半导体器件与工艺.ppt
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❖non-classical MOSFETs
衬底：SOI CMOS器件 栅， S/D， 沟道 新工作机制
4
Ru Huang, ime, PKU
半导体及其 基本特性
5
Ru Huang, ime, PKU
什么是半导体? 气体、液体、固体、等离子体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分
空穴：Hole，价电子脱离原子束缚 后形成的电子 缺位，可以自由移动，正电的导电载流子
载流子：能够导电的自由粒子
11
Ru Huang, ime, PKU
❖ 电子摆脱共价键的能量 不同的半导体，电子摆脱束缚需要的能量不同
➢ 硅：1.12eV ➢ 锗：原子序数32，对价电子的束缚较弱，0. 78eV ➢ 化合物半导体
大量载流子微观运动表现出来
❖ 电子的运动方式
稳恒运动，具有完全确定的能量：量子态 相应的能量：能级
量子跃迁
21
Ru Huang, ime, PKU
❖ 量子态
半导体中的量子态
➢ 共价键电子 ➢ 摆脱共价键后自由运动的电子 ➢ 掺杂原子可以将电子束缚在周围运动
大量电子在各类量子态中的分布情况：电子 的统计分布
❖ 基本导电性 ❖ 影响导电性的因素
掺杂：杂质的种类和数量 光照等
❖ 导电能力的表征 ❖ 半导体中的载流子
17
Ru Huang, ime, PKU
❖ 导电能力的表征
电导率、电阻率 迁移率
❖均匀导电材料：电阻或电导来表示导电
能力，电场不很强，欧姆定律 ❖ 杂质：半导体的导电
电流不均匀 微分欧姆定律：j＝E＝E/
电导率与杂质浓度的关系
18
Ru Huang, ime, PKU
定量分析
❖ 常温下电子无规则运动：不会形成电流 ❖ 漂移运动：存在电场，由电场作用而产生电子
沿电场方向的运动，产生一定定向速度 ❖ j=nqv，v是平均速度
单位时间通过单位面积的电荷量
❖ j＝E＝E/
❖ v＝uE：u为载流子的迁移率
❖ ＝nqu
Ru Huang, ime, PKU
原子结合形式：共价
键
9
半导体的结合和晶体结构 金刚石结构
立体结构 形成的晶体结构： 具 有 金刚石晶体结构 两个面心立方套在一 起，沿体对角线平移 1/4
原子规则排列成晶格
10
Ru Huang, ime, PKU
半导体中的载流子： 电子和空穴
电子：Electron，价电子脱离共价键束缚 后，成为 自由运动的电子，带负电的导电载流子
7
Ru Huang, ime, PKU
❖ 基本导电性 ❖ 影响导电性的因素
掺杂：杂质的种类和数量 光照等
❖ 导电能力的表征 ❖ 半导体中的载流子
8
Ru Huang, ime, PKU
1. 半导体的结构
大部分半导体材料：共价键晶体
以硅为例，最外层4个电子：价电子：决 定硅的物理化学性质
每两个相邻原子之间有一对 电子，与两个原子核有吸引 作用：共价键
元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体
➢ IV族：SiC, SiGe ➢III-V族：GaAs、InP、GaP, InAs ➢ II-V族: ZnS, ZnSe, CdS
❖ 发展
Ge: 1947-1958, now some research Si: 1962－ III-V族：1970－ 宽禁带半导体： SiC, GaN，1990－ 有机半导体、纳米半导体..….？
➢ 常温下，硅中热运动激发产生的电子、空穴很少， 对硅的导电性影响很小
光照
❖ 常温下硅的导电性
➢ 杂质
13
Ru Huang, ime, PKU
半导体的掺杂
B
As
受主掺杂 III族：B等
Ru Huang, ime, PKU
施主掺杂 V族：P,As,Sb等
14
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。 硅中掺有施主杂质，靠施主提供的电子导电 N型半导体
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。 硅中掺有受主杂质，靠受主提供的空穴导电 P型半导体
施主和受主浓度：ND、NA
15
Ru Huang, ime, PKU
❖ 杂质补偿：
同时有施主、受主
ND－NA ：供导电
16
Ru Huang, ime, PKU
引入迁移率的概念
与n有关
与u有关
➢迁移率：导电能力， 载流子运动速度
19
Ru Huang, ime, PKU
❖ 基本导电性 ❖ 影响导电性的因素
掺杂：杂质的种类和数量 光照等
❖ 导电能力的表征 ❖ 半导体中的载流子
20
Ru Huang, ime, PKU
❖ 以电子为例 ❖ 载流子的统计规律
❖ III-V族化合物半导体
共价键结合 每个III族原子周围有4个V族原子，V族原子周围有4个
III族原子 V族原子把一个电子转移给III族原子，有一定离子性，
结合强度增大 电子脱离共价键束缚需要的能量：1.43eV
12
Ru Huang, ime, PKU
❖电子摆脱共价键的能量
晶体内原子的热运动
金属－半导体接触
MIS结构 —— MOSFET
异质结
超晶格、量子阱等
❖ BJT器件
❖MOSFET基础：原理、特性、模型
长沟MOSFET
短沟MOSFET
3
Ru Huang, ime, PKU
半导体器件方面的课程内容(续)
❖器件发展趋势
scaling down：roadmap bottom up
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1
绝缘体: 小于10-10(cm)-1
• 金属、半导体和绝缘体之间的界限不绝对
半导体中的杂质含量很高：金属性
纯净半导体在低温下的电阻率很低：绝缘性
•ห้องสมุดไป่ตู้从能带及温度特性来区分
6
Ru Huang, ime, PKU
❖ 主要的半导体材料
22
Ru Huang, ime, PKU
❖ 原子中电子的量子态和能级
硅原子的14个电子在三层轨道上运动
半导体器件与工艺
2004年8月
1
Ru Huang, ime, PKU
❖ 半导体器件
IC的基础 数字集成电路建库等 模拟集成电路、射频集成电路设计 侧重工作原理、特性分析、模型
2
Ru Huang, ime, PKU
半导体器件方面的课程内容
❖预备知识：半导体物理
❖半导体器件主要组成模块：
PN结—— BJT
衬底：SOI CMOS器件 栅， S/D， 沟道 新工作机制
4
Ru Huang, ime, PKU
半导体及其 基本特性
5
Ru Huang, ime, PKU
什么是半导体? 气体、液体、固体、等离子体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分
空穴：Hole，价电子脱离原子束缚 后形成的电子 缺位，可以自由移动，正电的导电载流子
载流子：能够导电的自由粒子
11
Ru Huang, ime, PKU
❖ 电子摆脱共价键的能量 不同的半导体，电子摆脱束缚需要的能量不同
➢ 硅：1.12eV ➢ 锗：原子序数32，对价电子的束缚较弱，0. 78eV ➢ 化合物半导体
大量载流子微观运动表现出来
❖ 电子的运动方式
稳恒运动，具有完全确定的能量：量子态 相应的能量：能级
量子跃迁
21
Ru Huang, ime, PKU
❖ 量子态
半导体中的量子态
➢ 共价键电子 ➢ 摆脱共价键后自由运动的电子 ➢ 掺杂原子可以将电子束缚在周围运动
大量电子在各类量子态中的分布情况：电子 的统计分布
❖ 基本导电性 ❖ 影响导电性的因素
掺杂：杂质的种类和数量 光照等
❖ 导电能力的表征 ❖ 半导体中的载流子
17
Ru Huang, ime, PKU
❖ 导电能力的表征
电导率、电阻率 迁移率
❖均匀导电材料：电阻或电导来表示导电
能力，电场不很强，欧姆定律 ❖ 杂质：半导体的导电
电流不均匀 微分欧姆定律：j＝E＝E/
电导率与杂质浓度的关系
18
Ru Huang, ime, PKU
定量分析
❖ 常温下电子无规则运动：不会形成电流 ❖ 漂移运动：存在电场，由电场作用而产生电子
沿电场方向的运动，产生一定定向速度 ❖ j=nqv，v是平均速度
单位时间通过单位面积的电荷量
❖ j＝E＝E/
❖ v＝uE：u为载流子的迁移率
❖ ＝nqu
Ru Huang, ime, PKU
原子结合形式：共价
键
9
半导体的结合和晶体结构 金刚石结构
立体结构 形成的晶体结构： 具 有 金刚石晶体结构 两个面心立方套在一 起，沿体对角线平移 1/4
原子规则排列成晶格
10
Ru Huang, ime, PKU
半导体中的载流子： 电子和空穴
电子：Electron，价电子脱离共价键束缚 后，成为 自由运动的电子，带负电的导电载流子
7
Ru Huang, ime, PKU
❖ 基本导电性 ❖ 影响导电性的因素
掺杂：杂质的种类和数量 光照等
❖ 导电能力的表征 ❖ 半导体中的载流子
8
Ru Huang, ime, PKU
1. 半导体的结构
大部分半导体材料：共价键晶体
以硅为例，最外层4个电子：价电子：决 定硅的物理化学性质
每两个相邻原子之间有一对 电子，与两个原子核有吸引 作用：共价键
元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体
➢ IV族：SiC, SiGe ➢III-V族：GaAs、InP、GaP, InAs ➢ II-V族: ZnS, ZnSe, CdS
❖ 发展
Ge: 1947-1958, now some research Si: 1962－ III-V族：1970－ 宽禁带半导体： SiC, GaN，1990－ 有机半导体、纳米半导体..….？
➢ 常温下，硅中热运动激发产生的电子、空穴很少， 对硅的导电性影响很小
光照
❖ 常温下硅的导电性
➢ 杂质
13
Ru Huang, ime, PKU
半导体的掺杂
B
As
受主掺杂 III族：B等
Ru Huang, ime, PKU
施主掺杂 V族：P,As,Sb等
14
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。 硅中掺有施主杂质，靠施主提供的电子导电 N型半导体
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。 硅中掺有受主杂质，靠受主提供的空穴导电 P型半导体
施主和受主浓度：ND、NA
15
Ru Huang, ime, PKU
❖ 杂质补偿：
同时有施主、受主
ND－NA ：供导电
16
Ru Huang, ime, PKU
引入迁移率的概念
与n有关
与u有关
➢迁移率：导电能力， 载流子运动速度
19
Ru Huang, ime, PKU
❖ 基本导电性 ❖ 影响导电性的因素
掺杂：杂质的种类和数量 光照等
❖ 导电能力的表征 ❖ 半导体中的载流子
20
Ru Huang, ime, PKU
❖ 以电子为例 ❖ 载流子的统计规律
❖ III-V族化合物半导体
共价键结合 每个III族原子周围有4个V族原子，V族原子周围有4个
III族原子 V族原子把一个电子转移给III族原子，有一定离子性，
结合强度增大 电子脱离共价键束缚需要的能量：1.43eV
12
Ru Huang, ime, PKU
❖电子摆脱共价键的能量
晶体内原子的热运动
金属－半导体接触
MIS结构 —— MOSFET
异质结
超晶格、量子阱等
❖ BJT器件
❖MOSFET基础：原理、特性、模型
长沟MOSFET
短沟MOSFET
3
Ru Huang, ime, PKU
半导体器件方面的课程内容(续)
❖器件发展趋势
scaling down：roadmap bottom up
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1
绝缘体: 小于10-10(cm)-1
• 金属、半导体和绝缘体之间的界限不绝对
半导体中的杂质含量很高：金属性
纯净半导体在低温下的电阻率很低：绝缘性
•ห้องสมุดไป่ตู้从能带及温度特性来区分
6
Ru Huang, ime, PKU
❖ 主要的半导体材料
22
Ru Huang, ime, PKU
❖ 原子中电子的量子态和能级
硅原子的14个电子在三层轨道上运动
半导体器件与工艺
2004年8月
1
Ru Huang, ime, PKU
❖ 半导体器件
IC的基础 数字集成电路建库等 模拟集成电路、射频集成电路设计 侧重工作原理、特性分析、模型
2
Ru Huang, ime, PKU
半导体器件方面的课程内容
❖预备知识：半导体物理
❖半导体器件主要组成模块：
PN结—— BJT