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1、Ru Huang,ime,PKU半导体器件与工艺半导体器件与工艺2004年年8月月1Ru Huang,ime,PKUv 半半导体器件体器件?IC的基的基础?数字集成数字集成电路建路建库等等?模模拟集成集成电路、射路、射频集成集成电路路设计?侧重工作原理、特性分析、模型重工作原理、特性分析、模型2Ru Huang,ime,PKU半导体器件方面的课程内容半导体器件方面的课程内容v预备知知识:半:半导体物理体物理 v半半导体器件主要体器件主要组成模成模块:?PN结 BJT?金属半金属半导体接触体接触?MIS结构构 MOSFET?异异质结?超晶格、量子阱等超晶格、量子阱等v BJT器件器件vMOSFE
2、T基基础:原理、特性、模型:原理、特性、模型?长沟沟MOSFET?短沟短沟MOSFET3Ru Huang,ime,PKU半导体器件方面的课程内容半导体器件方面的课程内容(续续)v器件器件发展展趋势?scaling down:roadmap?bottom upvnon-classical MOSFETs?衬底:底:SOI CMOS器件器件?栅,S/D,沟道沟道?新工作机制新工作机制4Ru Huang,ime,PKU 半导体及其半导体及其基本特性基本特性5Ru Huang,ime,PKU固体材料:超固体材料:超导体体:大于大于106(cm)-1 导 体体:106104(cm)-1 半半导体体:10
3、410-10(cm)-1 绝缘体体:小于小于10-10(cm)-1什么是半导体什么是半导体?从从导电特性和特性和机制来分机制来分气体、液体、气体、液体、固体固体、等离子体、等离子体 金属、半金属、半导体和体和绝缘体之体之间的界限不的界限不绝对半半导体中的体中的杂质含量很高:金属性含量很高:金属性纯净半半导体在低温下的体在低温下的电阻率很低:阻率很低:绝缘性性 从能从能带及温度特性来区分及温度特性来区分6Ru Huang,ime,PKUv 主要的半主要的半导体材料体材料?元素半元素半导体,如:体,如:Si、Ge?化合物半化合物半导体体 IV族:族:SiC,SiGeIII-V族族:GaAs、InP
4、、GaP,InAs II-V族族:ZnS,ZnSe,CdSv 发展展?Ge:1947-1958,now some research?Si:1962?III-V族:族:1970?宽禁禁带半半导体:体:SiC,GaN,1990?有机半有机半导体、体、纳米半米半导体体.?7Ru Huang,ime,PKUv 基本基本导电性性v 影响影响导电性的因素性的因素?掺杂:杂质的种的种类和数量和数量?光照等光照等v 导电能力的表征能力的表征 v 半半导体中的体中的载流子流子8Ru Huang,ime,PKU1.半半导体的体的结构构大部分半大部分半导体材料:共价体材料:共价键晶体晶体以硅以硅为例,最外例,最外层
5、4个个电子:价子:价电子:决子:决定硅的物理化学性定硅的物理化学性质每两个相邻原子之间有一对每两个相邻原子之间有一对电子,与两个原子核有吸引电子,与两个原子核有吸引作用:共价键作用:共价键原子原子结合形式:共价合形式:共价键9Ru Huang,ime,PKU半半导体体的的结合和晶体合和晶体结构构金金刚石石结构构立体立体结构构形成的晶体形成的晶体结构:构:具具有有 金金刚石晶体石晶体结构构两个面心立方套在一两个面心立方套在一起,沿体起,沿体对角角线平移平移1/4原子原子规则排列成晶格排列成晶格10Ru Huang,ime,PKU载流子流子:能能够导电的自由粒子的自由粒子电子子:Electron,
6、价,价电子脱离共价子脱离共价键束束缚 后,成后,成为自由运自由运动的的电子,子,带负电的的导电载流子流子空穴空穴:Hole,价,价电子脱离原子束子脱离原子束缚 后形成的后形成的电子子缺位,可以自由移缺位,可以自由移动,正,正电的的导电载流子流子半导体中的载流子:半导体中的载流子:电子和空穴电子和空穴11Ru Huang,ime,PKUv 电子子摆脱共价脱共价键的能量的能量?不同的半不同的半导体,体,电子子摆脱束脱束缚需要的能量不同需要的能量不同 硅:硅:锗:原子序数:原子序数32,对价价电子的束子的束缚较弱,弱,0.78eV 化合物半化合物半导体体vIII-V族化合物半族化合物半导体体?共价共
7、价键结合合?每个每个III族原子周族原子周围有有4个个V族原子,族原子,V族原子周族原子周围有有4个个III族原子族原子?V族原子把一个族原子把一个电子子转移移给III族原子,有一定离子性,族原子,有一定离子性,结合合强度增大度增大?电子脱离共价子脱离共价键束束缚需要的能量:需要的能量:12Ru Huang,ime,PKUv电子子摆脱共价脱共价键的能量的能量?晶体内原子的晶体内原子的热运运动 常温下,硅中常温下,硅中热运运动激激发产生的生的电子、空穴很少,子、空穴很少,对硅的硅的导电性影响很小性影响很小?光照光照v 常温下硅的常温下硅的导电性性 杂质13Ru Huang,ime,PKU半导体的
8、半导体的掺杂掺杂BAs 受受 主主 掺 杂III族:族:B等等 施施 主主 掺 杂V族:族:P,As,Sb等等14Ru Huang,ime,PKU施主和受主施主和受主浓度度:ND、NA施主施主:Donor,掺入半入半导体的体的杂质原子向半原子向半导体中体中 提供提供导电的的电子,并成子,并成为带正正电的离子。的离子。硅中硅中掺有施主有施主杂质,靠施主提供的,靠施主提供的电子子导电N型半型半导体体 受主受主:Acceptor,掺入半入半导体的体的杂质原子向半原子向半导体中体中 提供提供导电的空穴,并成的空穴,并成为带负电的离子。的离子。硅中硅中掺有受主有受主杂质,靠受主提供的空穴,靠受主提供的空
9、穴导电 P型半型半导体体15Ru Huang,ime,PKUv 杂质补偿:?同同时有施主、受主有施主、受主?NDNA:供:供导电 16Ru Huang,ime,PKUv 基本基本导电性性v 影响影响导电性的因素性的因素?掺杂:杂质的种的种类和数量和数量?光照等光照等v 导电能力的表征能力的表征 v 半半导体中的体中的载流子流子17Ru Huang,ime,PKUv 导电能力的表征能力的表征?电导率、率、电阻率阻率?迁移率迁移率v均匀导电均匀导电材料:电阻或电导来表示导电材料:电阻或电导来表示导电能力,电场不很强,欧姆定律能力,电场不很强,欧姆定律v 杂质:半导体的导电杂质:半导体的导电?电流不
10、均匀流不均匀?微分欧姆定律:微分欧姆定律:j EE/?电导率与率与杂质浓度的关系度的关系18Ru Huang,ime,PKUv 常温下常温下电子无子无规则运运动:不会形成:不会形成电流流v 漂移运漂移运动:存在:存在电场,由,由电场作用而作用而产生生电子子沿沿电场方向的运方向的运动,产生一定定向速度生一定定向速度v j=nqv,v是平均速度是平均速度 单位时间通过单位面积的电荷量单位时间通过单位面积的电荷量 v j EE/v vuE:u为载流子的迁移率为载流子的迁移率v nqu?与与n有关有关?与与u有关有关迁移率:导电能力,迁移率:导电能力,载流子运动速度载流子运动速度定量分析定量分析 引引
11、 入入 迁迁 移移 率率 的的 概概 念念19Ru Huang,ime,PKUv 基本基本导电性性v 影响影响导电性的因素性的因素?掺杂:杂质的种的种类和数量和数量?光照等光照等v 导电能力的表征能力的表征 v 半半导体中的体中的载流子流子 20Ru Huang,ime,PKUv 以以电子子为例例v 载流子的流子的统计规律律 大量大量载流子微流子微观运运动表表现出来出来v 电子的运子的运动方式方式?稳恒运恒运动,具有完全确定的能量:量子,具有完全确定的能量:量子态 相相应的能量:能的能量:能级?量子量子跃迁迁 21Ru Huang,ime,PKUv 量子量子态?半半导体中的量子体中的量子态 共
12、价共价键电子子 摆脱共价脱共价键后自由运后自由运动的的电子子 掺杂原子可以将原子可以将电子束子束缚在周在周围运运动?大量大量电子在各子在各类量子量子态中的分布情况:中的分布情况:电子子的的统计分布分布 22Ru Huang,ime,PKUv 原子中原子中电子的量子子的量子态和能和能级?硅原子的硅原子的14个个电子在三子在三层轨道上运道上运动 轨道越高,能量越高道越高,能量越高?量子量子态的能量:取一些特定的能量:取一些特定值?两两层轨道之道之间不存在中不存在中间能量的量子能量的量子态?形象表示:能形象表示:能级图 每一量子每一量子态所取的确定能量:能所取的确定能量:能级 用高低不同的水平横用高
13、低不同的水平横线来表示来表示 每一个量子每一个量子态称称为一个能一个能级 空能空能级:电子子跃迁迁23Ru Huang,ime,PKU半导体中的半导体中的能带能带电子的共有化运动电子的共有化运动轨道交迭:电子可从一个原子转移到相邻的轨道交迭:电子可从一个原子转移到相邻的原子上去原子上去原子组合成晶体:电子的量子态发生质的变原子组合成晶体:电子的量子态发生质的变化,电子穿行于整个晶体的运动化,电子穿行于整个晶体的运动 电子只能在能量相同的量子态之间转移电子只能在能量相同的量子态之间转移 共有化的量子态与原子能级之间存在对应关系共有化的量子态与原子能级之间存在对应关系24Ru Huang,ime,
14、PKU半导体的半导体的能带能带 在同一个原子能在同一个原子能级上上产生的共有化生的共有化运运动多多样可以有各种速度可以有各种速度 从一个原子能从一个原子能级可以演可以演变出出许多共多共有化量子有化量子态 原子能原子能级 能能带一一组密集的能密集的能级:能:能带 禁禁带,带隙隙25Ru Huang,ime,PKU价价带:被被电子填充的能量最高的能子填充的能量最高的能带,价,价电子填充子填充 能量最高能量最高 价价带以上能以上能带基本基本为空空导带:未被未被电子填充的能量最低的能子填充的能量最低的能带禁禁带:导带底与价底与价带顶之之间能能带带隙:隙:导带底与价底与价带顶之之间的能量差的能量差半导体
15、中的能带半导体中的能带(价带、导带和带隙价带、导带和带隙)Si,Ge等晶体中,内等晶体中,内层到最到最外外层价价电子填子填满相相应的能的能带导导 带带价价价价 带带E E E Eg g g g26Ru Huang,ime,PKUv 电子子摆脱共价脱共价键束束缚形成一形成一对电子和空穴子和空穴?电子从价子从价带到到导带的的跃迁迁过程程?导带增加一个增加一个电子、价子、价带增加一个空穴增加一个空穴?禁禁带宽度:度:摆脱共价脱共价键所需的能量所需的能量v 导电的的电子:子:导带中的中的电子子v 导电的空穴:填的空穴:填满的价的价带中出中出现的空能的空能级,实质是价是价带中中电子的子的导电v从低向高能
16、从低向高能级跃迁:吸收能量;反之放出能量迁:吸收能量;反之放出能量 27Ru Huang,ime,PKU杂质能级:杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级:杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级一般处于禁带中杂质能级一般处于禁带中施主能级施主能级V族施主电离能很小族施主电离能很小施主的电离:施主能级施主的电离:施主能级上的电子跃迁到导带上的电子跃迁到导带 受主能级受主能级负电中心束缚空穴负电中心束缚空穴III族受主电离能很小族受主电离能很小受主的电离:价带电子跃迁受主的电离:价带电子跃迁到受主能级,失去空穴的负到受主能级,失去空穴的负电中心电中心施主和受主的补偿施主和受主的补偿28R
17、u Huang,ime,PKUn型半型半导体:主要体:主要电子子导电,有少量空穴,有少量空穴P型半型半导体:主要空穴体:主要空穴导电,有少量,有少量电子子多子:多数多子:多数载流子流子 n型半型半导体:体:电子子p型半型半导体:空穴体:空穴少子:少数少子:少数载流子流子n型半型半导体:空穴体:空穴p型半型半导体:体:电子子晶格热振动晶格热振动 产生产生电子跃迁:产生电电子跃迁:产生电子空穴对子空穴对复合:导带电子落复合:导带电子落入价带空能级入价带空能级热平衡时,电子、热平衡时,电子、空穴浓度维持不变空穴浓度维持不变半导体中少子和多子的平衡(一半导体中少子和多子的平衡(一个基本的载流子统计规律
18、)个基本的载流子统计规律)热平衡:无光照、热平衡:无光照、PN结注入等结注入等29Ru Huang,ime,PKU本征本征载流子流子浓度:度:n=p=ni np=ni2ni与禁与禁带宽度和温度有关度和温度有关本征载流子本征载流子本征半本征半导体:没有体:没有掺杂的半的半导体体本征本征载流子:本征半流子:本征半导体中的体中的载流子流子载流子来源:流子来源:电子空穴子空穴对的的产生生载流子流子浓度度 电 子子 浓 度度 n,空空 穴穴 浓 度度 p30Ru Huang,ime,PKU 非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子在非本征情形在非本征情形:热平衡平衡时:N型半型半导体:体:n大于大于pP
19、型半型半导体:体:p大于大于n31Ru Huang,ime,PKU电中性条件电中性条件:正负电荷之和为正负电荷之和为0p+Nd n Na=0施主和受主可以相互补偿施主和受主可以相互补偿p=n+Na Ndn=p+Nd Na32Ru Huang,ime,PKUn型半型半导体:体:电子子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半型半导体:空穴体:空穴 p Na 电子子 n ni2/Na33Ru Huang,ime,PKU非平衡非平衡载流子流子 由于受外界因素如光、由于受外界因素如光、电的作用,半的作用,半导体体中中载流子的分布偏离了平衡流子的分布偏离了平衡态分布,称分布,称这些偏些偏离平衡分布的离
20、平衡分布的载流子流子为非平衡非平衡(过剩剩)载流子流子公式公式不成立不成立外界因素撤除后,外界因素撤除后,过剩剩载流子复合流子复合34Ru Huang,ime,PKU费米能级费米能级v 费米能米能级:反映:反映电子填充能子填充能带到什么水到什么水平:平:电子子统计规律的一个基本概念律的一个基本概念?从重从重掺杂P型到重型到重掺杂N型半型半导体,填体,填进能能带的的电子逐子逐渐增多,增多,费米能米能级逐逐渐增高增高?费米能米能级画到能画到能带图中,反映中,反映电子填充能子填充能带情况,不代表情况,不代表电子的量子子的量子态?费米能米能级以下基本以下基本 填填满电子子?费米能米能级在禁在禁带中央:
21、本征中央:本征?费米能米能级在禁在禁带上半部:上半部:N型型?费米能米能级在禁在禁带下半部:下半部:P型型Ef反映了电子的占据情况,是系统的化学势反映了电子的占据情况,是系统的化学势35Ru Huang,ime,PKU载流子的统计分布函数载流子的统计分布函数 费米狄拉克分布费米狄拉克分布 量量 子子 的的 统统 计计 分分 布布玻尔兹曼分布玻尔兹曼分布 经经 典典 粒粒 子子 的的 统统 计计 分分 布布E-Ef大于几个大于几个kT时时简化形式简化形式热平衡时电子占据能级热平衡时电子占据能级E的几率的几率36Ru Huang,ime,PKU载流子的输运载流子的输运v 载流子流子输运形成运形成电
22、流流?漂移运漂移运动?扩散运散运动?.非平衡情况下非平衡情况下37Ru Huang,ime,PKU载流子的输运载流子的输运漂移电流漂移电流迁移率迁移率 电阻率电阻率单位电场作用下载流单位电场作用下载流子获得平均速度子获得平均速度反映了载流子在电场反映了载流子在电场作用下输运能力作用下输运能力 载载流流子子的的漂漂移移运运动动:载载流流子子在在电电场场作作用用下下的的运运动动 引引 入入 迁迁 移移 率率 的的 概概 念念迁移率:迁移率:电子和空穴不同电子和空穴不同掺杂浓度影响掺杂浓度影响温度影响温度影响.38Ru Huang,ime,PKUv 载流子在运流子在运动过程中,与晶格、程中,与晶格、
23、杂质、缺陷缺陷发生碰撞,无生碰撞,无规则地改地改变运运动方向,方向,发生散射;生散射;经历一次散射一次散射载流子流子丧失了失了原有定向运原有定向运动速度速度v 载流子的平均漂移速度等于流子的平均漂移速度等于载流子在两流子在两次散射之次散射之间电场力加速力加速获得的平均速度得的平均速度平均自由运动时间平均自由运动时间(平均弛豫时间)(平均弛豫时间)影响迁移率的因素:影响迁移率的因素:有效质量有效质量平均弛豫时间平均弛豫时间39Ru Huang,ime,PKU半半导体中体中载流子的行流子的行为可以等效可以等效为自由粒子,但与自由粒子,但与真空中的自由粒子不同,考真空中的自由粒子不同,考虑了晶格作用
24、后的了晶格作用后的等效粒子。等效粒子。载流子运流子运动状状态的的变化是外力和晶化是外力和晶体体势场共同作用的共同作用的结果果有效有效质量与半量与半导体材料有关体材料有关电子和空穴的电子和空穴的有效质量有效质量m*m*电子的有效质量比空穴小电子的有效质量比空穴小 部分部分III-V族化合物半导体中电子的有效质量更小族化合物半导体中电子的有效质量更小40Ru Huang,ime,PKU平均弛豫时间平均弛豫时间温度和掺杂浓度对迁移率温度和掺杂浓度对迁移率的影响的影响半导体中载流子的散射机制:半导体中载流子的散射机制:晶格散射(晶格散射(热运动引起)热运动引起)电离杂质散射(带电中心对电离杂质散射(带
25、电中心对载流子的吸引、排斥)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,电离杂质散射增强掺杂浓度增大,电离杂质散射增强41Ru Huang,ime,PKU扩散电流扩散电流电子扩散电流:电子扩散电流:空穴扩散电流:空穴扩散电流:爱因斯坦关系爱因斯坦关系:载流子的扩散运动:载流子的扩散运动:载流子在化学势作用下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由载流子非均匀分布引起扩散系数,描述载扩散系数,描述载流子的扩散能力流子的扩散能力42Ru Huang,ime,PKU过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的扩散和
26、复合过剩载流子的复合机制:过剩载流子的复合机制:直接复合、间接复合、直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程过剩载流子的扩散过程扩散长度扩散长度Ln和和Lp:L=(D)1/2如如P型半导体中有电型半导体中有电子从边缘进入,注子从边缘进入,注入保持不变入保持不变电子和空穴在运动过程中电子和空穴在运动过程中相互遭遇而湮灭相互遭遇而湮灭43Ru Huang,ime,PKU描述半导体器件工作的基本方程描述半导体器件工作的基本方程 泊松方程泊松方程 高斯定律高斯定律 描述半导体中静电势的变化规律描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米静电势由本征费米能级能级Ei的
27、变化决定的变化决定能带向下弯,能带向下弯,静电势增加静电势增加44Ru Huang,ime,PKU方程的形式方程的形式1方程的形式方程的形式2电荷电荷密度密度(x)可动的 载流子(n,p)固定的 电离的施主、受主45Ru Huang,ime,PKU 电流连续方程电流连续方程 可动载流可动载流子的守恒子的守恒热平衡时:热平衡时:产生率复合率产生率复合率np=ni2电子:空穴46Ru Huang,ime,PKU 电流密度方程电流密度方程 载流子的输运方程载流子的输运方程在漂移扩散模型中在漂移扩散模型中扩散项漂移项方程形式方程形式147Ru Huang,ime,PKU爱因斯坦关系爱因斯坦关系波耳兹曼
28、关系波耳兹曼关系方程形式方程形式2电子和空穴的准费米势:电子和空穴的准费米势:费米势48Ru Huang,ime,PKUPN结的的结构构有代表性:有代表性:两种载流子两种载流子漂移、扩散、漂移、扩散、产生复合基产生复合基本运动形式本运动形式49Ru Huang,ime,PKU突变结突变结线性缓变结线性缓变结50Ru Huang,ime,PKUv PN结的的单向向导电性:性:P区接正,区接正,N区接区接负?正向正向导电性很好,性很好,电流随流随电压增加迅速增大,增加迅速增大,正向正向电阻小阻小?反向反向导电性差,性差,电流很小,流很小,趋于于饱和,反向和,反向电阻大阻大?反向反向击穿穿v 分析分
29、析?平衡平衡?非平衡非平衡 正向正向 反向反向51Ru Huang,ime,PKU PN结的形成的形成NP空空间电荷区荷区XM空空间电荷区耗尽荷区耗尽层XNXP空空间电荷区荷区为高阻区,因高阻区,因为缺少缺少载流子流子 假设假设P区、区、N区均匀掺杂区均匀掺杂 突变结突变结自建电场引起的电子、自建电场引起的电子、空穴漂移运动与它们空穴漂移运动与它们的扩散运动方向相反,的扩散运动方向相反,直到两者相抵,达到直到两者相抵,达到动态平衡动态平衡52Ru Huang,ime,PKU平衡的平衡的PN结:没有外加偏没有外加偏压能能能能带图带图平衡情况下,费米能级平衡情况下,费米能级一致一致势垒、位垒势垒、位垒P区能带上移是自建场的影区能带上移是自建场的影响,响,P区静电势能高区静电势能高能带按电子能量定能带按电子能量定自建势自建势qVbiN区和区和P区的电势差:区的电势差:自建势自建势53Ru Huang,ime,PKU v 载流子流子浓度分布度分布?在空在空间电荷区,荷区,载流子流子浓度很小,度很小,电荷密荷密度分度分别等于施主和受主等于施主和受主浓度度?电子和空穴被耗尽子和空穴被耗尽?耗尽近似耗尽近似54Ru Huang,ime,PKU55
限制150内