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1、1,半导体 器件物理,(1)双极型器件,2,半导体器件的种类 双极型器件 p-n结二极管, BJT, SCR, IGBT等. 单极型器件 JFET, MESFET, HEMT, MOSFET等. 负阻型器件 隧道二极管, TTD, TED等. 光电子器件 LED, LD, PD, APD, 红外探测器件, 光电池等. 声波器件 超声波放大器件, 表面声波器件, 光偏转器件等. 其他器件 超导器件, 磁电子器件, 各种传感器件等. 学习要求 基本结构 工作原理 性能参数 设计制造,重点掌握,一般了解(对非微电子器件专业),3, 课程内容 第一章 半导体物理概念（复习） 第二章 p-n 结二极管
2、第三章 双极型晶体管（BJT） 第四章 结型场效应晶体管（JFET） 第五章 MOS型场效应晶体管（MOSFET）,主要参考书： “微纳电子器件”，姜岩峰、谢孟贤，化工出版社（信息部） “半导体器件物理”，蔡树荣，北京大学出版社,4, 微电子技术的发展 ,5,6,7, 微细加工技术的进展 ,8,* 光刻工艺进展 * ( 制造特征尺寸130 nm 的CMOS-VLSI ) 采用超解像技术: 环带照明法 (OAI), 相移掩模法 (PSM), 光学接近修正 法(OPC); 将光刻胶图形加热到基材玻璃转变温度以上, 通过热流来实现图形的微细化. 采用新的曝光波长: 开发193nm ArF准分子激光和
3、相应的光刻胶 (透明, 能干法腐蚀). 193nm用的光刻胶: 主要有丙烯(Acryl)树脂、Norbornene与无水Malein 酸的交替共聚树脂、多环烯(Polycycloolefine)树脂3种. (以前 i 线 365nm 用的酚醛树脂 Novolac 和 248nm 深紫外线 KrF准 分子激光用的PHS Polyhydroxy styrene 树脂不再合用.) 开发新的曝光技术: 开发 (248nm+PSM), (193nm), (193nm+PSM), 157nm, 电子束投影光刻(FPL), X射线光刻(XRL), 离子束投影光刻(I PL) 等技术.,9, 微电子新技术 ,
4、铜互连技术 布线金属薄膜材料: Au、Ag、Al、Cu ？, 低阻金属材料的必要性: 尺寸微细化 布线电阻增大 信号传输延迟 (RC) 增长； 为降低布线电阻R, 须采用低电阻率的金属材料来布线。,10, Cu的优点: a) 电阻率低; b) 抗电迁移能力强。 对 0.22m 的IC, 从1997年开始采用了Cu布线 (对于特征尺寸0.25m的IC采用的都是Al)。 镶嵌工艺: ( Cu金属化 + CMP ) 有单镶嵌工艺和双镶嵌工艺。 单镶嵌工艺的工序数较多 (需要进行2次Cu的金属化及 CMP加工), 但具有较小的引线沟槽宽深比。,11,高K、低K绝缘材料技术 : 高K材料 SiO2、 S
5、i3N4、钛酸钡、HfO2 ？ 低K材料 塑料、聚酰亚胺 ？,12,* 典型的低k材料(1) *,13,* 典型的低k材料(2) *,14,应变半导体技术 : 改变能带结构（能带工程和子能带工程） 增强载流子迁移率（减小散射几率和有效质量） 空穴迁移率 ？,15,混合晶向技术（HOT） : 衬底的晶向有几个 空穴在（110）晶面上的迁移率比在（100）晶面上的高2.5倍! 采用（110）晶面，就可将工作频率提高到2.5倍。,* 再若栅极绝缘膜用Si3N4，则总的工作频率可达到现在的10倍！ * 若进一步采用应变技术. ？,16, 纳米集成电路中的连接线 纳米集成电路设计中需要着重优化连接线：,
6、17,连接线之间的交叉耦合对集成电路信号延迟的影响: 在纳米IC中, 连接线的电容主要由交叉耦合所引起, 将使得连接线的电容 不与长度成正比.,18, 纳米集成电路中的设计方法 传统的直线式流程方法不再适用: 布图规划方法没有根据连接线的实际数据来进行预估; 物理综合方法只考虑了门延迟的问题, 也没有考虑连接线的具体情况. 需要采用新的设计方法持续收敛方法: 从“虚拟硅样品”(SVP)出发来进行设计. SVP全面地表达了设计的各个方面 ( 逻辑, 时序, 信号完整性, 功率衰减, 电迁移,I/O接口, 可制造性等 ). 要求布线设计的工具既懂得电路物理, 也要懂得制造技术.,19,第一章 半导
7、体物理概念（复习）,半导体中的载流子 补偿半导体 半导体中载流子的运动 半导体中的电流成分 非平衡载流子 非平衡载流子的注入 器件工作的状态 半导体中的内建电场 半导体中的基本控制方程组,20,半导体的基本特性,21,导体： 例如 Au、Ag、Cu、Al 等； 电子能够自由运动 有自由电子。,绝缘体： 例如 水晶、金刚石、SiO2、Si3N4 等； 电子不能自由运动 没有自由电子。,半导体： 例如 Si、Ge、GaAs、GaN、InP 等； 电子能否自由运动？有无自由电子？,22, 可用能带理论来解释：,23, 禁带宽度与晶格常数和温度的关系：,24, 能带中的载流子：电子和空穴,载流子的势能
8、导带底； 动能？,25,施主杂质和受主杂质： 对于Si “施主”：P、As、Sb； “受主”：B、Al、Ga、In 。 特点：提供载流子；掺入杂质较难（高温扩散，离子注入）。,有害杂质： 例如 Au、Cu、Fe等重金属元素； 特点：减少载流子 “复合中心”决定非平衡载流子寿命； 这些杂质很容易混入。,多数载流子和少数载流子： 例如 n型半导体 电子：多数载流子(漂移运动)； 空穴：少数载流子(扩散运动) 。,26, 能带中的杂质能级：浅能级和深能级,27, 能带中的载流子浓度：Fermi能级,28,半导体中的载流子浓度,热平衡载流子浓度的一般关系 ： n0 = NC exp(ECEF)/kT
9、= ni exp (EF - Ei）/ kT , p0 = Nv exp(EFEv)/kT = ni exp (Ei - EF）/ kT ； ni = pi = (NC Nv)1/2 exp(Eg / 2kT ) ； n0 p0 = NC NV exp ( - Eg / kT ) = ni2 。,掺杂半导体中的热平衡载流子浓度： n型半导体 n0 ND , p0 = ni2/ n0 ni2/ ND ； 有补偿时 n0 NDNA， p0 ni2/ (ND NA ) . p型半导体 p0 NA , n0 = ni2/ p0 ni2/ NA ; 有补偿时 p0 NAND， p0 ni2/ (NAND
10、) .,非平衡半导体中的载流子浓度： 注入少数载流子 n p ni2 复合，寿命复合 。 抽取少数载流子 n p ni2 产生，寿命产生 。,29,问题：（1）n型半导体中掺入的施主浓度增大时，其中的电子 浓度？空穴浓度？如果同时还掺入一些受 主，电子和空穴浓度将怎样变化？ （2）下图各个半导体分别处于什么状态？,30,半导体中载流子的运动 电流,总电流密度: Jn = n q n E + q Dn (dn/dx) ； JP = p q P E q DP (dn/dx) 。,31,半导体载流子迁移率和方块电阻,电导率 = n q = 1/, 电阻率 = 1 / (n q ) ; 迁移率 = v
11、d / E = q / m* cm2/V-s 与载流子有效质量和平均 自由时间有关! 与温度的关系?,电阻 R = ( l / S ) = ( l / d Z ) = (/ d ) ( l / Z ) R ( l / Z ) , 方块电阻 R = (/ d ) / 与面积无关!,32,Si中电子的迁移率与温度的关系,2,33,热平衡时各种半导体（掺杂与否、简并与否） 性质的确定,（1）重要的参量：EF,EF与温度、掺杂浓度等有关：什么样的关系？,EF决定平衡载流子浓度： n0 = NC exp(ECEF)/kT = ni exp (EF - Ei）/ kT , p0 = Nv exp(EFEv
12、)/kT = ni exp (Ei - EF）/ kT , 有效能级密度Nc和Nv的意义? 本征载流子浓度: ni = pi = (NC Nv)1/2 exp(Eg / 2kT ).,34,（2）热平衡条件：,平衡时: no po = n0 p0 = NC NV exp ( - Eg / kT ) = 常数ni2 ; 平衡载流子浓度乘积只与温度T有关，与掺杂等因素无关！ 非平衡时: no po ni2 或 no po ni2 . 器件的最高工作温度: 器件要能稳定工作, 必须要本征载流子 浓度比杂质所提供的载流子浓度低一个数量级左右. Si平面器件: 应该ni 51014cm-3 最高工作温度
13、约是520K。 Ge器件: 最高工作温度是370K左右。 GaAs器件: 最高工作温度可达720K左右, 适宜制造大功率器件。,35,（3）电中性条件：,对非简并半导体： ND + Nvexp-(EF-Ev)/kT + NA/1+(1/2)exp(EF-EA)/kT = = NA + NCexp-(EC-EF)/kT + ND/1+(1/2)exp(ED-EF)/kT .,“ 正电荷 = 负电荷 ”,p0 + nD+ = n0 + pA- , 即 p0 + ND + pA = n0 + NA+ nD,* 对本征半导体：p0 = n0，即 Nvexp-(EF-Ev)/kT = NCexp-(EC
14、-EF)/kT,* 对n型半导体： p0 + nD+ = n0 ，即 p0 + ND = n0 + nD,* 对p型半导体：p0 = n0 + pA- ，即 p0 + pA = n0 + NA,低温弱电离区 n0nD+ ； 低温强电离区（饱和区 ） n0 = p0 + NDND ； 过渡区 n0 = p0 + ND ； 高温本征区 n0 ND, p0 NA, n0 = p0 = ni .,36,37,38, 非平衡载流子的注入和抽取: 非子的注入: a) n =p 电中性; b) n = n0 + n , p = p0 + p; c) n p ni2, d) 小注入n=p q NA vs ,
15、有电导调制效应; e) 一般是注入少子。 非子的抽取: n p ni2. 非平衡条件是 n p ni2. *少数载流子注入：可以注入； 扩散运动为主； 无电导调制效应; 不产生空间电荷; 通过复合而消亡 (寿命和扩散长度?). *多数载流子注入：不可注入； 漂移运动为主； 有电导调制效应。 多子有涨落, 将产生空间电荷; 通过弛豫而消失 (弛豫时间和屏蔽 长度?).,非平衡载流子的性质,39,40, 准平衡状态和非平衡载流子浓度: 非子在能带中达到平衡的时间比其存在时间要小得多 导带电子系统和 价带空穴系统可分别看为准热平衡的系统, 故可分别引入Imref, 则有 n = Nc exp - (Ec - EFn）/ kT = ni exp(EFnEFi)/kT, p = Nv exp - (EFP - Ev）/ kT = ni exp(EFiEFp)/kT . 并有n p
