章： 半导体物理基础半导体物理基础 半导体材料、半导体能带、本征载流子浓度、载流子输运现象、非本征载流子及光学性质。 第二章：第二章： p-n结结 热平衡下的pn结，耗尽区（耗尽层）和耗尽层电容，直流特性，pn结的瞬态特性，结击穿，异质结与高低结。 第三章：第三章： 双极型晶体管双极型晶体管 基本原理，静态特性，频率响应和开关特性，异质结晶体管hbt、可控硅器件。课程章节 中国科学技术大学物理系微电子专业2021-11-7semiconductor devices46课程章节 第四章：第四章： 单极型器件单极型器件金半接触，肖特基势垒二极管，结型场效应晶体管