绪论-半导体器件可靠性物理

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可靠性物理内容简介

内容简介内容简介本书是“电子元器件质量与可靠性技术”从书之一，较全面地论述并介绍了电子元器件可靠性物理的基础知识和失效分析技术。

全书分为四个部分。

首先阐述了电子元器件失效分析中的理论基础，包括有关原子物理学、材料学、化学、冶金学及元器件的基本工作原理，介绍了与元器件失效相关的制造工艺和技术；第二部分论述了失效的物理模型，介绍了失效分析程序、常用的失效分析方法和技术，以及用于失效分析的较先进的微理化分析技术；第三部分结合具体的元器件：微电子器件、阻容元件、继电器及连接器、光电子器件和真空电子器件，以及元器件的引线和电极系统的失效模式和失效机理加以剖析，提出了提高电子元器件可靠性的措施。

最后阐述了元器件静电放电失效的原理和防护；元器件的辐射效应和抗辐射加固技术。

本书供从事各类电子元器件的研制、生产和使用的科技人员、管理人员、质量和可靠性工作者学习与参考，也可供高等学校电子、电工、光电子、真空电子、材料和信息类等相关专业的师生阅读。

图书目录绪论0.1信息时代与电子元器件0.1.121世纪是信息时代0.1.2信息技术的发展趋势0.1.3电子元器件的发展0.2电子元器件的质量和可靠性0.2.1一代器件、一代整机、一代装备0.2.2电子元器件的定义0.2.3电子元器件可靠性物理研究的内容0.2.4电子元器件的质量和可靠性第1章电子元器件的理论基础1.1固体及半导体导电理论简介1.1.1晶体的基本类型1.1.2晶体的结构1.1.3晶体的能带结构1.1.4n型和p型半导体1.1.5载流子的漂移与扩散1.1.6金属热电子发射和接触电势差1.2基础元件1.2.1电阻器1.2.2电感器1.2.3电容器1.3pn结1.3.1pn结的空间电荷区1.3.2pn结的伏安特性1.3.3pn结的势垒电容和扩散电容1.3.4pn结的击穿1.4晶体三极管1.4.1半导体晶体管的发明1.4.2双极（型）晶体管的静态特性1.4.3双极晶体管的频率特性1.5半导体表面概论1.5.1半导体表面效应1.5.2功函数和氧化层电荷1.6mos场效应晶体管（mosfet）1.6.1mos 晶体管的工作原理1.6.2mos晶体管的电流电压方程1.7半导体的光-电子学效应1.7.1内光电效应1.7.2外光电效应1.7.3受激发射1.8真空电子器件基础1.8.1什么是电子1.8.2自由电子在静电场中的运动1.8.3电子在磁场中的运动1.8.4电子在复合电场和磁场中的运动1.9相图1.9.1一元相图1.9.2二元相图1.9.3共晶相图1.9.4包晶反应及其他反应1.10金属膜及金属化层1.10.1金属膜的电阻1.10.2金属—绝缘体（膜）接触1.10.3金属—半导体的欧姆接触习题与思考题笫2章电子元器件的技术基础2.1平面工艺与集成电路2.1.1硅平面型晶体管2.1.2硅平面工艺的特点2.1.3集成电路的出现2.1.4mos晶体管在大规模集成电路中的重要地位2.1.5微电子工艺技术2.2氧化工艺2.2.1sio2膜的特性2.2.2热生长氧化膜制备2.2.3氧化层错2.3刻蚀技术2.3.1刻蚀工艺流程2.3.2抗蚀剂2.3.3曝光技术2.3.4显影工序2.3.5套刻容差2.3.6刻蚀技术2.3.7干法刻蚀工艺的比较2.4扩散法掺杂技术2.4.1微电子技术对掺杂的要求2.4.2固体中的扩散模型和杂质分布2.4.3扩散系数和扩散机制2.4.4微电子技术中的扩散方法2.4.5测量技术2.5离子注入掺杂技术2.5.1离子注入深度和注入浓度分布2.5.2离子注入设备2.5.3注入损伤和退火2.5.4离子注入层的检测2.5.5离子注入与扩散法掺杂工艺的比较2.6晶体外延生长技术2.6.1外延工艺的作用2.6.2外延设备和反应室中的工作状态2.6.3外延的基本原理2.6.4外延掺杂和杂质浓度分布2.6.5外延缺陷及降低缺陷的方法2.6.6其他外延生长技术2.7表面薄膜气相淀积技术2.7.1物理气相淀积（pvd）技术2.7.2化学气相淀积（cvd）技术2.7.3台阶的覆盖问题2.7.4淀积方法的比较2.8清洁处理2.8.1表面污染及来源2.8.2清洁处理方法的分类2.8.3等离子清洗2.9双极集成电路制造工艺2.10cmos集成电路制造工艺2.11低压气体放电和等离子体2.11.1自持放电2.11.2等离子体的产生方法2.11.3气体放电中的物理和化学现象2.12腐蚀2.12.1原电池的电极和电极反应2.12.2电极电势2.12.3电解2.12.4金属的腐蚀和钝化2.12.5原电池的电化学腐蚀2.12.6金属迁移习题与思考题第3章电子元器件失效的物理模型3.1失效与环境应力3.1.1失效的定量判据3.1.2失效的分类3.1.3环境应力与失效3.1.4环境保护设计3.1.5材料的结构与失效3.2失效物理模型3.2.1界限模型3.2.2耐久模型3.2.3应力-强度模型3.2.4反应速度论——阿列里乌斯(arrhenius)模型3.2.5反应速度论——艾林（eyring）模型3.2.6最弱环模型及串联模型3.2.7并联模型和筷子表模型3.2.8累积损伤（疲劳损伤）模型3.3失效模式与失效机理3.3.1失效机理的各种主要原因3.3.2失效机理和失效模式的相关性3.3.3失效模式和失效机理随时间变化3.3.4失效模式和机理与质量等级的关系3.3.5集成电路的质量等级习题与思考题第4章失效分析和破坏性物理分析4.1电子元器件失效分析的目的及作用4.2失效分析工作的流程和通用原则4.2.1失效分析工作的流程4.2.2电子元器件失效分析的一些原则4.3失效分析报告4.3.1失效的数据收集4.3.2失效分析报告内容4.3.3失效分析报告格式4.3.4失效分析报告的审查、处理和应用4.4失效机理的验证试验和失效模式的统计评估4.4.1失效原因和机理的假设及分析4.4.2失效机理验证工作4.4.3估计失效模式的发生概率和危害性4.5电子元器件失效分析的程序4.5.1电子元器件失效分析程序的步骤4.5.2中国军用标准的微电路失效分析程序4.5.3军用标准中微电路失效分析程序的特点4.5.4微电路失效分析程序的比较4.6破坏性物理分析4.6.1破坏性物理分析的目的和试验项目4.6.2破坏性物理分析的作用与失效分析的关系4.6.3破坏性物理分析的方法和程序4.6.4破坏性物理分析案例习题与思考题第5章电子元器件失效分析方法5.1电子元器件失效分析的常用程序及方法5.1.1元器件的解焊技术5.1.2非破坏性的分析方法5.1.3半破坏性的分析方法5.1.4破坏性分析方法5.1.5综合评价和对策5.2失效分析中几种常用方法介绍5.2.1结截面显示方法5.2.2内涂料去除方法5.2.3钝化层等的去除方法5.2.4材料缺陷的显示方法5.2.5扩散管道显示方法5.2.6判断二氧化硅层针孔的几种方法5.2.7微小区域的探测技术5.3从失效器件的电学特性分析失效5.3.1电连接性检测5.3.2端口的伏安特性检测5.3.3引出端之间的电测试5.3.4晶体管异常输出特性曲线5.3.5mos管异常输出特性曲线5.3.6测试分析时应注意的几个问题5.4电子元器件失效分析技术5.4.1光学显微镜分析技术5.4.2红外显微镜分析技术5.4.3显微红外热像仪分析技术5.4.4声学显微镜分析技术5.4.5液晶热点检测技术5.4.6光辐射显微分析技术5.4.7判断失效部位和机理的方法5.5电子元器件失效分析常用设备5.5.1元器件失效分析的常用设备5.5.2国外可靠性失效分析实验室设备情况习题与思考题第6章微分析技术6.1引言6.2电子显微镜和x射线谱仪6.2.1电子束与固体表面的作用6.2.2扫描电镜（sem）6.2.3电子探针ｘ射线显微分析（edx、xes和wdx）6.2.4电子束测试系统（ebt）6.2.5透射电镜（tem）6.3俄歇电子能谱（ａｅｓ）6.3.1俄歇电子能谱仪的工作原理6.3.2俄歇电子能谱在电子元器件失效分析中的应用6.3.3综合性能分析装置6.4二次离子质谱（sims）6.4.1离子质谱仪6.4.2sims在失效分析中的应用6.5光电子能谱6.5.1ｘ射线光电子能谱(xps,esa)6.5.2紫外光电子能谱（ups）6.6卢瑟夫背散射频谱学（rbs）6.7其他微分析技术6.7.1中子活化分析（naa）6.7.2ｘ射线荧光（xrf）6.7.3激光反射（ｌｒ）6.7.4nra和edx6.8检测缺陷的iddq测试技术习题与思考题笫7章在管理工作中的失效分析和失效分析事例7.1电子元器件失效分析事例7.1.1齐纳二极管的失效分析7.1.2功率晶体管的疲劳寿命7.1.3由尘埃引起的开关接点接触不良的分析7.1.4对由硅污染引起的接触不良现象的分析7.1.5短路原因的分析7.1.6开路原因的分析7.1.7特性劣化原因的分析7.1.8钝化层过薄7.1.9氧化层缺陷7.1.10半导体器件内部可动多余物的失效分析7.2失效分析在工程管理中的应用7.2.1电子元器件和vlsi的制造环境7.2.2vlsi 对硅单晶材料的要求7.2.3液体中微粒子的测定7.2.4半导体的表面检测技术习题与思考题第8章电子元器件的电极系统及封装的失效机理8.1金属膜和金属化层的失效机理8.1.1机械损伤8.1.2非欧姆接触和接触电阻过大8.1.3结尖峰与结穿刺的失效8.1.4铝金属化再结构造成器件失效8.1.5氧化层台阶处金属膜断路8.1.6过合金化造成器件失效8.1.7金属化互连线开路的失效定位方法8.2金属的电迁移8.2.1电迁移现象8.2.2电迁移引起的器件失效模式8.2.3提高抗电迁移能力的措施8.2.4vlsi与电迁移8.2.5vlsi中的铜互连技术8.3引线键合的失效机理8.3.1键合工艺差错造成失效8.3.2内引线断裂和脱键8.3.3金属间化合物使au al系统失效8.3.4热循环使引线疲劳而失效8.3.5内涂料应力造成断丝8.3.6键合应力过大造成失效8.3.7引线键合失效的分析技术8.4电子元器件电极系统焊（压）接的失效8.4.1焊接、压接的失效模式8.4.2焊接的主要失效机理8.4.3消除焊接失效和隐患的措施8.5芯片贴装失效机理8.5.1银浆烧结8.5.2合金焊8.5.3有机聚合物粘接8.5.4芯片粘接失效的分析技术8.6电子元器件封装的可靠性8.6.1电子元器件封装的要求和类型8.6.2封装的失效模式8.6.3金属封装的失效机理8.6.4塑料封装的失效机理8.6.5封装失效的分析技术8.7电极系统和封装的腐蚀8.7.1电子元器件外引线的腐蚀8.7.2电子元器件内引线的腐蚀8.8电子元器件的热应力失效8.8.1热应力来源8.8.2热应力失效8.8.3电子元器件的热匹配设计8.9提高电极系统和封装可靠性的基本保证8.9.1封装8.9.2金属8.9.3其他材料8.9.4内部导体8.9.5封装元件材料和镀涂8.9.6器件镀涂工艺8.9.7芯片的镀覆与安装8.9.8零件镀涂工艺8.9.9返工规定（gjb33a中规定）习题与思考题第9章半导体和微电子器件的失效和可靠性9.1微电子器件的失效模式和失效机理9.1.1集成电路主要失效机理9.1.2半导体器件、集成电路失效模式与相应的失效机理9.2微电子器件的表面失效模式与失效机理9.2.1氧化层中的电荷9.2.2二氧化硅层缺陷对器件性能的影响9.2.3二氧化硅中正电荷对器件性能的影响9.2.4硅-二氧化硅的界面陷阱电荷对器件性能的影响9.3vlsi中金属-半导体接触系统的可靠性9.3.1铝—硅接触系统9.3.2硅化物对器件性能的影响及其可靠性问题9.4微电子器件的体内失效模式和失效机理9.4.1热电效应引起器件的失效9.4.2晶体缺陷对器件性能和可靠性的影响9.5微电子电路超薄栅介质的可靠性9.5.1概述9.5.2薄氧化层的与时间相关的介质击穿9.5.3热载流子效应9.6过电应力失效9.6.1过电应力失效及其判定9.6.2过电应力耐量试验9.6.3微电子器件的过电应力失效案例9.7闩锁效应9.7.1闩锁效应及其机理9.7.2闩锁发生条件9.7.3闩锁的检测方法9.7.4cmos电路的防闩锁设计9.7.5cmos电路闩锁失效的案例9.8动态存储器中的软误差9.8.1产生存储器软失效的两种失效机理9.8.2产生软误差的条件9.8.3降低软误差率的方法9.8.4sram中典型问题的解决方法9.9超大规模集成电路的主要失效机理和分析技术9.9.1超大规模集成电路（vlsi）的主要失效机理9.9.2vlsi漏电和短路的主要失效机理和失效定位技术9.9.3vlsi的失效分析技术的发展趋势习题与思考题第10章阻容元件的失效模式和失效机理10.1电阻器的失效模式与失效机理10.1.1电阻器的主要参数和类别10.1.2电阻器常见失效模式与失效机理10.1.3电阻器失效机理分析10.1.4电阻器的失效分析方法10.2电位器的失效模式与失效机理10.2.1电位器的主要参数和分类10.2.2常见失效模式与失效机理分析10.3电容器的失效模式与失效机理10.3.1电容器的主要参数和失效分析程序10.3.2电容器的解剖和分析方法10.3.3电容器失效模式和失效机理10.3.4电容器失效机理分析10.3.5提高电容器可靠性的措施10.3.6电容器失效分析案例10.4厚膜元件及互连线的失效模式与失效机理10.4.1薄膜元件及互连线的失效模式与失效机理10.4.2厚膜元件及互连线的失效模式和失效机理10.4.3混合电路焊接和封装的失效模式与失效机理习题与思考题第11章继电器和连接器的失效机理分析11.1接触元件的可靠性物理11.1.1接触电阻及其失效11.1.2接点粘结失效的类型及原因11.1.3接点的电腐蚀11.2继电器、连接器和开关的失效模式与失效机理11.2.1电磁继电器的失效模式、失效机理11.2.2连接器及开关的失效模式和失效机理11.3继电器与连接器的失效分析11.3.1失效分析的内容11.3.2失效分析的程序11.3.3继电器失效分析示例习题与思考题第12章光电子元器件的可靠性12.1激光器的可靠性12.1.1激光器基本理论12.1.2固体激光器的失效与可靠性12.1.3半导体激光器的失效与可靠性12.1.4气体激光器的失效与可靠性12.2高功率绿光固体激光器的寿命分析12.2.1二极管泵浦绿光固体激光器系统组成及功能12.2.2二极管泵浦绿光固体激光器的寿命分析12.3红外探测器12.3.1光子探测器12.3.2红外探测器的失效12.4光纤传输系统12.4.1光源12.4.2光无源器件12.4.3光器件的发展与应用12.5光电二极管的失效模式和失效机理12.5.1ingaas/inp光电二极管基本工作原理12.5.2pin是光电二极管基本结构图12.5.3基本工艺及技术12.5.4失效分析的常用程序和方法12.5.5主要失效模式和失效机理12.6光缆的失效模式和失效机理12.6.1工作原理12.6.2分类、基本结构及特性12.6.3光缆的工艺过程及技术12.6.4主要失效模式和失效机理12.6.5失效分析常用方法习题与思考题第13章真空电子器件的可靠性13.1真空电子器件的特点和重要性13.1.1真空电子器件的用途和含意13.1.2真空电子器件的基本特点13.1.3真空电子器件的分类13.2微波管的主要参量13.2.1磁控管的简单工作原理13.2.2微波管的性能参量13.3行波管的失效模式和失效机理13.3.1行波管的简单工作原理13.3.2行波管的可靠性13.3.3失效模式及提高可靠性的技术途径13.3.4失效分析案例（3）13.4真空电子器件阴极的可靠性13.4.1阴极发射材料13.4.2目前国内阴极存在的共性问题13.4.3解决目前阴极问题的措施和技术途径习题与思考题第14章电子元器件的静电放电损伤14.1静电的产生与来源14.1.1静电的特性14.1.2静电的产生14.1.3静电的来源：人和尘埃14.2静电放电模型14.2.1人体模型（hbm）14.2.2带电器件模型（cdm）14.2.3电场感应模型（fim）14.2.4机械模型（mm）14.2.5带电芯片模型（ccm）14.3静电放电灵敏度的测量14.3.1静电放电灵敏度（esds）的测量14.3.2静电敏感元器件的分类14.4静电放电失效模式和失效机理14.4.1静电放电失效模式14.4.2静电放电失效机理14.4.3静电放电（esd）损伤的失效分析方法14.4.4静电放电（esd）损伤的失效案例14.5对esd敏感元器件的失效机理和失效模式14.5.1mos结构14.5.2半导体结14.5.3薄膜电阻器14.5.4金属化条14.5.5采用非导电盖板、经过钝化的场效应结构14.5.6压电晶体14.5.7小间距电极14.6防静电放电失效的防护网络设计14.6.1概述14.6.2防护网络基本单元设计规则14.6.3元器件和混合电路的设计规则14.6.4组件设计考虑14.6.5esds元器件保护网络14.6.6输入防护电路的实验研究14.7静电放电失效的防护措施14.7.1防静电工作区（epa）14.7.2eds敏感元器件使用者的防静电措施14.7.3esds元器件包装、运送和储存过程中的防esd措施14.7.4器件使用时的防静电管理14.7.5防静电器材基本配置14.7.6制造集成电路净化间的静电防护习题与思考题第15章电子元器件的辐射效应15.1辐射环境15.1.1核爆炸环境15.1.2空间辐射环境15.2辐射与物质的相互作用15.2.1半导体材料的辐射效应15.2.2绝缘材料的辐射效应15.2.3电子材料在辐射环境中的敏感性15.2.4物质中的辐射效应15.3辐射对电子元器件性能的影响15.3.1辐射对双极器件性能的影响15.3.2辐射对场效应器件性能的影响15.3.3其他电子元器件的辐射效应15.3.4常用半导体分立器件的耐辐射特性15.3.5固态存储器的单粒子效应和多位翻转失效15.4核辐射对微电子电路的影响15.4.1双极集成电路15.4.2cmos集成电路15.4.3几种数字集成电路的抗辐射特性15.4.4模拟和数模混合集成电路15.5电子元器件抗辐射加固技术15.5.1抗辐射加固的一般方法15.5.2双极型晶体管的抗核加固技术15.5.3双极型集成电路的抗辐射加固技术15.5.4mos器件的抗辐射加固技术15.5.5光缆的抗核加固技术15.6核辐射有关专业名词及技术用语习题与思考题附录a部分微分析法一览表附录b两种表面分析方法的性能比较附录c各种表面分析方法的性能比较参考文献序言/前言前言本书是“电子元器件质量与可靠性技术”丛书之一，重点阐述电子元器件失效分析中的理论基础、失效的物理模型、失效分析的方法和技术、剖析电子元器件的失效模型和失效机理、静电放电失效的防护和抗辐射加固技术。

半导体物理与器件ppt课件

2.23
h h K为波数=2π/λ, λ为波长。 2mE 15 P
2.3薛定谔波动方程的应用

2.3.2无限深势阱（变为驻波方程）与时间无关的波动方程为：
2 x 2m 2 E V x x 0 2 x
2.13
由于E有限，所以区域I和III 中：
课程主要内容
固体晶格结构：第一章量子力学：第二章~第三章半导体物理：第四章~第六章半导体器件：第七章~第十三章

1
绪论

什么是半导体
按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围材料电阻率ρ(Ωcm) 导体＜ 10-3 半导体 10-3～109 绝缘体＞109
分别求解与时间无关的波动方程、与时间有关的波动方程可得自由空间中电子的波动方程为：
j j x, t A exp x 2mE Et B exp x 2mE Et

2.22
说明自由空间中的粒子运动表现为行波。沿方向+x运动的粒子： x, t A exp j kx t
18
2.3薛定谔波动方程的应用

无限深势阱（前４级能量）
随着能量的增加，在任意给定坐标值处发现粒子的概率会渐趋一致
19
2.3薛定谔波动方程的应用

2.3.3阶跃势函数
入射粒子能量小于势垒时也有一定概率穿过势垒（与经典力学不同）

20
2.3薛定谔波动方程的应用

2.3.3阶跃势函数 Ⅰ区域 21 x 2mE 2 1 x 0 2.39 2

半导体器件可靠性与失效分析微电子ppt

包括热设计、防静电设计、防辐射设计、布线设计等。
02
失效分析
失效定义与分类
失效定义
器件无法完成其预定功能或性能恶化到无法接受的程度。
失效分类
功能失效和结构失效，按性质可分为软失效和硬失效，按物理效应可分为可恢复失效和不可恢复失效。
失效分析方法
外观检查
电气测试
X射线检测
切片分析
化学成分分析
通过肉眼观察器件外观是否存在明显的缺陷或损伤，如裂纹、变形、烧伤等。
05
案例分析与讨论
典型失效案例分析
案例1
一个高可靠性MEMS压力传感器的失效分析。
案例2
一个微电子电路中的热失效问题。
案例3
一个存储器芯片的突发性失效。
失效预防与可靠性提升措施
预防措施1
采用高可靠性设计和制造技术。
预防措施2
优化芯片封装和测试流程。
预防措施3
重视生产过程中的质量控制。
提升措施1
控制晶圆的几何形状、表面平整度和化学组成，确保晶圆具有一致性和可靠性。
薄膜沉积环节
通过优化工艺参数和选用合适的薄膜材料，提高薄膜的质量和可靠性。
光刻环节
精确控制光刻胶的厚度、光刻掩膜版的质量以及曝光能量等参数，确保器件的尺寸精度和可靠性。
刻蚀环节
通过选用合适的刻蚀气体、功率等参数，确保刻蚀的效果和可靠性。
通过测试器件的电压、电流、电阻等电气参数，判断器件是否存在电气故障。
利用X射线对器件内部进行无损检测，发现微小缺陷和内部结构问题。
通过将器件切割成薄片进行观察和分析，了解器件内部结构和材料的组成及分布情况。
采用光谱分析、质谱分析、能谱分析等方法，检测器件中各元素的种类、含量及分布情况。

半导体物理-绪论

高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，获得物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享另一半奖金。
英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·980－2000年的全球国民生产总值（WGP）及电子、汽车、半导体和钢铁工业的销售量，并外插此曲线到2010年止
太阳能电池、LED，半导体制冷、IC设
计
从上图中可以得知：电子工业和半导体工业已经超过传统的钢铁工业、汽车工业，成为
21世纪的高附加值、高科技的产业。电子工业的高速发展依赖于半导体工业的快速提高，而在半导体工业中其核心是集成电路（电集成、光集成、光电集成），集成电路在性能、集成度、速度等方面的快速发展是以半导体物理、半导体器件、微电子工艺的发展为基础的。
半导体物理-绪论
课程介绍
联想？？？
定位
半导体物理
近年诺贝尔物理学奖
法国科学家阿尔贝·费尔（2007年）德国科学家彼得·格林贝格尔
巨磁电阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。
高锟、威拉德·博伊尔和乔治·史密斯（2009年）
“研究二维材料石墨烯的开创性实验”而共享。2004年制成的石墨烯已迅速成为物理学和材料学的热门话题，现在是世界上最薄的材料，仅有一个原子厚。在改良后，石墨烯致力于塑造低功率电子元件，如晶体管。相比之下，铜线和半导体都会产生电脑芯片75%的能量消耗，人们确定了石墨烯拥有取代硅留名史册的本事。
《科学》：2009年十大科学突破石墨烯微观结构：六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜

半导体物理与器件物理

微电子学研究领域
半导体物理、材料、工艺半导体器件物理集成电路工艺集成电路设计和测试微系统，系统
微电子学发展的特点
向高集成度、高性能、低功耗、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
半导体概要
固体材料：绝缘体、半导体、导体（其它：半金属，超导体）
MEM
Math
Bus
Controller
IO
Graphics
PCB集成工艺无关
系统
亚微米级工艺依赖工艺基于标准单元互连主流CAD:门阵列标准单元
集成电路芯片
世纪之交的系统设计
SYSTEM-ON-A-CHIP
深亚微米、超深亚微米级工艺基于IP复用主流CAD：软硬件协同设计
1970
1980
1990
2000
2010
存储器容量 60%/年每三年，翻两番

1965，Gordon Moore 预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番
1.E+9 1.E+8 1.E+7 1.E+6 1.E +5 1.E+4 1.E+3
’70 ’74 ’78 ’82 ’86 ’90 ’94 ’98 ’2002
Pentium II: 7,500,000
微处理器的性能
100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo
1970 1980 1990 2000 2010
Peak Advertised Performance (PAP)
Moore’s Law
Real Applied Performance (RAP) 41% Growth

半导体器件可靠性与失效分析微电子

可靠性影响因素
制造工艺
制造过程中的缺陷、杂质和结构变化等会影响器件的可靠性。
环境因素
温度、湿度、压力、电磁场等环境因素对器件的可靠性产生影响。
物理特性
器件的物理特性如尺寸、材料、结构等对可靠性有重要影响。
电源和信号条件
电源电压、电流、信号频率和幅度等对器件的可靠性有一定影响。
02
失效分析
失效定义与类型
失效定义
在规定条件下，半导体器件不能维持其特性或功能，称为失效。
失效类型
分为硬失效和软失效。硬失效是指器件物理损坏，如断路、短路或芯片脱落等；软失效是指器件性能下降，如参数漂移、噪声增大或信号丢失等。
失效分析方法
外观检查
电路测试
通过肉眼观察或使用显微镜来检查器件的外观是否有异常，如机械损伤、腐蚀或金属化迁移等。
半导体器件的失效案例分析
热失效案例
01
02
03
失效描述
半导体器件在高温下运行时，其性能会受到影响，导致其参数漂移或功能失效。
原因分析
热失效通常由于热量积聚、散热不良或热膨胀等因素导致。
解决方案
优化器件设计、改善散热条件或采用耐高温材料等。
机械失效案例
失效描述
半导体器件在机械应力或振动条件下运行时，可能会出现裂纹、断裂或脱落等现象。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
扫描电子显微镜（SEM）分析
通过测试电路性能来检查器件是否正常工作，如电压、电流和电阻等参数的测量。
能谱分析（EDS）
利用SEM观察器件表面的微观结构，以确定是否存在缺陷或污染物。
通过EDS检测器件表面的化学成分，以确定是否存在金属污染或氧化等化学问题。

半导体器件的物理原理与可靠性

半导体器件的物理原理与可靠性半导体器件是现代电子技术的基石，它的发展和应用在电子通信、计算机、医疗设备等领域起到了极其重要的作用。

本文将探讨半导体器件的物理原理以及其可靠性。

一、半导体物理原理半导体器件是利用半导体材料的特性制作而成的电子元件。

半导体材料与金属材料和绝缘体材料相比，具有独特的电导特性。

在半导体中，电子的导电行为受到温度和掺杂的影响，同时由于带隙的存在，电子的能量状态也会发生变化。

半导体中的电导性主要来源于载流子，而载流子可以分为两类：电子和空穴。

在纯净的半导体中，电子和空穴的数量大致相等，称之为本征半导体。

当半导体材料被掺杂时，即在纯净半导体中加入少量杂质，就会产生额外的电子或空穴。

这个过程称为掺杂，掺杂分为n型和p型。

在n型掺杂中，掺入杂质的原子具有多余的电子，这些电子将成为半导体中的自由电子，在电场作用下进行移动，因此n型半导体具有较高的电导率。

而在p型掺杂中，掺入杂质的原子会带走半导体中的电子，使原子中形成空位，称为空穴。

空穴具有正电荷，可以在电场的作用下进行移动。

通过n型和p型半导体的结合，可以形成p-n结，这是半导体器件中最基本的结构之一。

在p-n结中，由于电子和空穴的扩散，会形成静止电势差，进而形成内建电场。

内建电场导致了能量位移，使得电子和空穴被迫向另一侧移动。

这种现象被称为漂移，它是半导体器件工作的基础。

半导体器件的其他基本原理包括：禁带宽度、霍尔效应、反向击穿等。

理解这些物理原理对于半导体器件的设计和应用非常重要。

二、半导体器件的可靠性可靠性是指在特定环境和使用条件下，半导体器件能够长期正常工作的能力。

半导体器件的可靠性与其物理原理密切相关。

半导体器件可能会受到温度、湿度、电压等外界因素的影响，这些因素会导致器件的性能衰减甚至失效。

热效应是其中的主要因素之一。

在半导体器件中，电子的能量和温度之间存在着密切的关系。

当半导体器件长期工作时，内部电阻会产生热量，如果不能进行有效的散热，温度将会上升。

半导体器件的物理原理与性能分析

半导体器件的物理原理与性能分析半导体器件是现代电子技术的基础，广泛应用于通信、计算机、光电子等领域。

本文将介绍半导体器件的物理原理和性能分析，并探讨其在实际应用中的重要性。

一、半导体器件的物理原理半导体器件的物理原理可以通过固体电子学来解释。

半导体是指具有介于导体和绝缘体之间的电导率的材料。

其电导率取决于其电子能带结构和掺杂情况。

1. 能带结构：半导体材料的导电行为与其能带结构密切相关。

半导体的能带分为价带和导带。

在绝缘体中，价带和导带之间存在带隙，即禁带宽度。

而在半导体中，带隙较小，一部分电子能够通过能带跃迁从价带进入导带，从而实现导电。

2. 掺杂：通过对半导体材料进行掺杂，可以改变其导电性能。

掺杂分为两种类型：n型和p型。

n型半导体是指将杂质元素掺入半导体中，增加自由电子浓度，使其成为导电性能较好的材料。

而p型半导体则是通过在半导体中掺入杂质，增加空穴浓度，使其成为导电性能较好的材料。

二、半导体器件的性能分析半导体器件的性能分析是评估其在实际应用中的表现和可靠性。

主要包括以下几个方面：1. 电学性能：电学性能是判断半导体器件性能的重要指标之一。

包括导通电阻、关断电阻、电流承受能力、电流驱动能力等。

不同的应用领域对电学性能的要求不同，因此需要通过性能测试和模拟计算来评估其适用性。

2. 热学性能：半导体器件在工作过程中会产生热量，而热量的积累会影响器件的性能和寿命。

因此，对于高功率应用而言，热学性能尤为重要。

热学性能主要包括热阻、热容、热导率等指标，通过热仿真和实验测试可以评估其散热效果和温度控制能力。

3. 可靠性：半导体器件的可靠性是指其在长时间工作中的稳定性和耐用性。

可靠性评估通常包括温度老化实验、震动实验、湿热实验等。

通过这些实验可以模拟出实际工作环境，评估器件的可靠性水平。

4. 尺寸和成本：随着电子设备的迅速发展，对半导体器件的尺寸要求越来越小，成本要求也越来越低。

因此，设计和制造高性能的小型化、低成本的器件成为半导体产业的关键目标。

《半导体器件物理》课件

《半导体器件物理》PPT课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成，它们之间存在一个禁带。当电子从价带跃迁到导带时，需要吸收或释放能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道和P沟道两种类型，其结构包括源极、漏极和栅极。
场效应晶体管在放大、开关、模拟电路等中应用广泛，具有功耗低、稳定性高等优点。
当栅极电压变化时，导电沟道的开闭状态会相应改变，从而控制漏极电流的大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性

半导体物理与器件课件教学PPT 作者裴素华第1章半导体材料的基本性质

ni 2
因此半导体两种载流子浓度的乘积等于它的本质载流子浓度的平方.
3.本征载流子浓度与本征费米能级右图为 Si和GaAs中本征载流子浓度与温度倒数间的关系
1.4 杂质半导体与杂质半导体的载流子浓度
1.4.1 N型半导体与P型半导体

N型半导体:在纯净的本征半导体材料中掺入施主杂质后，施主杂质电离放出大量能导电的电子，使这种半导体的电子浓度n大于空穴浓度p，把这种主要依靠电子导电的半导体称为N型半导体，如图a所示。 P 型半导体：在纯净的本征半导体材料中掺入受主杂质后，受主杂质电离放出大量能导电的空穴，使这种半导体的空穴浓度p大于电子浓度n，把这种主要依靠空穴导电的半导体称为P 型半导体，如图b所示。
E ' FN E ' FP np n0 p0 exp T
E ' FN E ' FP n 2i exp T
N型半导体小注入前后准费米能级偏离费米能级的程度 a）小注入前 b）小注入后
1.6载流子的漂移运动
半导体导带电子和价带空穴是可以参加导电的，它们的导电性表现在当有外加电场作用在半导体上的时候，导带电子和价带空穴将在电场作用下作定向运动，传导电流，我们把该运动称为载流子的漂移运动。
本征半导体是指完全纯净的结构完整的不含任何杂质和缺陷的半导体.
半导体填充能带的情况 a）T=0K b） T>0K

本征半导体导带电子和价带空穴均能在外加电场作用下,产生定向运动形成电流,把上述两种荷载电流的粒子称为半导体的俩种载流子. 导带电子浓度和价带空穴浓度永远相等,这是本征半导体导电机构的一个重要特点.
vn = -

第11章半导体器件使用的可靠性.

第十一章半导体器件使用的可靠性1*半导体器件使用中的可靠性问题一．正确使用半导体器件的重要性半导体器件失效原因，不仅来自于器件本身的固有可靠性因素，而且还取决于用户所选择电路的工作条件/实装条件/环境极其它各种使用条件等。

使用不当是造成器件失效的主要原因之一，并且常常与违反技术标准文件的要求有关。

半导体器件可靠性是一个综合指标，它取决于许多相互联系因素的组合。

它们的可靠性等级，总的来说是在设计阶段形成，在制造阶段得到保障，在使用阶段得到保持的。

因此半导体器件的可靠性不仅取决于固有可靠性，而且与使用正确与否密切相关。

固有可靠性包含设计可靠性和制造可靠性，它是可靠性的基础，但使用可靠性同样很重要，尤其是在器件固有可靠性得到较大提高的情况下，使用不当的问题更为突出。

例如美国“罗姆航空研究中心”公布的两批失效分析数据，可以清楚地说明这一问题，情况如表11-1和表11-2所示。

其中，表11-1的“电学超应力”一项占56.8%，表11-2的电学和机械超应力占23%，排除故障中损坏占13%（两项共计36%）。

它们均属于使用不当造成，也就是说属于使用的可靠性问题。

使用可靠性取决于人为因素和使用与维护的程序及设备等。

由于目前出现在使用可靠性方面的问题愈来愈多，因此使用可靠性的研究也日益受到重视，并且发展成为一门学科----人为工程。

把人为工程的原理应用于系统设计/研制/制造/试验/维修和系统或辅助系统的操作上，可以最大限度地减少人为差错造成的可靠性损失。

存在的问题逐渐在上升，有的已经上升为主要矛盾之一（晶体管和小规模集成电路比较突出）。

为了提高半导体器件的使用可靠性，本章将介绍一些在系统设计/器件装配和保管等方面应予注意的事项。

二．半导体器件的选择与控制1．半导体器件的选择与控制是多学科的任务。

它需要器件工程师/失效分析工程师/可靠性工程师和设计工程师门的共同努力完成。

器件控制活动占器件选择/应用和采购等全部工作的一大部分。

半导体器件绪论共48页

23.07.2019
半导体器件物理
25
中国科学技术大学物理系微电子专业
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半导体器件物理
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中国科学技术大学物理系微电子专业
Building Blocks for Nanoelectronics
Quantum Dots Nanowires Carbon Nanotubes
Advantages for one-dimensional nanostructures: Atomic precision available via chemical synthesis; Easy to wire up (compared to quantum dots); Rich and versatile properties.
1 cm
Transistor
1 mm
Integrated circuits
VLSI
10 nm
1A
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Molecular dimensions
1950 1970 1990 2019 2030
Year
半导体器件物理
From Intel
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中国科学技术大学物理系微电子专业
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0 -4 -2 0 2 4
Vg (V)
0.5
0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Vin(V) One of the first integrated systems made of carbon nanotubes.

半导体器件原理绪论

晶体结构----单晶半导体材料
晶体中原子的周期性排列称为晶格，整个晶格可以用
单胞来描述，重复单胞能够形成整个晶格。三种立方晶体单胞
金属原子分布在立方体的八个角上，且每个原子都有六个等距的邻近原子。
八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心。每一个原子有八个最邻近原子。
硅、锗都是由单一原子所组成的元素半导体，均为周期表第IV族元素。 20世纪50年代初期，锗曾是最主要的半导体材料； 60年代初期以后，硅已取代锗成为半导体制造的主要材料。
周期 2 3 Mg
镁
II
III B
硼
IV C
炭
V N
氮
VI
Al
铝
Si
硅
P
磷
S
硫
4 5 6
Zn
锌
Ga
镓
Ge
锗
As
砷
Se
导带或者被部分填充，或者与价带重叠。很容易产生电流。
金属：不含禁带，半导体：含禁带，绝缘体：禁带较宽
§1.4 半导体中的载流子
载流子：能够自由移动的电子和空穴；
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。
§1.1 半导体材料
§1.2 晶体结构
§1.3 能带 §1.4 半导体中的载流子 §1.5 半导体掺杂 §1.6 半导体中的载流子及其输运
§1.7 半导体中的光电特性
半导体物理基础
§1.1 半导体材料
1、什么是半导体？ Semiconductor 固体材料从导电特性上分成：超导体、导体、半导体、绝缘体

半导体器件半导体器件的可靠性研究

半导体器件半导体器件的可靠性研究半导体器件的可靠性研究随着信息技术的飞速发展，半导体器件已经广泛应用于电子、计算机、通讯、医疗仪器等领域。

半导体器件较传统的电子器件具有高速性、高频性、小型化、低功耗等优点，但也存在着可靠性问题。

半导体器件可靠性研究是半导体工业不可或缺的一环，本文对半导体器件可靠性研究进行简要探讨。

半导体器件可靠性的概念半导体器件的可靠性是指其在长期工作条件下，保持其基本性能的能力。

半导体器件可靠性研究是对半导体器件在整个生命周期内的各种环境因素、力因素及生产因素的影响进行分析和判断，以确保产品能够在一定时间内保持拟定的既定使用寿命。

半导体器件可靠性研究的主要内容有：可靠性测试、可靠性建模、可靠性预测与设计。

半导体器件可靠性测试半导体器件可靠性测试是指对半导体器件在各种应力作用下，进行不断测试和分析，以在较短时间内评估半导体器件的可靠性水平。

半导体器件的可靠性测试主要分为加速寿命测试和环境应力测试两种。

加速寿命测试是模拟半导体器件在实际使用过程中所受到的各种应力因素，在较短时间内加强半导体器件的应力，以模拟半导体器件在实际使用过程中的寿命。

环境应力测试则是对半导体器件在实际使用过程中所受到的各种环境影响进行模拟和测试，以评估半导体器件在不同环境下的可靠性指标。

半导体器件可靠性建模半导体器件可靠性建模是在可靠性测试数据的基础上，建立半导体器件可靠性预测模型，以预测未来半导体器件的寿命和可靠性。

主要涉及的内容有可靠性分析、失效机理研究和可靠性模型建立。

可靠性分析是指对半导体器件的各种失效情况进行分析和评估，以判断半导体器件的可靠性水平。

失效机理研究则是探究半导体器件在长期使用过程中逐渐出现的各种失效情况，以达到预测半导体器件寿命和可靠性的目的。

可靠性模型建立则是建立半导体器件失效与时间、应力因素、环境因素等相关参数之间的数学模型，以实现对半导体器件寿命和可靠性的精确预测。

半导体器件可靠性预测与设计半导体器件可靠性预测与设计是指在可靠性测试和可靠性建模的基础上，通过引入可靠性修正因子、模拟失效机理、优化器件结构等方式，对半导体器件的可靠性进行修正和优化设计。

半导体器件可靠性与失效分析微电子ppt课件

及其他因素相互作用下移动并在线内形成孔隙或裂纹的现象原因：电场作用下金属离子扩散所致，不同材料机制不同：焊点：晶格扩散铝互连线：晶界扩散铜互连线：表面扩散
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驱动力：电子与离子动量交换和外电场产生的综合力、非平衡态离子浓度产生的扩散力、机械应力、热应力
影响因素：几何因素：长度、线宽、转角、台阶、接触孔等材料性质：铜最好、铝较差、铝铜合金介于其中
塑封件因吸收过多潮气，在受热例如焊接过程中出现分层(爆米花现象)； BGA封装中，模塑料与基体界的界面及粘胶处易发生水汽爆裂。
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• 应力迁移(Stress Migration) 引子：铜互连替代铝互连，虽然铜的电阻率
较低，抗电迁移和应力迁移能力强，但应力迁移诱生空洞，导致电阻增大甚至完全断裂
关于混合集成电路：
• 按制作工艺，可将集成电路分为:
1.半导体集成电路(基片：半导体) 即:单片集成电路(固体电路) 工艺:半导体工艺(扩散、氧化、外延等)
2. 膜集成电路(基片：玻璃、陶瓷等绝缘体) 工艺：薄膜集成电路真空蒸镀溅射化学气相沉积技术厚膜集成电路浆料喷涂在基片上经烧结而成(丝网印刷技术)
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插孔周边绝缘介质有较深的插痕
(孔学东,恩云飞主编的电)
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偏离的半圆夹片根部有裂纹
(孔学飞主编的电)
32
• 蠕变----材料在长时间恒温、恒压下，即使应力没有达到屈服强度，也会慢慢产生塑性变形的现象
33
蠕变导致焊点断裂
34
• 脆性断裂当应力超过某一值时，陶瓷、玻璃和硅等脆性材料易发生脆性断裂。断裂一般发生在有初始裂纹和刻痕的地方，当原有裂纹扩展到器件的有源区时，器件将失效。