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1、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 CH4 PN结 CH5 双极型晶体管及其相关器件 CH6 MOSFET及其相关器件 CH7 金-半接触及MESFET Importance of Semiconductor Industry 4 Building Blocks A)金-半接触（metal-semiconductor contact）： 整流接触（rectifying contact）
2、欧姆接触（Ohmic contact） B)PN结（P-N junction） C)异质结 （hetero-junction interface） D)金属-氧化层-半导体（metal-oxide- semiconductor，MOS）结构 First Transistor on Ge (贝尔实验室) First MOS Transistor (贝尔实验室) Floating Gate Transistor (nonvolatile semiconductor memory device) Technology Drivers 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
3、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 Insulator Semiconductor 公式9，10 2、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-Ic 5、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
4、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2 V=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4 p 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MOS C-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
5、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12 MOS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C0 3、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
6、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、VFB 5、深耗尽 图14 MOSFET透视图 6.2 MOSFET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 Qinv 0 3、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15 MOSFET 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
7、压降。 图17 理想MOSFET 的漏极特性， 于VDVDsat 时 漏极电流为一 常数 图18 MOSFET的亚域值特性 ID Vg Vth Vd0.5V 理想条件下MOSFET电流电压特性的推导 目标：反型层电荷 Poly gate oxide silicon 即 而 p+ p+ P Vdd Vgd,s Vth 图19 四 种类型的 MOSFET 的剖面图 、输出以 及转移特 性 图20 n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5 nm。
8、图21 n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0.15m CMOS场效应晶体管工艺中的阈值电压下跌特性 短沟道效应Vth roll-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（0.05 V），实线代 表施加高漏极电压（1.5 V）。氧化层厚度d与衬底掺杂NA分别为10 nm 与1016 cm-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27 n沟道MOSFE
9、T 在VDS 0.1、1与4 V时的亚域值特性 图28 CMOS反相器 图29 Ip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30 CMOS 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+ P V=Isub*R Vd Latch-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 图图33 避免闩锁闩锁 可利用重掺杂掺杂
10、外延衬衬底 图图34 典型的a-Si:H TFT结结构 图35 a-Si:H TFT 的亚域值特性（ L/Z=10/60m)场 效应载流子迁移率 为0.23 cm2/V.s 图图36 多晶硅TFT结结构。 图 37 SOI CMOS的剖面图。 图38 n沟道SOI MOSFET的输出kink-off特性:热载流子效应 图图 39 DRAM存储单储单 元的基本结结构 DRAM存储单元 图 40 CMOS SRAM存储单元 的结构图。T1与 T2为负载晶体管 （p沟道），T3 与T4为驱动晶体 管（n沟道）， T5与T6为寻址 晶体管（n沟道 ） SRAM存储单元 图41 非挥发性半导体存储 器1
11、7。（a） 浮栅极非挥发 性存储器，（b） 非挥发 性存储器的等效电路。 FLASH存储单元 图42 （a）n沟 道浮栅极非挥 发性存储器的 热电子注入， （b）单电子存 储单元18。 单电子器件单元 图43 （a）VMOS， （b）UMOS与（c） DMOS功率器件结构 第七章 金半接触和MESFET (a)平面工艺所制 作的金半接触 的透视图。 金半接触的一 维结构 (a) 热平衡情形下 ，一独立金属靠近 一独立n型半导体 的能带图。 (b) 热平衡时金属 半导体接触的能带 图 金属-硅与 金属-GaAs 两种接触 势垒势垒 高度 的测测量值值 不同偏压压情况 下，金属与n 型与p型半导导
12、 体接触的能带带 图图。(a) 热热平 衡，(b) 正向 偏压压，(c) 反 向偏压压。 金属半导导体 接触中的 (a) 电电荷分 布 (b) 电电 场场分布 钨钨-硅与钨钨- 砷化镓镓二极 管的1/C2与 外加电压图电压图 (a) 热热平衡， (b) 正向偏压压， (c) 反向偏压压 热电子发射过程的电流输运 钨-硅与钨-砷 化镓二极管的 正向电流密度 与外加电压图 两种肖特基 二极管的正 向IV特性 比接触电电阻的计计算 与测测量值值比较较。 上方的插图图示意隧 穿过过程。 下方的插图图示意越 过过低势垒势垒 的热电热电 子 发发射 (a) MESFET的透视视 图图。 (b) MESFE
13、T栅栅极区 域的截面图图 在不同偏压压情 形下，MESFET 耗尽层宽层宽 度变变 化与输输出特性 (a)VG=0且 小的VD， (b)VG=0且 为夹断时， (c)VG=0且 在夹断之后 (d)VG= -1V 且小的VD (a) MESFET沟 道区的放大图图。 (b) 沿着沟道的“ 漏极”电压变电压变 化 MESFET归归 一化的理想 电电流-电压电压 特 性 VP = 3.2 V I-V 特性的比较 较 (a) 耗尽型 MESFET (b) 增强型 MESFET 不同种类类 半导导体材 料中，电电 子漂移速 度与电场电场 关系图图 传统传统 MODFET结结构的透视图视图 增强型MODFET 的能带图带图 ： (a) 热热平衡，以及 (b) 沟道形成临临界 点。 其中d1 与d0 分 别为掺杂别为掺杂 与 无掺杂掺杂 的区 域 五种不同 场场效应应晶 体管 截止频频率 与沟道或 栅栅极长长度 关系图图
