1、半導(dǎo)體器件原理2022/7/162提綱半導(dǎo)體中的載流子及其運(yùn)動(dòng)P-N結(jié)的特性MOS晶體管工作原理及特性MOS 晶體管電路基本結(jié)構(gòu)單元及特性硅平面工藝簡(jiǎn)介（E/D NMOS工藝結(jié)構(gòu)介紹）2022/7/163半導(dǎo)體中的載流子及其運(yùn)動(dòng)硅單晶 正四面體，金剛石結(jié)構(gòu)，晶體的性質(zhì)與晶向有關(guān)，表面的性質(zhì)與晶面有關(guān) 硅原子最小距離：0.235nm 晶格常數(shù)：0.543089nm 2022/7/164半導(dǎo)體中的載流子及分布半導(dǎo)體的電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間導(dǎo)體：10-4cm絕緣體： 1010cm半導(dǎo)體： 10 -4 1010cm導(dǎo)電能力的決定因素 1/nq n:載流子的濃度， 決定因素q:載流子的電荷:載流子的

2、遷移率 （相差不大）2022/7/165半導(dǎo)體中的載流子及分布硅單晶導(dǎo)電性能硅原子四個(gè)價(jià)電子，與周圍四個(gè)原子各出一個(gè)電子形成共價(jià)鍵每個(gè)原子周圍八個(gè)電子共價(jià)鍵晶體熱激發(fā)價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶載流子晶體具有導(dǎo)電性電子空穴EcEv導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶寬度， EgSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi2022/7/166半導(dǎo)體中的載流子及分布本征半導(dǎo)體中載流子及分布電子空穴濃度相等 ni=n0=p0 =(NvNc)1/2 exp(-Eg/2kT)常溫下，硅半導(dǎo)體ni=1.51010cm-32.3105cm不能滿足要求，需摻雜施主、受主雜質(zhì)施主雜質(zhì)，可給出一個(gè)電子P,As受主雜質(zhì)，可接受一

3、個(gè)電子B摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體，摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體2022/7/167半導(dǎo)體中的載流子及分布N、P型半導(dǎo)體雜質(zhì)能級(jí)N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體ED=EC-EDEA=EA-EVECEvEDEiEFnECEvEAEiEFp2022/7/168半導(dǎo)體中的載流子及分布載流子分布ND大，EF 靠近EC，導(dǎo)帶有較多的電子，價(jià)帶基本填滿，空穴很少。NA大，EF越靠近EV，價(jià)帶空穴多，很少有電子能躍入導(dǎo)帶。熱平衡情況下 npni2f(E)EFE0.512022/7/169載流子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)載流子運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)，無規(guī)則電場(chǎng)下的漂移，散射，再加速的過程，平均速度為兩次散射之間由電場(chǎng)加速所獲得的定

4、向速度。遷移率單位電場(chǎng)強(qiáng)度下載流子的漂移速度影響因素：有效質(zhì)量、溫度（散射）、雜質(zhì)散射、表面散射2022/7/1610載流子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)非平衡載流子產(chǎn)生原因光照、熱、電等 ，nnn0主要影響少數(shù)載流子少子復(fù)合多余載流子通過電子空穴復(fù)合趨于平衡（直接，間接，表面復(fù)合）擴(kuò)散擴(kuò)散長度 L=（D）1/2:少子壽命D:擴(kuò)散系數(shù)EFNEVECnph光照產(chǎn)生非平衡少子2022/7/1611PN結(jié)特性PN結(jié)形成電子空穴濃度的巨大差異擴(kuò)散留下離化施主和受主形成空間電荷區(qū)建立電場(chǎng)阻礙擴(kuò)散擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)EFnECEVECEVEFPPN結(jié)能帶圖PN結(jié)空間電荷區(qū)EF-qBN+P+-內(nèi)建電場(chǎng)漂移電流擴(kuò)

5、散電流xdnxdp2022/7/1612PN結(jié)中載流子的分布空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度比起n、p區(qū)的多子濃度要小的多，好像耗盡了一樣，故又稱為耗盡區(qū)，可以認(rèn)為載流子濃度很小，可以忽略，空間電荷區(qū)電荷密度等于離化施主/受主密度。PN結(jié)內(nèi)（熱平衡）處處有npni2n、pxxdnxdpnn0pn0np0pp0熱平衡時(shí)PN結(jié)內(nèi)載流子分布NP2022/7/1613耗盡區(qū)勢(shì)壘高度等于半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)的差-qBEFN-EFP用載流子濃度表示為：-qBkTln（NAND/ni2）可見，勢(shì)壘高度與摻雜濃度和溫度有關(guān)。對(duì)于常溫的硅材料；通常在0.60.8 eV勢(shì)壘寬度對(duì)于N+P的單邊突變結(jié)，NDNA電中性條件，xdnN

6、D=xdpNA xdp xdnxd xdp xdn xdp(2s0qNAB)1/2勢(shì)壘區(qū)電荷QB=qNAxdpPN+-xdnxdpExxVB2022/7/1614PN結(jié)特性外加電場(chǎng)為零時(shí)漂移和擴(kuò)散相抵消，流過PN結(jié)的凈電流為零。加正向電壓P加正，n加負(fù)，外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，漂移減弱，擴(kuò)散占優(yōu)，空穴由p區(qū)注入到n區(qū)，電子由n區(qū)注入到p區(qū)多子擴(kuò)散。npni2正向電流Jn V：外加電壓正偏時(shí)耗盡區(qū)邊緣少子分布正偏時(shí)PN結(jié)內(nèi)載流子分布n、pxxdnxdpnn0pn0np0pp0零偏正偏n、pxxdnxdppn0np02022/7/1615PN結(jié)的特性反向偏置外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)一致，漂移占優(yōu)，電

7、子由p區(qū)注入n區(qū)，空穴由n區(qū)注入p區(qū)（都是少子），電流小。反向抽取少數(shù)載流子，使得耗盡區(qū)邊緣處少子濃度接近零。npni2反向電流JR V： 外加電壓（反向）n、pxxdnxdppn0np0n、pxxdnxdpnn0pn0np0pp0零偏反偏反偏時(shí)耗盡區(qū)邊緣少子分布反偏時(shí)PN結(jié)內(nèi)載流子分布2022/7/1616PN結(jié)的特性擊穿反向電壓大到一定程度時(shí)，反向電流急劇增加雪崩擊穿反向強(qiáng)電場(chǎng)載流子動(dòng)能增加激發(fā)電子空穴對(duì)進(jìn)一步激發(fā)電子空穴對(duì)雪崩擊穿溫度升高電子自由程減小碰撞電離率減小擊穿電壓升高；還與電場(chǎng)和空間電荷區(qū)寬度有關(guān)，邊緣效應(yīng)和柵調(diào)制電場(chǎng)加強(qiáng)使擊穿電壓降低。隧道擊穿反向偏壓增加能帶彎曲價(jià)帶電子能量

8、超過導(dǎo)帶電子電子穿越禁帶溫度升高禁帶寬度減小擊穿電壓降低2022/7/1617PN結(jié)特性結(jié)電容外加反向電壓，電流很小電壓全部降落在耗盡區(qū)耗盡區(qū)相當(dāng)于介質(zhì)單位面積的電容(單邊突變結(jié)）N+P+-V變?nèi)荻O管用于電子調(diào)諧器等2022/7/1618晶體管的工作原理及特性雙極性晶體管簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)發(fā)射極（ emitter），基極（base)，集電極（collector)工作原理 （NPN)VcIcIbIebIneIpeIncIpcNPN+ce2022/7/1619晶體管工作原理及特性MOS晶體管的結(jié)構(gòu)柵極（gate):早期為鋁，現(xiàn)為多晶硅源、漏（source、drain）:背靠背PN結(jié),不通。襯底（subst

9、rate）:NMOS接地，PMOS接高電位，提供反偏。 NMOS電位低者為源極，電位高者為漏極PMOS電位高者為源極，電位低者為漏極P-subN+N+SDGBN-subP+P+SDGBNMOSPMOS2022/7/1620MOS表面效應(yīng)（理想結(jié)構(gòu)）MetalInsulatorSemiconductorVg0PsubECEiEFpEVVg=0SiO2MetalInsulatorSemiconductorVg0PsubECEiEFpEVVg0SiO2qVSfECEiEFpEVVg0SiO2qVS=2fMetalInsulatorSemiconductorVg0Psub反型電子耗盡區(qū)MetalIns

10、ulatorSemiconductorVg0Psub耗盡區(qū)耗盡反型2022/7/1622MOS晶體管開啟電壓Vt當(dāng)柵極施加一定的正電壓，表面能帶下彎qVs=2qf時(shí)，表面電子和空穴濃度正好與體內(nèi)相反，表面呈現(xiàn)強(qiáng)反型（strong inversion）。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵極電壓Vg稱為開啟電壓，用Vt表示。上述討論的是理想MOS結(jié)構(gòu)體系，實(shí)際的開啟電壓受多種因素的影響：2f：反型表面勢(shì)，反型時(shí)表面下彎值。加在硅表面與硅體內(nèi)的電壓。-QB/Cox：維持QB所需加的柵壓，也就是表面反型是降落在柵與硅表面（SiO2)的電壓ms：柵（電極）與硅襯底之間的接觸電勢(shì)差（功函數(shù)差）。-QSS/Cox：抵消柵氧化層

11、與硅表面之間存在界面電荷所需的Vgms -QSS/CoxVFB, 平帶電壓。注：襯偏調(diào)制：QB，VT；NA，VT襯偏調(diào)制效應(yīng)大2022/7/1623MOS晶體管的直流特性當(dāng)VDS很小時(shí)，源漏間導(dǎo)電溝厚度變化不大，源漏之間相等于電阻，VDS增加，RON減小，電流 IDS=2K(VGS-VT-VDS/2)VDS 2K(VGS-VT)VDS，隨VDS呈線性變化。當(dāng)VDS增大時(shí)， IDS VDS曲線越來越偏離線性，當(dāng)VGS-VTVDS時(shí)，漏端將不存在導(dǎo)電溝，開始夾斷。夾斷區(qū)電子很少，電阻較大，但有很強(qiáng)的電場(chǎng)，可以把溝道中的電子拉向漏極。夾斷后，再增加VDS， 電壓主要降落在高阻區(qū)，IDS變化不大，趨于

12、飽和， 飽和電流IDS=K(VGS-VT) 2，電流VDS與無關(guān)。擊穿：當(dāng)VGSVt時(shí)，不存在導(dǎo)電溝，VDS被耗盡區(qū)電荷屏蔽，當(dāng)VDS增大到耗盡區(qū)電荷不足以屏蔽時(shí)源漏穿通。漏結(jié)擊穿溝道長時(shí)，漏結(jié)擊穿；溝道短時(shí)，源漏穿通。次開啟（subthreshold）：VGSVt, MOS 并非絕對(duì)不通。2022/7/1624MOS晶體管的電容Miller電容有反饋?zhàn)饔?，?duì)工作速度有很大的影響，比同樣值的CGS大得多VDCGDGSD等效圖2022/7/1625發(fā)展中的器件物理問題Vt小尺寸效應(yīng)短溝效應(yīng) L減小，Vt下降窄溝效應(yīng) W減小，Vt上升強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)一般條件，歐姆定律，載流子的漂移速度與電場(chǎng)成正比強(qiáng)場(chǎng)下，

13、遷移率下降，載流子速度趨于飽和 VS=107cm/sec熱載流子（hot carrier）漏端夾斷處（NMOS)影響VtLDD 解決GSDGFieldField2022/7/1626發(fā)展中的器件物理問題靜電損傷 （ElectroStatic Damage）/DischargeMOS絕緣柵輸入靜電荷積累柵擊穿輸出端也會(huì)擊穿加保護(hù)器件電子遷移 （electron immigration）電流密度大電子撞擊原子原子移動(dòng)導(dǎo)線變細(xì)電流密度進(jìn)一步加大遷移加重?cái)嗔延肅u代替Al2022/7/1627MOS 晶體管電路（基本單元）開關(guān)單溝NMOS開關(guān)高閾值損失，VOH=VG-VT 襯偏調(diào)制效應(yīng)，輸出更低充電慢

14、（高輸出時(shí)）CMOS傳輸門結(jié)構(gòu)沒有高閾值損失，也沒有低閾值損失，VO=VIVIVOCGVIVOGPGN2022/7/1628MOS 晶體管電路（基本單元）反相器（非門）有比反相器VIVDDMLMEVOVDDMLMEVIVGGVOVIVDDMLMEVOVDDVIRLVOE/RE/E飽和型E/E非飽和型E/D2022/7/1629MOS 晶體管電路（基本單元）無比反相器 CMOS反相器（非門），功耗小，管子相互依賴性小其它門電路與非門，或非門等準(zhǔn)靜態(tài)D觸發(fā)器VDDMPMNVIVOG1G2G3G4G5D2022/7/1630集成電路工藝結(jié)構(gòu)尺寸縮?。ǖ缺瓤s小 scalingdown） 恒定電場(chǎng)原則，恒定電壓原則，準(zhǔn)恒電場(chǎng)原則E/D NMOS CMOS場(chǎng)區(qū)隔離 VTF 足夠大，需要NA大，QB大；場(chǎng)區(qū)注硼溝道注入 調(diào)VTLDD 結(jié)構(gòu)， 減小熱載流子問題多晶硅 可用于布線，注意不能與有源區(qū)交叉CMOS 的Latchup 效應(yīng)（閘流效應(yīng)）采用襯底外延，減小RS，側(cè)向NPN管不能正偏倒退阱，減小RW保護(hù)環(huán)，