半导体器件原理综述课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,半导体器件原理,2024/11/24,2,提纲,半导体中的载流子及其运动,P-N,结的特性,MOS,晶体管工作原理及特性,MOS,晶体管电路基本结构单元及特性,硅平面工艺简介（,E/D NMOS,工艺结构介绍）,2024/11/24,3,半导体中的载流子及其运动,硅单晶,正四面体，金刚石结构，晶体的性质与晶向有关，表面的性质与晶面有关,硅原子最小距离：0.235,nm,晶格常数：0.543089,nm,2024/11/24,4,半导体中的载流子及分布,半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间,导体：,10,-4,cm,绝缘体：,10,10,cm,半导体：10,-4,10,10,cm,导电能力的决定因素,1/nq,n:,载流子的浓度，决定因素,q:,载流子的电荷,:,载流子的迁移率（相差不大）,2024/11/24,5,半导体中的载流子及分布,硅单晶导电性能,硅原子四个价电子，与周围四个原子各出一个电子形成共价键每个原子周围八个电子共价键晶体,热激发价带电子跃迁到导带载流子晶体具有导电性,电子,空穴,Ec,Ev,导带,价带,禁带宽度，,Eg,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,2024/11/24,6,半导体中的载流子及分布,本征半导体中载流子及分布,电子空穴浓度相等,n,i,=n,0,=p,0,=(NvNc),1/2,exp(-Eg/2kT),常温下，硅半导体,n,i,=1.510,10,cm,-3,2.310,5,cm,不能满足要求，需掺杂,施主、受主杂质,施主杂质，可给出一个电子,P,As,受主杂质，可接受一个电子,B,掺有施主杂质的半导体称为,n,型半导体，,掺有受主杂质的半导体称为,p,型半导体,2024/11/24,7,半导体中的载流子及分布,N、P,型半导体杂质能级,N,型半导体,P,型半导体,E,D,=E,C,-E,D,E,A,=E,A,-E,V,E,C,Ev,E,D,E,i,E,Fn,E,C,Ev,E,A,E,i,E,Fp,2024/11/24,8,半导体中的载流子及分布,载流子分布,N,D,大，,E,F,靠近,E,C,，,导带有较多的电子，价带基本填满，空穴很少。,N,A,大，,E,F,越靠近,E,V,，,价带空穴多，很少有电子能跃入导带。,热平衡情况下,npn,i,2,f(E),E,F,E,0.5,1,2024/11/24,9,载流子在电场中的运动,载流子运动,热运动，无规则,电场下的漂移，散射，再加速的过程，平均速度为两次散射之间由电场加速所获得的定向速度。,迁移率,单位电场强度下载流子的漂移速度,影响因素：,有效质量、温度（散射）、杂质散射、,表面散射,2024/11/24,10,载流子在电场中的运动,非平衡载流子,产生原因,光照、热、电等，,nnn,0,主要影响少数载流子,少子复合,多余载流子通过电子空穴复合趋于平衡（直接，间接，表面复合）,扩散,扩散长度,L=（D）,1/2,:,少子寿命,D:,扩散系数,E,FN,E,V,E,C,n,p,h,光照产生非平衡少子,2024/11/24,11,PN,结特性,PN,结形成,电子空穴浓度的巨大差异扩散留下离化施主和受主形成空间电荷区建立电场阻碍扩散扩散与漂移达到平衡统一的费米能级,E,Fn,E,C,E,V,E,C,E,V,E,FP,PN,结能带图,PN,结空间电荷区,E,F,-q,B,N,+,P,+,-,内建电场,漂移电流,扩散电流,x,dn,x,dp,2024/11/24,12,PN,结中载流子的分布,空间电荷区内载流子浓度比起,n、p,区的多子浓度要小的多，好像耗尽了一样，故又称为耗尽区，可以认为载流子浓度很小，可以忽略，空间电荷区电荷密度等于离化施主/受主密度。,PN,结内（热平衡）处处有,npn,i,2,n、p,x,x,dn,x,dp,n,n0,p,n0,n,p0,p,p0,热平衡时,PN,结内载流子分布,N,P,2024/11/24,13,耗尽区,势垒高度,等于半导体费米能级的差,-,q,B,E,FN,-E,FP,用载流子浓度表示为：,-,q,B,kTln（NA,ND/ni2）,可见，势垒高度与掺杂浓度和温度有关。,对于常温的硅材料；通常在0.60.8,eV,势垒宽度,对于,N,+,P,的单边突变结，,N,D,N,A,电中性条件，,x,dn,N,D,=x,dp,N,A,x,dp,x,dn,x,d,x,dp,x,dn,x,dp,(2,s,0,qN,A,B,),1/2,势垒区电荷,Q,B,=qN,A,x,dp,P,N,+,+,-,x,dn,x,dp,E,x,x,V,B,2024/11/24,14,PN,结特性,外加电场为零时,漂移和扩散相抵消，流过,PN,结的净电流为零,。,加正向电压,P,加正，,n,加负，外加电场与内建电场方向相反，漂移减弱，扩散占优，空穴由,p,区注入到,n,区，电子由,n,区注入到,p,区多子扩散。,npn,i,2,正向电流,J,n,V：,外加电压,正偏时耗尽区边缘少子分布,正偏时,PN,结内载流子分布,n、p,x,x,dn,x,dp,n,n0,p,n0,n,p0,p,p0,零偏,正偏,n、p,x,x,dn,x,dp,p,n0,n,p0,2024/11/24,15,PN,结的特性,反向偏置,外加电场与内建电场一致，漂移占优，电子由,p,区注入,n,区，空穴由,n,区注入,p,区（都是少子），电流小。,反向抽取少数载流子，使得耗尽区边缘处少子浓度接近零。,npn,i,2,反向电流,J,R V：,外加电压（反向）,n、p,x,x,dn,x,dp,p,n0,n,p0,n、p,x,x,dn,x,dp,n,n0,p,n0,n,p0,p,p0,零偏,反偏,反偏时耗尽区边缘少子分布,反偏时,PN,结内载流子分布,2024/11/24,16,PN,结的特性击穿,反向电压大到一定程度时，反向电流急剧增加,雪崩击穿,反向强电场载流子动能增加激发电子空穴对进一步激发电子空穴对雪崩击穿,温度升高电子自由程减小碰撞电离率减小击穿电压升高；还与电场和空间电荷区宽度有关，边缘效应和栅调制电场加强使击穿电压降低。,隧道击穿,反向偏压增加能带弯曲价带电子能量超过导带电子电子穿越禁带,温度升高禁带宽度减小击穿电压降低,2024/11/24,17,PN,结特性结电容,外加反向电压，电流很小电压全部降落在耗尽区耗尽区相当于介质,单位面积的电容(单边突变结）,N,+,P,+,-,V,变容二极管用于电子调谐器等,2024/11/24,18,晶体管的工作原理及特性,双极性晶体管简介,结构,发射极（,emitter），,基极（,base)，,集电极（,collector),工作原理（,NPN),Vc,Ic,Ib,Ie,b,Ine,Ipe,Inc,Ipc,N,P,N,+,c,e,2024/11/24,19,晶体管工作原理及特性,MOS,晶体管的结构,栅极（,gate):,早期为铝，现为多晶硅,源、漏（,source、drain）:,背靠背,PN,结,不通。,衬底（,substrate）:NMOS,接地，,PMOS,接高电位，提供反偏。,NMOS,电位,低,者为源极，电位,高,者为漏极,PMOS,电位,高,者为源极，电位,低,者为漏极,P-sub,N,+,N,+,S,D,G,B,N-sub,P,+,P,+,S,D,G,B,NMOS,PMOS,2024/11/24,20,MOS,表面效应（理想结构）,Metal,Insulator,Semiconductor,Vg0,Psub,E,C,E,i,E,Fp,E,V,Vg=0,SiO,2,Metal,Insulator,Semiconductor,Vg0,Psub,E,C,E,i,E,Fp,E,V,Vg0,SiO,2,qV,S,f,E,C,E,i,E,Fp,E,V,Vg0,SiO,2,qV,S,=2,f,Metal,Insulator,Semiconductor,Vg0,Psub,反型电子,耗尽区,Metal,Insulator,Semiconductor,Vg0,Psub,耗尽区,耗尽,反型,2024/11/24,22,MOS,晶体管开启电压,Vt,当栅极施加一定的正电压，表面能带下弯,qV,s,=2qf,时，表面电子和空穴浓度正好与体内相反，表面呈现强反型（,strong inversion）。,此时所对应的栅极电压,Vg,称为开启电压，用,Vt,表示。上述讨论的是理想,MOS,结构体系，实际的开启电压受多种因素的影响：,2,f,：,反型表面势，反型时表面下弯值。加在硅表面与硅体内的电压。,-,Q,B,/C,ox,：,维持,Q,B,所需加的栅压，也就是表面反型是降落在栅与硅表面（,SiO,2,),的电压,ms,：,栅（电极）与硅衬底之间的接触电势差（功函数差）。,-Q,SS,/C,ox,：,抵消栅氧化层与硅表面之间存在界面电荷所需的,Vg,ms,-Q,SS,/C,ox,VFB,平带电压。,注：衬偏调制：,Q,B,，V,T,；N,A,，V,T,衬偏调制效应大,2024/11/24,23,MOS,晶体管的直流特性,当,V,DS,很小时，源漏间导电沟厚度变化不大，源漏之间相等于电阻，,V,DS,增加，,R,ON,减小，电流,I,DS,=2K(V,GS,-V,T,-V,DS,/2)V,DS,2K(V,GS,-V,T,)V,DS,，,随,V,DS,呈线性变化。,当,V,DS,增大时，,I,DS,V,DS,曲线越来越偏离线性，当,V,GS,-V,T,V,DS,时，漏端将不存在导电沟，开始夹断。夹断区电子很少，电阻较大，但有很强的电场，可以把沟道中的电子拉向漏极。夹断后，再增加,V,DS,，,电压主要降落在高阻区，,I,DS,变化不大，趋于饱和，饱和电流,I,DS,=K(V,GS,-V,T,),2,，,电流,V,DS,与无关。,击穿：当,V,GS,Vt,时，不存在导电沟，,V,DS,被耗尽区电荷屏蔽，当,V,DS,增,大到耗尽区电荷不足以屏蔽时源漏穿通。,漏结击穿,沟道长时，漏结击穿；沟道短时，源漏穿通。,次开启（,subthreshold）：V,GS,Vt,MOS,并非绝对不通。,2024/11/24,24,MOS,晶体管的电容,Miller,电容,有反馈作用，对工作速度有很大的影响，比同样值的,C,GS,大得多,V,D,C,GD,G,S,D,等效图,2024/11/24,25,发展中的器件物理问题,Vt,小尺寸效应,短沟效应,L,减小，,Vt,下降,窄沟效应,W,减小，,Vt,上升,强场效应,一般条件，欧姆定律，载流子的漂移速度与电场成正比,强场下，迁移率下降，载流子速度趋于饱和,VS=10,7,cm/sec,热载流子（,hot carrier）,漏端夹断处（,NMOS),影响,Vt,LDD,解决,G,S,D,G,Field,Field,2024/11/24,26,发展中的器件物理问题,静电损伤（,ElectroStatic Damage）/Discharge,MOS,绝缘栅输入静电荷积累栅击穿,输出端也会击穿,加保护器件,电子迁移（,electron immigration）,电流密度大电子撞击原子原子移动导线变细电流密度进一步加大迁移加重断裂,用,Cu,代替,Al,2024/11/24,27,MOS,晶体管电路（基本单元）,开关,单沟,NMOS,开关,高阈值损失，,V,OH,=V,G,-V,T,衬偏调制效应，输出更低,充电慢（高输出时）,CMOS,传输门,结构,没有高阈值损失，也没有低阈值损失，,V,O,=V,I,V,I,V,O,C,G,V,I,V,O,G,P,G,N,2024/11/24,28,MOS,晶体管电路（基本单元）,反相器（非门）,有比反相器,V,I,V,DD,M,L,M,E,V,O,V,DD,M,L,M,E,V,I,V,GG,V,O,V,I,V,DD,M,L,M,