半导体器件与工艺课件

半导体器件与工艺

2004年8月1半导体器件IC的基础数字集成电路建库等模拟集成电路、射频集成电路设计侧重工作原理、特性分析、模型2半导体器件方面的课程内容预备知识：半导体物理半导体器件主要组成模块：PN结——BJT金属－半导体接触MIS结构——MOSFET异质结超晶格、量子阱等BJT器件MOSFET基础：原理、特性、模型长沟MOSFET短沟MOSFET3

半导体及其基本特性5固体材料：超导体:大于106(cm)-1 导体:106~104(cm)-1半导体:104~10-10(cm)-1

绝缘体:小于10-10(cm)-1什么是半导体?从导电特性和机制来分气体、液体、固体、等离子体

金属、半导体和绝缘体之间的界限不绝对半导体中的杂质含量很高：金属性纯净半导体在低温下的电阻率很低：绝缘性从能带及温度特性来区分6

主要的半导体材料元素半导体，如：Si、Ge化合物半导体IV族：SiC,SiGeIII-V族：GaAs、InP、GaP,InAsII-V族:ZnS,ZnSe,CdS发展Ge:1947-1958,nowsomeresearch

Si:1962－III-V族：1970－宽禁带半导体：SiC,GaN，1990－有机半导体、纳米半导体..….？71.半导体的结构大部分半导体材料：共价键晶体以硅为例，最外层4个电子：价电子：决定硅的物理化学性质每两个相邻原子之间有一对电子，与两个原子核有吸引作用：共价键原子结合形式：共价键9半导体的结合和晶体结构金刚石结构立体结构形成的晶体结构：具有金刚石晶体结构两个面心立方套在一起，沿体对角线平移1/4原子规则排列成晶格10载流子：能够导电的自由粒子电子：Electron，价电子脱离共价键束缚后，成为自由运动的电子，带负电的导电载流子空穴：Hole，价电子脱离原子束缚后形成的电子缺位，可以自由移动，正电的导电载流子半导体中的载流子：电子和空穴11电子摆脱共价键的能量晶体内原子的热运动常温下，硅中热运动激发产生的电子、空穴很少，对硅的导电性影响很小光照常温下硅的导电性杂质13半导体的掺杂BAs

受主掺杂III族：B等

施主掺杂V族：P,As,Sb等14施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。 硅中掺有施主杂质，靠施主提供的电子导电

N型半导体

受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。 硅中掺有受主杂质，靠受主提供的空穴导电

P型半导体15基本导电性影响导电性的因素掺杂：杂质的种类和数量光照等

导电能力的表征

半导体中的载流子17导电能力的表征电导率、电阻率迁移率均匀导电材料：电阻或电导来表示导电能力，电场不很强，欧姆定律杂质：半导体的导电电流不均匀微分欧姆定律：j＝E＝E/电导率与杂质浓度的关系18常温下电子无规则运动：不会形成电流漂移运动：存在电场，由电场作用而产生电子沿电场方向的运动，产生一定定向速度

j=nqv，v是平均速度单位时间通过单位面积的电荷量

j＝E＝E/

v＝uE：u为载流子的迁移率

＝nqu

与n有关与u有关迁移率：导电能力，载流子运动速度定量分析引入迁移率的概念19以电子为例载流子的统计规律大量载流子微观运动表现出来电子的运动方式稳恒运动，具有完全确定的能量：量子态相应的能量：能级量子跃迁

21量子态半导体中的量子态共价键电子摆脱共价键后自由运动的电子掺杂原子可以将电子束缚在周围运动大量电子在各类量子态中的分布情况：电子的统计分布

22原子中电子的量子态和能级硅原子的14个电子在三层轨道上运动轨道越高，能量越高量子态的能量：取一些特定值两层轨道之间不存在中间能量的量子态形象表示：能级图每一量子态所取的确定能量：能级用高低不同的水平横线来表示每一个量子态称为一个能级空能级：电子跃迁23半导体的能带

在同一个原子能级上产生的共有化运动多样可以有各种速度从一个原子能级可以演变出许多共有化量子态原子能级能带一组密集的能级：能带

禁带，带隙25价带：被电子填充的能量最高的能带，价电子填充能量最高价带以上能带基本为空导带：未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体中的能带(价带、导带和带隙)Si，Ge等晶体中，内层到最外层价电子填满相应的能带导带价带Eg26n型半导体：主要电子导电，有少量空穴P型半导体：主要空穴导电，有少量电子多子：多数载流子 n型半导体：电子 p型半导体：空穴少子：少数载流子 n型半导体：空穴 p型半导体：电子晶格热振动产生电子跃迁：产生电子－空穴对复合：导带电子落入价带空能级热平衡时，电子、空穴浓度维持不变半导体中少子和多子的平衡（一个基本的载流子统计规律）热平衡：无光照、PN结注入等29本征载流子浓度：n=p=ninp=ni2

ni与禁带宽度和温度有关本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子载流子来源：电子－空穴对的产生载流子浓度

电子浓度n,

空穴浓度p30非本征半导体的载流子在非本征情形:热平衡时:N型半导体：n大于pP型半导体：p大于n31电中性条件:

正负电荷之和为0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互补偿p=n+Na–Ndn=p+Nd–Na32n型半导体：电子nNd 空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa 电子nni2/Na33非平衡载流子由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为非平衡(过剩)载流子公式不成立外界因素撤除后，过剩载流子复合34费米能级费米能级：反映电子填充能带到什么水平：电子统计规律的一个基本概念从重掺杂P型到重掺杂N型半导体，填进能带的电子逐渐增多，费米能级逐渐增高费米能级画到能带图中，反映电子填充能带情况，不代表电子的量子态费米能级以下基本填满电子费米能级在禁带中央：本征费米能级在禁带上半部：N型费米能级在禁带下半部：P型Ef反映了电子的占据情况，是系统的化学势35载流子的统计分布函数

费米－狄拉克分布

量子的统计分布玻尔兹曼分布

经典粒子的统计分布E-Ef大于几个kT时简化形式热平衡时电子占据能级E的几率36载流子的输运载流子输运形成电流漂移运动扩散运动….非平衡情况下37载流子的输运漂移电流迁移率电阻率单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动引入迁移率的概念迁移率：电子和空穴不同掺杂浓度影响温度影响.….38载流子在运动过程中，与晶格、杂质、缺陷发生碰撞，无规则地改变运动方向，发生散射；经历一次散射载流子丧失了原有定向运动速度载流子的平均漂移速度等于载流子在两次散射之间电场力加速获得的平均速度平均自由运动时间（平均弛豫时间）影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间39半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子。载流子运动状态的变化是外力和晶体势场共同作用的结果有效质量与半导体材料有关电子和空穴的有效质量m*

电子的有效质量比空穴小部分III-V族化合物半导体中电子的有效质量更小40平均弛豫时间温度和掺杂浓度对迁移率的影响半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热运动引起）电离杂质散射（带电中心对载流子的吸引、排斥）温度升高，晶格散射增大，低掺杂浓度下迁移率下降掺杂浓度增大，电离杂质散射增强41扩散电流电子扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动由载流子非均匀分布引起扩散系数，描述载流子的扩散能力42过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程扩散长度Ln和Lp:L=(D)1/2如P型半导体中有电子从边缘进入，注入保持不变电子和空穴在运动过程中相互遭遇而湮灭43描述半导体器件工作的基本方程泊松方程高斯定律描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米能级Ei的变化决定能带向下弯，静电势增加44方程的形式1方程的形式2电荷密度(x)可动的－载流子（n,p)固定的－电离的施主、受主45电流连续方程可动载流子的守恒热平衡时：产生率＝复合率np=ni2电子：空穴46电流密度方程载流子的输运方程在漂移－扩散模型中扩散项漂移项方程形式147爱因斯坦关系波耳兹曼关系方程形式2电子和空穴的准费米势：费米势48PN结的结构有代表性：两种载流子漂移、扩散、产生复合基本运动形式49突变结线性缓变结50PN结的单向导电性：P区接正，N区接负正向导电性很好，电流随电压增加迅速增大，正向电阻小反向导电性差，电流很小，趋于饱和，反向电阻大反向击穿分析平衡非平衡正向反向51PN结的形成NP空间电荷区XM空间电荷区－耗尽层XNXP空间电荷