清华大学 器件物理03

1、*据统计：半导体器件主要有据统计：半导体器件主要有67种，另外还有种，另外还有110个相关的变种个相关的变种*所有这些器件都是由少数的基本模块构成：所有这些器件都是由少数的基本模块构成： pn结结金属半导体接触金属半导体接触 MOS结构结构 异质结异质结 超晶格超晶格萌萌芽芽期期成长期成长期成熟期成熟期衰退期1874年年 F.Braun半导体器件的第半导体器件的第1项研究项研究金属半导体接触金属半导体接触1939年年 Schottky肖特基势垒肖特基势垒1907年年 H.J.Round发光二极管发光二极管 LED1947年年 Shockley ，Bardeen, Brattain晶体管晶体管

2、(transistor)点接触式的点接触式的诺贝尔奖诺贝尔奖1949年年 Shockleyp-n结结双极晶体管（双极晶体管（BJT1940187019301950萌萌芽芽期期第一个点接触式的第一个点接触式的晶体管晶体管 (transistor)成为电子现代成为电子现代工业的基础工业的基础Ge 晶体管晶体管获获1956年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖1957年年 Kroemer异质结双极晶体管异质结双极晶体管HBT诺贝尔奖诺贝尔奖1952年年 Schockley结型场效应晶体管结型场效应晶体管JFET第第1个半导体场效应器件个半导体场效应器件1954年年 Chapin, Fuller, Pearso

3、n 硅太阳电池，硅太阳电池，61952年年Ebers闸流管模型闸流管模型 thyristor1958年年 Esaki隧道二极管隧道二极管诺贝尔奖诺贝尔奖19601950进进入入成成长长期期1960年年 Kahng,Atalla增强型增强型MOSFET1962年年 Hall, Nathan, Quist 半导体激光器半导体激光器1963年年Gunn渡越电子二极管渡越电子二极管Gunn二极管二极管1967年年Kahng, Sze非挥发存储器非挥发存储器1966年年 MeadMESFET1965年年Johnston, DeLoach, CohenIMPATT二极管二极管197019601962年年W

4、anlass、C. T. SahCMOS技术技术1968年年Dennard单晶体管单晶体管DRAM第一个增强型第一个增强型MOSFET利用硅和热氧化生长的二氧化硅，其利用硅和热氧化生长的二氧化硅，其上为铝栅上为铝栅沟道长度：沟道长度：25微米微米栅氧化层：栅氧化层：1000埃埃第一块集成电路，1958， KilbyGe 衬底上的混合集成电路，美国专利号3138743第一块单片集成电路，1959， Noyce1970年年 Boyle, SmithCCD器件器件1974年年Chang, Esaki, Tsu共振隧道二极管共振隧道二极管1980年年Mimura, Hiyamizu, Fujii, N

5、anbu MODFET调制掺杂场效应晶体管调制掺杂场效应晶体管19801970分水岭：分水岭：1970年前发明年前发明的器件全部实的器件全部实现商业化现商业化1971年Intel公司微处理器1980年后出年后出现了大量的现了大量的异质结构器件异质结构器件和量子效应器件和量子效应器件1984年年 Luryi, Katalskys,Gossard, Hendel电荷注入晶体管电荷注入晶体管CHINT1984年年Capasso, Kiehl共振隧穿双极晶体管共振隧穿双极晶体管RTBT1985年年Yokoyama, Imamura, Muto,Hiyamizu , Nishi RHET共振隧穿热电子晶

6、体管共振隧穿热电子晶体管19901980MOS 晶体管结构晶体管结构 (a) 原始的，原始的， （b) 现代的现代的N+（P+）N+（P+）P-（N-）Source Gate DrainN+ (P+)N+ (P+)P (N)Source Gate DrainN+(P+)abCMOS FETCMOS FET 技术演变技术演变MOS MOS FETFET，19601960PolyPoly-Si -Si Self-AlignedSelf-Aligned Gate,1966Gate,1966Ion Implant application, 1969Ion Implant application, 19

7、69Silicided PolySilicided Poly-Si -Si Gate, 1978Gate, 1978Sidewall Sidewall for S/D implant, for S/D implant, 19801980Self-aligned LDD, 1981Self-aligned LDD, 1981SalicideSalicide, S/D extension , , S/D extension , 19821982Oxy-Nitride for gate Oxy-Nitride for gate dielectric, 1983dielectric, 1983CMP,

8、 1989CMP, 1989Damascene interconnect, 1992Damascene interconnect, 1992Copper interconnect, 1993Copper interconnect, 1993N+N+P N+P+P+ NP+Substrate*据统计：半导体器件主要有据统计：半导体器件主要有67种，另外还有种，另外还有110个相关的变种个相关的变种*所有这些器件都是由少数的基本模块构成：所有这些器件都是由少数的基本模块构成：4 pn结结金属半导体接触金属半导体接触 MOS结构结构 异质结异质结 超晶格超晶格两个习题两个习题 2.3 PN结结1.

9、PN结的形成结的形成NP空间电荷区空间电荷区XM空间电荷区为高阻区，空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子因为缺少载流子实际的实际的PN结结构结结构2. 平衡的平衡的PN结情形结情形载流子的漂移载流子的漂移(电流电流)和扩散和扩散(电流电流)过程保过程保持平衡持平衡(相等相等)，形成，形成自建场和自建势自建场和自建势20000lnlnlniADpnnpfpfnBnNNqkTnnqkTppqkTqEE自建势自建势qVbi费米能级平直费米能级平直平衡时的能带结构平衡时的能带结构3.正向偏置正向偏置的的PN结情形结情形正向偏置时的能带图正向偏置时的能带图N区区P区区空穴：空穴： 100kTqVppnnn

10、pnpeLDpLDnxjxjj电子：电子：P区区N区区扩散扩散扩散扩散漂移漂移漂移漂移正向的正向的PN结电流输运过程结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程4. PN结的反向特性结的反向特性N区区P区区空穴：空穴：电子：电子：P区区N区区扩散扩散扩散扩散漂移漂移漂移漂移 100kTqVppnnnpnprReLDpLDnxjxjj反向偏置时的能带图反向偏置时的能带图N区区P区区电子：电子：扩散扩散漂移漂移空穴：空穴： P区区N区区扩散扩散漂移漂移5. PN结的特性结的特性单向导电性：单向导电性：正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置正向导通，多数载流子

11、扩散电流正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压正向导通电压Vbi0.7V(Si)反向击穿电压反向击穿电压Vrb6. PN结的击穿结的击穿雪崩击穿雪崩击穿齐纳齐纳/隧穿击穿隧穿击穿7. PN结电容结电容VQCTdVdQCTmsTXSC0金属半导体接触金属半导体接触一、能带结构一、能带结构*一般形成势垒肖特基势垒一般形成势垒肖特基势垒*半导体中形成类似于单边突半导体中形成类似于单边突变结的耗尽层变结的耗尽层*势垒高度存在两种极限情况势垒高度存在两种极限情况金属与半导体的能带金属与半导体的能带1. 由功函数决定由功函数决定2. 由表面态决定由

12、表面态决定一、能带结构一、能带结构钉扎钉扎热离子发射热离子发射隧穿、场发射隧穿、场发射空间电荷空间电荷区的复合区的复合空穴注入空穴注入二、电流的传输二、电流的传输正向偏置时：正向偏置时：金属半导体接触金属半导体接触Schottky barriern-typesemi-conductorElectrons moveover the barriermetalEcEFEvElectrons tunnelthrough the narrowdepletion regionn-typesemi-conductorn+-regionmetalOhmic contactEcEFEv通常通常MS接接触分为：触

13、分为：肖特基接触肖特基接触欧姆接触欧姆接触 2.4 双极晶体管双极晶体管发射区发射区收集区收集区基区基区发发射射结结收收集集结结发发射射极极收收集集极极基极基极cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1cebIII共基极共基极共发射极共发射极共收集极共收集极NNP晶体管的共收集极接法晶体管的共收集极接法cbeecII0bcII00001cecIIIeciibcii1215. BJT的特点的特点优优点点垂直结构垂直结构与输运时间相关的尺与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大与光刻尺寸关系不大易于获易于获得高得高fT高速高速应用应用整个发射上整个发射上有电流流过有电流流过可获得单位面积可获得单位面积的大输出电流的大输出电流易于获得易于获得大电流大电流大功率大功率应用应用开态电压开态电压VBE与尺寸、与尺寸、工艺无关工艺无关片间涨落小，可获片间涨落小，可获得小的电压摆幅得小的电压摆幅易于小信易于小信号应用号应用模拟电模拟电路路输入电容由输入电容由扩散电容决扩散电容决定定随工作电流的减随工作电流的减小而减小小而减小可同时在大或小的电可同时在大或小的电流下工作而无需调整流下工作而