半导体器件原理与工艺(器件)1.

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1、半导体器件 半导体器件原理 秦明 东南大学MEMS教育部重点实验室 Tel:025-83792632 ext.8809 Email:mqin 半导体器件 半导体器件原理 教材: 半导体器件基础，Robert F. Pierret著，黄如等译 ，电子工业出版社 参考书： 半导体器件物理, 刘树林等编著,电子工业出版社 微电子技术基础-双极、场效应晶体管原理，电 子工业出版社，曹培栋编著 半导体器件 半导体器件 1半导体物理基础 2pn结 3BJT 4MOSFET 5JFET/MESFET简介 半导体器件 固态电子学分支之一 微电子学 光电子学 研究在固体（主要是半导体材料上构成 的微小型化器件、

2、电路、及系统的电子学 分支学科 微电子学简介: 半导体物理基础 半导体器件 微电子学研究领域 半导体器件物理 集成电路工艺 集成电路设计和测试 微电子学发展的特点 向高集成度、低功耗、 高性能高可靠性电路方 向发展 与其它学科互相渗透， 形成新的学科领域： 光电集成、MEMS、生 物芯片 半导体物理基础 半导体器件 固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体 什么是半导体？ 半导体及其基本特性 半导体器件 半导体器件 半导体材料的纯度和晶体结构 纯度 极高，杂质1013cm-3 结构 半导体器件 晶体结构 单胞 对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的 最小单元 三维立方单胞 简立方、 体

3、心立方、 面立方 半导体器件 半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge 化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS 原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构成一个正四面体， 具有 金 刚 石 晶 体 结 构 半导体的结合和晶体结构 金刚石结构 半导体器件 密勒(Miller)指数 半导体器件 半导体器件 (111)晶面 原子面密度比 (100)晶面稍高: 7.8 x 1014 atoms / cm2 半导体器件 半导体中的缺陷 点缺陷 弗仑克尔缺陷 肖特基缺陷 线缺陷 位错 半导体器件 +14 半导体的能带与杂质能级 电子的能级是量子化的 n=3 四个电子 n=2 8个电子

4、 n=1 2个电子 Si H 半导体器件 半导体模型 价键模型 空穴 电子 半导体器件 半导体的能带 （价带、导带和带隙 半导体器件 价带：0K条件下被电子填充的能量的能带 导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差 半导体的能带结构 导导 带带 价价 带带 E Eg g 半导体器件 电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子 空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位 电子浓度 空穴浓度 其中NC、NV分别为等效态密度，Ef为费米能级 半导体中的载流子 半导体器件 半导

5、体、绝缘体和导体 半导体器件 载流子的特性 电荷 有效质量 An electron moves with a certain characteristic mass (from F=ma) in vacuum In a solid, F=ma changes, so we can model this change via an “effective” mass 半导体器件 有效质量 在一个电场中，电子和空穴的加速度为 ： 半导体器件 施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As 受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电

6、的空穴， 并成为带正电的离子。如Si中的B N型半导体 P型半导体 BAs 半导体的掺杂 半导体器件 施主和受主的相互补偿 施主能级 受主能级 半导体器件 态密度 根据量子力学，当电子能量为E，且距带边不远时，态 密度为： 半导体器件 费米分布函数 在热平衡条件下，能量为 E的有效状态被电子占据 的几率为 半导体器件 平衡载流子分布 简单用态密度和费米-迪拉克分布函数的 乘积表示： 半导体器件 平衡载流子浓度 导带中的电子浓度： 价带中的空穴浓度： 半导体器件 平衡载流子浓度 如果Ev+3kT=EF=Ec-3kT 半导体器件 n和p的其他变换公式 本征半导体时， 半导体器件 本征载流子浓度 本

7、征费米能级 本征载流子 半导体器件 杂质半导体的载流子浓度 对掺杂半导体， 半导体器件 举例 半导体器件 半导体器件 掺杂半导体 电中性条件： 半导体器件 特殊情况 半导体器件 举例 掺杂浓度分别为(a) 和 的硅 中的电子和空穴浓度？(b) 再掺杂 的Na又是多少？ 半导体器件 载流子浓度与温度的关系 半导体器件 非平衡载流子的产生与复合 半导体中载流子的输运有三种形式： 扩散 漂移 产生和复合 半导体器件 热运动 晶体中的碰撞和散射引起 净速度为零 平均自由时间为 半导体器件 热能和热速度 电子或空穴的平均动能 半导体器件 漂移电流 电流密度 半导体器件 迁移率 单位电场下的平均漂移速度为

8、迁移率 半导体器件 影响迁移率的因素 与散射有关 晶格散射 电离杂质 散射 半导体器件 半导体器件 漂移电流与电导率 电导率 电阻率 半导体器件 电阻率与掺杂的关系 N型半导体 P型半导体 半导体器件 扩散 粒子从高浓度向低浓度区域运动 半导体器件 热探针测量原理 可以用来分辩硅片的导电类型 p-Sin-Si A 热探针 冷探针 电子扩散空穴扩散 半导体器件 扩散电流 半导体器件 半导体内总电流 扩散+漂移 半导体器件 能带弯曲 当材料中存在电场时，能带能量变成位 置的函数 半导体器件 场强 势能 半导体器件 扩散系数和迁移率的关系 考虑非均匀半导体 半导体器件 爱因斯坦关系 在平衡态时，净电

9、流为0 半导体器件 产生和复合 产生 电子和空穴（载流子）被创建的过程 复合 电子和空穴（载流子）消失的过程 产生和复合会改变载流子的浓度，从而间接地影响电流 半导体器件 复合 直接复合 间接复合 Auger复合 半导体器件 产生 直接产生 R-G中心产生 载流子产生 与碰撞电离 半导体器件 过剩载流子和电中性 平衡时 过剩载流子 电中性 ： 半导体器件 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 子为过剩载流子 平衡载流子满足费米狄拉克统计分布 过剩载流子不满足费米狄拉克统计分布 且公式不成立 载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程

10、 过剩载流子 半导体器件 复合寿命 假定光照产生 和 ，如果光突然关 闭， 和 将随时间逐渐衰减直至0， 衰减的时间常数称为寿命 半导体器件 复合 半导体器件 半导体器件 1半导体物理基础 2PN结 3BJT 4MOSFET 5JFET/MESFET简介 半导体器件 PN结杂质分布 PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界 PN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于 更好地理解器件 典型制造过程 半导体器件 PN结杂质分布 下面两种分布在实际器件中最常见也最容易进行 物理分析 突变结: 线性缓变结: 浅结、重掺杂（3um） 或外延的PN结 半导体器件 PN结中的能带 PN

11、半导体器件 内建电势 半导体器件 内建电势 PN结的内建电 势决定于掺杂 浓度ND、NA、 材料禁带宽度 以及工作温度 半导体器件 能带 内建电势 电场 半导体器件 Poisson方程 电荷和电势分布满足Poisson方程 在中性区: 半导体器件 耗尽近似 半导体器件 耗尽层模型 在耗尽区P型一 侧, N型一侧, 半导体器件 突变结耗尽区的电场与电势分布 耗尽近似 Possion方程： 半导体器件 电场分布 积分一次： (x) -xp xn 半导体器件 电势分布 由微分方程： 边界条件： 设在-xp处V=0 xn处V=Vbi 再积分一次： 半导体器件 电势分布 N型侧， X=0处，有 半导体器

12、件 耗尽层宽度 电场随x线性变化，在x=0时达最大值： 半导体器件 耗尽层宽度 半导体器件 VA0条件下的突变结 外加电压全部降落在耗尽区，VA大于0时， 使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区 两侧电压为Vbi-VA 上面的公式中，将Vbi换成Vbi-VA 半导体器件 反偏PN结 反偏电压能改变耗 尽区宽度吗？ 半导体器件 线性缓变结 半导体器件 线性缓变结-1 令V(-W/2)=0, 进一步解出 最大电场 空间电荷区宽度 半导体器件 理想二极管方程 PN结反偏时 半导体器件 理想二极管方程 PN结正偏时 半导体器件 准费米能级 半导体器件 定量方程 基本假设 P型区及N型区掺杂均匀分布，是突

13、变结。 电中性区宽度远大于少于扩散长度。 冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流 子在PN结中一维流动。 空间电荷区宽度远小于少子扩散长度, 不考虑空间电 荷区的产生复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落 在过渡区上。 半导体器件 准中性区的载流子运动情况 稳态时, 假设GL=0 边界条件: 欧姆接触边界 耗尽层边界 半导体器件 边界条件 欧姆接触边界 耗尽层边界(pn结定律) 半导体器件 耗尽层边界 P型一侧 PN 半导体器件 耗尽层边界(续) N型一侧 耗尽层边界处非平衡载流子浓度与 外加电压有关 半导体器件 准中性区载流子浓度 半导体器件 理想二极管方程 求

14、解过程 准中性区少子扩 散方程 求Jp(xn) 求Jn(-xp) J= Jp(xn)+ Jn(-xp) 半导体器件 理想二极管方程(1) 新的坐标: 边界条件: -xp xn 0 x X 半导体器件 空穴电流 一般解 半导体器件 电子电流 P型侧 半导体器件 PN结电流 半导体器件 半导体器件 PN结电流与温度的关系 半导体器件 载流子电流 准中性区多子 电流 半导体器件 与理想情况的偏差 大注入效应 空间电荷区的复合 半导体器件 空间电荷区的产生与复合 正向有复合电流 反向有产生电流 半导体器件 空间电荷区的产生与复合-1 反向偏置时, 正向偏置时, 计算比较复杂 VA愈低，IR-G愈是起支配作用 半导体器件 VAVbi时的大电流现象 串联电阻效应 q/kT Log(I) VA 半导体器件 VAVbi时的大电流现象-1 大注入效应 大注入是指正偏工作时注 入载流子密度等于或高于 平衡态多子密度的工作状 态。pnnno 半导体器件 VAVbi时的大电流现象-2 半导体器件 VAVbi时的大电流现象-3 VA越大, 电流上升变缓 半导体器件 PN结的击穿特性