北大杜刚-半导体器件物理.pdf

半导体器件物理 半导体器件物理 杜刚 半导体器件物理 教材及参考书 半导体器件物理基础 曾树荣 北京大学出版社 半导体器件基础 美 Robert F Pierret 黄如 王漪 等译电子工业出版社 半导体器件物理与工艺 第二版 美 施敏 赵鹤鸣 钱敏 黄秋萍译 苏州大学出版社 半导体物理与器件Donald A Neamen 清华大学出版社 半导体器件物理 成绩评定方法 期中考试30 笔试 闭卷 期末考试60 笔试 闭卷 平时成绩10 作业 出勤 半导体器件物理 主要内容 pn结二极管 双极晶体管 化合物半导体器件 MOS器件 半导体器件物理 引言 研究器件物理的基本方法 半导体物理知识回顾 半导体器件物理 器件物理研究内容 器件的电学特性 器件工作基本原理 器件电流模型 器件结构和工艺参数与器件特 性之间的联系 半导体器件物理 求解电流 电子浓度 电子运动速度 电场 电流即电子流动 Je n v 半导体器件物理 求解电场 泊松方程 电荷空间分布 边界条件 电场分布 p31 1 166 2 s 半导体器件物理 求解器件中电荷空间分布 波尔兹曼方程 rk s fdkf vff tdtt r dkqE dth rr 半导体器件物理 pn结二极管 半导体器件物理 自建势 为接触电势差 不能用电表测量 2 ln BAD binp i k TN N V qn 半导体器件物理 突变结耗尽区线性缓边结耗尽区 1 2 1 2 1 2 2 2 2 sD pbi ADA sA nbi ADD sAD bi AD N xVV qNNN N xVV qNNN NN WVV qN N 1 3 12 2 ln 2 s bi B bi i WVV qa k TaW V qn 2 ln BAD binp i k TN N V qn 半导体器件物理 耗尽层电容 1 1 2 2 1 1 3 3 2 12 2 s sAD AD s Cj W qN N CjVbiV NN qa CjVbiV 突变结 线形缓变结 半导体器件物理 pn结二极管电流特性曲线 半导体器件物理 理想pn结电流特性 基本假设 外加偏置电压全部降落在耗尽区 均匀掺杂突变结 载流子非简并 小注入电流 不考虑耗尽区载流子产生 复合 半导体器件物理 总电流 理想二极管方程 Shockley方程 22 00 1 qV kBT nps pp nini snp pnpDnA JJJJe qDqD qDnqDn Jpn LLLNLN 半导体器件物理 半导体器件物理 实际电流曲线相对理想的偏离 半导体器件物理 半导体器件物理 耗尽区产生 复合电流 半导体器件物理 耗尽区产生 复合电流 半导体器件物理 耗尽区产生 复合电流 反向 正向 2 2 B xn R G xp thermal R G i R G g qVk T i R G r n Jqdx t qnW J qnW Je 半导体器件物理 半导体器件物理 大电流现象 串联电阻 大电流注入 注入载流子浓度可与多子相比 自建电场对少数载流子漂移作用相当与少数 载流子扩散系数增加一倍 JAs VVIR 半导体器件物理 二极管温度特性 2 g 1 2 B B qV k T s qVk T i r i II e Wn IqAe Wn IqA 扩散 复合 产生 半导体器件物理 温度对反向电流影响 结电压不变 温度对正向电流影响 0 2 1 g s sB E dI I dTk T 0 2 1 g VB EqV dI IdTk T 半导体器件物理 pn结的击穿结的击穿 热不稳定性热不稳定性 偏压偏压V IR 发热 引起 结温上升 发热 引起 结温上升 IR 最后 破坏 最后 破坏 隧道效应隧道效应 击穿电压随温度 的上升而减小 击穿电压随温度 的上升而减小 雪崩倍增雪崩倍增 碰撞电离碰撞电离 半导体器件物理 理想化开关电路 半导体器件物理 少 子 电 荷 存 贮 半导体器件物理 0 0 e1 e1 B B qV k T ppn qV pk T Fnppp p ppF QqAL p qAD IpLD L QI 存贮电荷的计算 由理想二级管电流方程 得到 存贮电荷由注入电流和少数载流子寿命决定 半导体器件物理 关断瞬态的 结电流 结 电压变化 半导体器件物理 关断瞬态存贮电荷变化 半导体器件物理 存贮延迟时间严格解 2 1 0 1 exp 10 1 2 sR pF fp sR pF fp x u tI erf I t tI erf I t erf xedu 其中 半导体器件物理 少子寿命决定 了存贮延迟时 间 f 2 f pn 2 2 p F s R np nF s pR I tt I WL WI tt DI 长结 情形 半导体器件物理 开启瞬态的结电流 结电压变化 半导体器件物理 开启瞬态存贮电荷变化 半导体器件物理 DIFFs s s II1 I1 ln 11 B B p qV k T ppp qv t k T pp t BF Qe Qte k TI v t e qI 稳态 假定存贮电荷准静态积累得到 由此 结电压的变化 半导体器件物理 双极晶体管与 化合物半导体器件 器件基本工作原理 器件的频率特性 决定截止频率的参数 双极晶体管的非理想现象 半导体器件物理 MOS结构 不同栅压下半 导体中电荷分 布 表面势与栅压 关系 平带电压 半导体器件物理 半导体器件物理 半导体器件物理 长沟长沟MOSFET 一 一 MOSFET的结构 能带的结构 能带 二 二 I V特性的模型特性的模型 1 缓变沟道近似缓变沟道近似 2 pao sah 方程方程 3 其他源漏电流模型其他源漏电流模型 三 阈值电压三 阈值电压 四 亚阈特性四 亚阈特性 五 衬偏效应五 衬偏效应 六 沟道尺度调制效应六 沟道尺度调制效应 半导体器件物理 长沟MOSFET的特点 沟道长度沟道长度 L 源空间电荷区 漏空间电荷区源空间电荷区 漏空间电荷区 沟道的宽度沟道的宽度W 栅下的空间电荷区宽度栅下的空间电荷区宽度 可以将长沟器件处理为一维问题可以将长沟器件处理为一维问题 可以忽略沟道四周的 边缘效应 可以忽略沟道四周的 边缘效应 半导体器件物理 MOSFET的能带的能带 MOSFET的工作过程及的工作过程及I V特性特性 亚 阈 线性 饱和 亚 阈 线性 饱和 IDS Vt VG Vt I V特性特性 沟道中任一点的电流 沟道中任一点的电流 yyWQIyI nDS 缓变沟道近似 缓变沟道近似 1D MOSFET模型的关键 只适合于长沟器件模型的关键 只适合于长沟器件 假设 电场沿假设 电场沿y方向的变化方向的变化 结果 结果 MOS电容中得到的电容中得到的Qs与表面势的关系仍适用 只是需 要考虑随 与表面势的关系仍适用 只是需 要考虑随y的变化的变化 成立条件 沟道内的绝大部分 除漏附近和夹断区成立条件 沟道内的绝大部分 除漏附近和夹断区 半导体器件物理 沟道中任一点的电流 沟道中任一点的电流 yyWQIyI nDS dy dV yQqWyI nnDS dVVQqWdyyI DS V nn L DS 00 dVVQ L W qI DS V nnDS 0 关键问题求关键问题求Qn的积分 不同的模型有不同的求法 的积分 不同的模型有不同的求法 半导体器件物理 简单的分区模型简单的分区模型 2 2 DS DSTG oxn DS V VVV L WC I yVVVCQ TGoxn 2 2 TG oxn DS VV L WC I VDSVG VT 半导体器件物理 阈值电压阈值电压 SBSi ox ASio siFBT V C qN VV 2 fsi经典强反型条件 经典强反型条件 2 SBfi ox ASio fFBT V C qN VV 2 2 2 ox ASio C qN 2 非均匀掺杂非均匀掺杂 半导体器件物理 亚阈特性亚阈特性 亚阈斜率亚阈斜率 decV Id dV Id dV S DS G DS G ln 3 2 log 扩散电流扩散电流 tDSt SBss VVV V A i t ss DS ee N n VI 2 1 2 半导体器件物理 衬偏效应衬偏效应 使耗尽区加宽使耗尽区加宽 半导体器件物理 沟长调制效应沟长调制效应 CLM 饱和后 夹断区长度随饱和后 夹断区长度随VDS继续增加 使有效沟长继续增加 使有效沟长Leff减小减小 半导体器件物理 第二节短沟第二节短沟 MOSFET 一 短沟效应一 短沟效应 二 窄沟效应二 窄沟效应 三 迁移率三 迁移率 四 速度饱和四 速度饱和 五 热载流子效应五 热载流子效应 六 寄生效应六 寄生效应 七 其他强场效应七 其他强场效应 需要需要2D分析 边缘效应不可忽略分析 边缘效应不可忽略 VDS VDSAT后后IDS不饱和不饱和 VT漂移漂移 S上升上升 半导体器件物理 一 短沟效应一 短沟效应 1 电荷共享 电荷共享 现象现象原因原因 电荷共享电