半导体器件物理课件-苏州大学考研

半导体器件物理电子信息学院王明湘王子欧2006年6月第一章绪论1.学习器件物理的意义2.本课程的基本内容3.学习器件物理的基本方法本课程的基本内容CH1课程简介CH2热平衡时的能带及载流子浓度

CH3载流子输运现象CH4PN结CH5双极型晶体管及其相关器件CH6MOSFET及其相关器件CH7金-半接触及MESFETImportanceofSemiconductorIndustry4BuildingBlocksA)金-半接触（metal-semiconductorcontact）：整流接触（rectifyingcontact）

欧姆接触（Ohmiccontact）B)PN结（P-N

junction）C)异质结

（hetero-junctioninterface）

D)金属-氧化层-半导体（metal-oxide-semiconductor，MOS）结构

FirstTransistoronGe

(贝尔实验室)FirstMOSTransistor

(贝尔实验室)FloatingGateTransistor

(nonvolatilesemiconductormemorydevice)TechnologyDrivers第二章物质结构·能带结构的形成和描述·统计描述

一、基本物质结构

1、物质结构划分2、原胞，晶胞的定义，几种晶体结构3、周期势场的形成：4、晶格常数5、密勒指数·晶面指数：6、从矿石到单晶的生长1、固体材料结构划分

晶体：长程有序短程有序

多晶：

非晶：长程无序短程有序2、原胞，晶胞的定义，几种晶体结构

两种分类的意义：固体微观性质，工艺

两种坐标：空间仿射坐标，空间直角坐标InsulatorSemiconductor&ConductorSemiconductors2、原胞，晶胞的定义，几种晶体结构图2.11a

Example1:Cubicbcc&fccDiamondStructure3、周期势场的形成：

a.原胞的无限周期排列

b.电子在能量动量空间的平衡位置

c.缺陷、表面势

自由电子的能量(E)与动量(p)的抛物曲线图mn=0.25m0

mp=m0

半导体能量动能图4、晶格常数

例1：最短距离——>两球紧密接触

习题1(a),习题3

例2，习题6(a)5、密勒指数·晶面指数：

空间解析几何描述（平面）：

lx+my+nz+p=0

x/a+y/b+z/c=d

EquivalentPlanesinCubic三个平面：

n型，p型

（111），（100），（110）

例3*图2.6要记住

习题1(b)

习题56、从矿石到单晶的制备7、习题4习题提示：OAB

CDOA＋OB＋OC＋OD＝0柴可拉斯

基拉晶仪二、能带结构·态密度·费米统计1、导带、价带、禁带、费米能级

2、束缚态与激发态（本征统计分布态密度、 杂质统计分布态密度）

3、直接禁带与间接禁带半导体

4、简并5、能态密度、费米能级、载流子浓度计算， 与掺杂浓度、温度的关系 实际测量

四面体结构

传导电子与空穴N型硅P型硅1、导带、价带、禁带、费米能级图2.15

金属、半导体、绝缘体能级与能带硅原子能级孤立原子聚集形成金刚石晶格晶体的能带形成图三种材料的能带表示图：两种可能性的导体，半导体，绝缘体2、束缚态与激发态（本征统计分布态密度，杂质统计分布态密度）

3、直接禁带与间接禁带半导体

4、简并硅及砷化镓的能带结构

费米分布函数F(E)对(E-EF)图

5、本征半导体能态密度、费米能级、载流子浓度计算·(a)能带图(b)状态密度(c)费米分布函数(d)载流子浓度硅及砷化镓中本征载流子浓度本征载流子浓度对温度的依赖关系公式11a公式11b空穴公式（10）：EF－E公式13（a）施主和受主非本征半导体的施主离子,受主离子不同杂质在硅及砷化镓中所测得的电离能

费米能级EF及本征费米能级Ei

温度及杂质浓度为函数的硅及砷化镓费米能级

施主浓度为1015cm-3的硅样品的电子浓度质量作用定律N型半导体：公式24P型半导体：公式26Ec和ED计算：公式25假设完全电离：公式30泊松方程应用于PN结空间电荷区重掺杂，能带变窄：公式37第二章总结：

物质结构决定了能带结构通过光子测量确定禁带宽度EgNc,Nv是有效态密度费米分布表征了载流子在E空间的填充水平

轻掺杂引入分立能级，重掺杂引入了“额外”带隙第三章载流子输运

一、电荷控制的概念，测量量（电阻率、迁移率、浓度、寿命），平衡与非平衡载流子二、注入、产生与复合（不同能量模型分类）：内外部机制，哪种条件有利于哪种机制三、经典（弱电场）输运机制，强电场输运，量子输运一、电荷控制的概念注意Jn与Jp中漂移和扩散电流的方向连续性方程测量量（迁移率、电阻率、浓度、寿命），平衡与非平衡载流子迁移率随温度，掺杂的变化硅与砷化镓:迁移率及扩散系数随杂质浓度的变化一个n型半导体中的传导过程:

(a)热平衡时(b)偏压情形下截面积为Ａ，长为Ｌ，在此均匀掺杂的半导体棒中电流的传导四探针法测电阻硅及砷化镓：电阻率随杂质浓度的变化利用霍耳效应测量载流子浓度的基本装置电子浓度对距离的变化情形，Ｌ平均自由程光注入：载流子寿命的测量几种产生与复合机制：具有不同的能量动量要求

具有不同的载流子数量关系直接复合、产生，间接复合、产生表面复合，俄歇复合二、注入、产生与复合产生复合电流公式43，46，47与公式49，50相比较间接复合引入了复合截面的概念，表达了缺陷能级得电子的能力。载流子寿命和扩散长度电子-空穴对的直接产生与复合：

(a)热平衡时，(b)光照下光激发载流子的衰减情形。(a)n型样品在恒定光照下，(b)少数载流子（空穴）随时间的衰减情形，(c)测量少数载流子寿命的图示装置。在热平衡下间接产生-复合过程干净半导体表面上键俄歇复合

厚度为dx的无限小薄片中的电流及产生-复合过程稳态下载流子从一端注入：

(a)半无限样品，(b)厚度为W的样品在x=0处的表面复合。表面附近少数载流子的分布受到表面复合速度的影响海恩-肖克莱实验7。(a)实验装置，(b)无施加电场下的载流子分布，(c)施加电场下的载流子分布。三、输运机制满足的能量关系不同V0SiO2量子输运（热电子、多能谷散射、隧穿）

强电场输运（临界电场、多能谷散射、碰撞电离）经典（弱电场）输运机制SiSi(a)隔离n型半导体的能带图。

(b)热电子发射过程。(a)距离为d的两个隔离半导体的能带图。(b)一维势垒。(c)波函数穿越势垒的图示法。硅单晶中漂移速度对电场的变化情形硅单晶及砷化镓中漂移速度对电场的变化情形。注意对n型砷化镓而言，有一个区域为负的微分迁移率对两-谷半导体而言，各种电场情形下电子的分布情形两-谷半导体的一个可能的速度-电场特征雪崩过程的能带图对硅晶及砷化镓所测量的电离率与电场倒数的关系问题1、哪几种产生、复合机制，以硅PN结为例，说明产生、复合何时作用问题2、半导体中载流子有哪几种输运机制问题3、迁移率用来表征那种输运？受哪几种散射机制的影响？原理、结构

静态电场分布、电荷存储特性曲线、基本特性参数

I－V曲线特征量及其变化规律器件研究与工程注意：exp(qV/kT)第四、五章导言基本规律：泊松方程静态电场分布与存储电荷密度经典：扩散（梯度）、漂移（迁移率）强电场：饱和速度和电场量子：隧穿几率＋输运方程直流（准静态）传导：I＝QvQ：bulkdensity小信号(～):I=△Qv高频：Q：areadensity放大基本原理数字功能基本原理高阻低阻恒流源工程原理R第四章PN结一、热平衡1、空间电荷区的形成与内建电势、电荷分布2、突变结与缓变结的电场、电势、电荷分布二、准静态电流电压特性1、理想特性2、大注入、串联电阻、（双载流子导电）3、产生复合三、势垒电容与扩散电容

四、暂态响应五、击穿（击穿电压与浓度、温度、尺寸）六、异质结电荷控制：如何提高开关速度？隧道击穿：高电场（高掺杂短路径）雪崩击穿：耗尽区

(a)突变结(b)线性缓变结突变结

在热平衡时，空间电荷在耗尽区的分布(b)电场分布。阴影面积为内建电势

单边突变结在热平衡时，单边突变结（其中NA>>ND）。空间电荷分布。电场分布。随距离改变的电势分布，其中Vbi

为内建电势。单边突变结热平衡情况下。正向偏压情况下。反向偏压情况下热平衡时的线性缓变结

杂质浓度分布。电场分布。电势分布。能带图。超突变结、单边突变结和单边线性缓变结的杂质分布耗尽区、能带图、载流子分布正向偏压反向偏压注入的少数载流子分布和电子空穴电流

正向偏压。(b)反向偏压。此图显示理想电流。对于实际器件，电流在耗尽区并非定值。典型p-n结电流-电压特性P＋NV1、大注入，小电流2、串联电阻3、双载流子导电4、长/短二极管小电流大注入IV0.7V串联电阻

p-n结的小信号等效电路注意：静态工作点p-n结的暂态响应(a)基本开关电路(b)由正向偏压转至反向偏压时的电流暂态响应在结击穿条件下的能带图(a)隧道效应。(b)雪崩倍增硅和砷化镓单边突变结的击穿临界电场和背景杂质的关系硅和砷化镓结，在单边突变结雪崩击穿电压和杂质浓度的关系，及在线性缓变结雪崩击穿电压和杂质梯度的关系。段-点线代表隧穿机制发生起始点扩散结的击穿电压

插图表示空间电荷分布

p+-π-n+和p+-ν-n+的击穿电压W为p-型轻掺杂(π)或n-型轻掺杂(ν)的厚度(a)平面扩散工艺在接近扩散阻挡层边缘所形成的结曲面，rj为曲率半径。(b)圆柱和球形区域通过长方形阻挡层扩散形成

(a)两个分离半导体的能带图

(b)在热平衡下，理想n-p异质结的能带图异质结PN结二极管计算：1、泊松方程（电场电势分布）：偏压近似、耗尽近似边界条件2、电流方程3、电容计算4、小信号电导一、平衡pn结自建势qVbi费米能级平直1、能带结构两边载流子浓度不同扩散自建场漂移平衡时扩散＝漂移自建势Vbi取决于结两边的掺杂浓度，与材料特性相关全耗尽近似Built-involtageofn+-pjunctionsversusacceptorconcentration(cm-3)耗尽区过渡区边界准中性区PN结中的空间电荷区（突变结）上述方程需要数值求解为了求得解析解，需要作近似PN结的耗尽近似－空间电荷区中载流子全部耗尽准中性p区准中性n区耗尽区qND-qNAxn-xp使泊松方程简化A、耗尽区-耗尽近似耗尽近似下的泊松方程面积＝电势－EmVmPN结的耗尽近似下的电场和电势分布-xpxnB、准中性区热平衡情况二、正向偏置的pn结（少子扩散近似＋耗尽近似＋小注入近似）小注入所有电压均降在耗尽区耗尽近似耗尽区内无产生复合假设少子在准中性区仅为扩散确定少数载流子在各空间电荷区边界处的浓度确定少数载流子在准中性区的浓度(扩散方程)确定少数载流子的扩散电流(浓度的梯度)J=Jn+Jp正向偏置下，漂移作用被外场削弱，形成耗尽区两侧中性区少子堆积，即少子注入理想PN结的扩散电流忽略空间电荷区内复合时的理想情况两种情形－长、短二极管Ln>>Wp或Lp>>Wn分别用Wp替代Ln，Wn替代Lp三、反向偏置的pn结PN结反向电流仍然是扩散电流反向偏置时，漂移作用被外场增强，中性区少子被“抽取”，少子扩散流方向反向四、pn结电容1、耗尽层电容+-VP+Nxd外加偏压改变耗尽层厚度2、扩散电容在空间电荷区外少子扩散长度的范围内存储有过剩少子少子扩散区内过剩少子的存储引起的（正偏压时显著〕低频正向偏置、低频时作用显著第五章BipolarTransistors1、基本结构原理结构与实际结构掺杂特点2、基本工作原理3、工作模式第一节BJT基础一、BJT结构发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极分为：NPN和PNP两种基区宽度远远小于少子扩散长度近代平面结构102010171015基本掺杂分布与实际的分立器件结构思考题：1、计算正向偏压和反向偏压下PN结的最大电场2、小信号下的C～V曲线3、如何把PN结的扩散电流引出构成恒流源？4、计算Jn和Jp占总电流的比例P10201017N0.7VP10151017N3Vp-n-p晶体管在放大模式下的各电流成分，电子流方向与电流方向相反四种晶体管工作模式下的结极性与少数载流子分布低阻数字0高阻数字1ebcebc数字运用工作模式：数字运用与放大运用（a）晶体管开关电路，（b）晶体管由截止模式切换到饱和模式。基本数字单元－反相器晶体管开关特性（a）基极输入电流脉冲，（b）基极储存电荷随时间的变化，（c）集电极电流随时间的变化，（d）基极在不同时间的少数载流子分布PNP-3Vebc放大运用：eb结正偏，bc结反偏少数载流子基区分布放大模式VBC＝0or>0放大模式下p-n-p晶体管中各区域的少数载流子分布信号放大组态的输入、输出IEIBIBbeceIcIcIEPNPebc放大运用的信号通路（a）p-n-p晶体管的共基组态，（b）其输出电流电压特性

（a）p-n-p晶体管的共射组态，（b）其输出电流电压特性三、晶体管的参数晶体管的电流增益（放大系数〕共基极直流放大系数和交流放大系数0

、共发射极直流放大系数交流放大系数0、两者的关系（a）连接成共射组态的双极型晶体管，（b）晶体管电路的小信号工作状态厄雷效应与厄雷电压（a）基本晶体管等效电路，（b）基本等效电路加上势垒和扩散电容，（c）基本等效电路加上电阻和电导。电流增益与频率的关系基本电流模型：Ebers－MollGummel-Poon（a）n-p-nHBT结构的截面图示，（b）放大模式下HBT的能带图图18磷化铟系HBT8电流增益与频率的关系（a）n-p-nSi/SiGe/SiHBT的器件结构，（b）HBT和BJT的集电极、基极电流与VEB的关系。有与无缓变层、和有与无缓变基区的HBT能带图BCT的能带图a）p-n-p-n二极管，（b）可控硅器件的典型掺杂分布，（c）热平衡状态下可控硅器件的能带图。可控硅器件的双晶体管模型示意图p-n-p-n二极管的电流电压特性可控硅器件工作在各区域的耗尽层宽度与压降（a）热平衡状态，（b）正向阻断，（c）正向导通，（d）反向阻断。（a）平面三端点可控硅器件示意图（b）平面可控硅器件的横截面 栅极电流对可控硅器件电流电压特性的影响（a）应用可控硅器件的电路，（b）电压与栅极电流的波形（a）二反接的p-n-p-n二极管，（b）将二极管整合为二端点的diac，（c）diac的电流电压特性triac横截面，具有六层结构，包含五个p-n结在相同正向阻断电压下，结构与电场分布的比较（a）不对称可控硅器件，（b）传统可控硅器件。栅极加负电压的GTO可控硅器件可控硅器件的主要应用P+AnodeN+N+CathodeRnPSubstrateNwellxYRpOXIDE闩锁-Effect第五章中几个关键参量总结（PNP）1、集、射电流构成：Iep承载的是通过eb结的有效载流子（少子扩散），其占Ie的比率为发射系数；Icp是Iep通过基区后的剩余量（二者比率是传输系数）；Iep通过基区过程中一部分与Ib中的部分电子复合，一部分与Icn中的部分电子复合；Ib和Icn中剩余电子进入发射极构成Ien;公式9，102、发射效率、基区输运系数、共基电流增益例一、例二（公式31、31a）3、基区宽度：短二极管4、基极电流Ib=Ie-Ic5、共射电流增益（公式35，37）6、漏电流（例3）7、HBT的电流增益（设基区输运系数为1）公式49，例四第六章

MOSFET及相关器件MOS二极管示意图图1（a）MOS二极管的透视图，（b）MOS二极管的剖面图图2V=0时理想MOS二极管的能带图图3(a)积累时，(b)耗尽时以及(c)反型时的理想MOS二极管的能带图及电荷分布图4p型半导体表面的能带图图5强反型情形下硅与砷化镓（GaAs）的最大耗尽区宽度对杂质浓度的关系图6（a）理想MOS二极管的能带图，（b）反型时的电荷分布情形，（c）电场分布，（d）电势分布图7（a）高频MOSC-V图显示其近似部份（虚线），插图为串联的电容器，（b）C-V图的频率效应图8铝、n+及p+多晶硅栅极材料的功函数差为衬底杂质浓度的函数图9（a）独立金属与独立半导体间夹一氧化物的能带图，（b）热平衡下的MOS二极管的能带图。图10热二氧化硅中的相关电荷图11（a）VG=0情形下，（b）平带条件下，氧化层中片电荷的影响2图12MOS二极管中固定氧化层电荷与界面陷阱对C-V特性的影响图13三相电荷耦合器件的剖面图4，（a）高电压加于（b）加更高电压，以使电荷输运。

MOS电容小结1、由绝缘介质层电容和PN结电容串联2、积累状态电容为C03、反型状态a、低频：PN结宽度固定，电荷、电压的变化均体现在反型电荷/介质层b、高频：反型层失去了电荷来源思考题：C-V曲线1、多晶硅电极的情况2、有氧化层隧穿电流的情况4、VFB5、深耗尽图14MOSFET透视图

6.2MOSFET基本原理1、开关状态阈值电压使得表面势，形成导电通道，大量反型电子使得器件导通Qinv03、导电通道形成后的直流电流电压特性a、线性区b、饱和态恒流源2、阈值电压调节图15MOSFET工作方式及其输出的I-V特性。（a）低漏极电压，（b）进入饱和区，P点为夹断点，（c）过饱和图16（a）MOSFET工作于线性区，（b）沟道的放大图，（c）沿沟道的漏极压降。图17理想MOSFET的漏极特性，于VD≧VDsat时漏极电流为一常数图18MOSFET的亚域值特性IDVgVthVd＝0.5V

理想条件下MOSFET电流电压特性的推导目标：反型层电荷Polygateoxidesilicon即而p+p+PVddVgd,s<0,Vgd,s>Vth图19四种类型的MOSFET的剖面图、输出以及转移特性图20n沟道（VTn）与p沟道（VTp）MOSFET的阈值电压推算值为杂质浓度的函数。栅极材料分别为n+、p+多晶硅及功函数位于禁带中心的栅极。假设没有固定电荷。栅极氧化层厚度为5nm。图21n阱结构寄生的场晶体管的剖面图。图22使用衬底偏压调整阈值电压图23在0.15μmCMOS场效应晶体管工艺中的阈值电压下跌特性短沟道效应Vthroll-off图24短沟道效应中电荷共享模型示意图图25在不同沟道长度，沿n沟道MOSFET沟道的表面电势推算值。源极与沟道的边界定为y=0，点线代表施加低漏极电压（0.05V），实线代表施加高漏极电压（1.5V）。氧化层厚度d与衬底掺杂NA分别为10nm与1016cm-3。衬底偏压为0伏特。短沟道效应DIBL图26（a）长沟道与（b）短沟道MOSFET的亚域值特性图27n沟道MOSFET在VDS＝0.1、1与4V时的亚域值特性图28 CMOS反相器图29Ip与In为Vout的函数。Ip与In（圆点）的截距为CMOS反相器的稳态工作点。曲线是依输入电压来标示：0=Vino<Vin1<Vin2<Vin3<Vin4=VDD。CMOS反相器工作原理图30CMOS反相器的转移特性。标示为A，B，C与D的点与图29相对应。图31使用p阱技术制作的CMOS反相器的剖面图n+n+PV=Isub*RVdLatch-up效应原理图图32图31的p阱结构的等效电路CMOS反相器工作原理2图33

避免闩锁可利用重掺杂外延衬底

图34

典型的a-Si:HTFT结构

图35a-Si:HTFT的亚域值特性（L/Z=10/60μm)场效应载流子迁移率为0.23cm2/V.s图36

多晶硅TFT结构。

图37 SO