半导体器件与工艺

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1、半导体器件与工艺2004年8月1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MOSFET3半导体器件方面的课程内容(续)器件发展趋势scalingdown：roadmapbottomupnon-classicalMOSFETs衬底：SOICMOS器件栅，S/D，沟道新工作机制4半导体及其基本特性5固体

2、材料：超导体:大于106(cm)-1导体:106~104(cm)-1半导体:104~10-10(cm)-1绝缘体:小于10-10(cm)-1什么是半导体?从导电特性和机制来分气体、液体、固体、等离子体金属、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：绝缘性从能带及温度特性来区分6主要的半导体材料元素半导体，如：Si、Ge化合物半导体IV族：SiC,SiGeIII-V族：GaAs、InP、GaP,InAsII-V族:ZnS,ZnSe,CdS发展Ge:1947-1958,nowsomeresearchSi:19

3、62－III-V族：1970－宽禁带半导体：SiC,GaN，1990－有机半导体、纳米半导体..….？7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81.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载流子：能够导电的自由粒子电子：Electron，价电子脱离

4、共价键束缚后，成为自由运动的电子，带负电的导电载流子空穴：Hole，价电子脱离原子束缚后形成的电子缺位，可以自由移动，正电的导电载流子半导体中的载流子：电子和空穴11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：1.43eV12电子摆脱共价键的能量晶体内原子的热运动常温下，硅中热运

5、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半导体的掺杂BAs受主掺杂III族：B等施主掺杂V族：P,As,Sb等14施主和受主浓度：ND、NA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15杂质补偿：同时有施主、受主ND－NA：供导电16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

6、导体中的载流子17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与n有关与u有关迁移率：导电能力，载流子运动速度定量分析引入迁移率的概念19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

7、子20以电子为例载流子的统计规律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22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轨道越高，能量越高量子态的能量：取一些特定值两层轨道之间不存在中间能量的量子态形象表示：能级图每一量子态所取的确定能量：能级用高低不同的水平横线来表示每一个量子态称为一个能级空能级：电子跃迁23半导体中的能带电子的共有化运动轨道交迭

8、：电子可从一个原子转移到