双极型器件

1半导体器件物理(1)双极型器件2半导体器件的种类①双极型器件~p-n结二极管,BJT,SCR,IGBT等.②单极型器件~JFET,MESFET,HEMT,MOSFET等.③负阻型器件~隧道二极管,TTD,TED等.④光电子器件~LED,LD,PD,APD,红外探测器件,光电池等.⑤声波器件~超声波放大器件,表面声波器件,光偏转器件等.⑥其他器件~超导器件,磁电子器件,各种传感器件等.学习要求①基本结构②工作原理③性能参数④设计制造重点掌握一般了解(对非微电子器件专业)3——课程内容——第一章半导体物理概念（复习）第二章p-n结二极管第三章双极型晶体管（BJT）第四章结型场效应晶体管（JFET）第五章MOS型场效应晶体管（MOSFET）主要参考书：•“微纳电子器件”，姜岩峰、谢孟贤，化工出版社（信息部）•“半导体器件物理”，蔡树荣，北京大学出版社4☆微电子技术的发展☆3nm10nm30nm0.1μm0.3μm1μm3μm1990200020101980ASIC先进技术MOS晶体管MOS晶体管的极限第一代VLSI系统创新的VLSI系统量子电子器件(年)尺寸5各种IC突变结传输的不规则性量子效应能带图失效1Å1nm10nm100nm1μm10μm尺寸特征时间(s)10-1510-1410-1310-1210-1110-10耗尽层德拜长度平均自由程电子波分子原子61μm10μm0.1μm10nm1nm10-610-410-2100102········1:1投影曝光光学步进器X射线步进器EB(单元投影)EB(点束)SPM(单探针)ArF-线I-线KrF-线光刻曝光速率(cm2/s)光刻分辨率(μm)7——微细加工技术的进展——胰岛素分子电子离子光4Mb1Gb64Mb单电子器件原子器件分子器件介观器件量子点苯分子C-C键血红蛋白分子碳纳米管1000nm100nm10nm1nm0.1nmSi-ULSI16Mb256Mb(1m)(0.1m)(10Å)细菌病毒STM点状电子束紫外光,激光,x线聚焦离子束纳米工艺亚微米工艺原子级工艺8*光刻工艺进展*(制造特征尺寸≤130nm的CMOS-VLSI)①采用超解像技术:环带照明法(OAI),相移掩模法(PSM),光学接近修正法(OPC);将光刻胶图形加热到基材玻璃转变温度以上,通过热流来实现图形的微细化.②采用新的曝光波长:开发193nmArF准分子激光和相应的光刻胶(透明,能干法腐蚀).③193nm用的光刻胶:主要有丙烯(Acryl)树脂、Norbornene与无水Malein酸的交替共聚树脂、多环烯(Polycycloolefine)树脂3种.(以前i线[365nm]用的酚醛树脂[Novolac]和248nm[深紫外线]KrF准分子激光用的PHS[Polyhydroxystyrene]树脂不再合用.)④开发新的曝光技术:开发(248nm+PSM),(193nm),(193nm+PSM),157nm,电子束投影光刻(FPL),X射线光刻(XRL),离子束投影光刻(IPL)等技术.9☆微电子新技术☆•铜互连技术~布线金属薄膜材料:Au、Ag、Al、Cu？？？？①低阻金属材料的必要性:尺寸微细化→布线电阻增大→信号传输延迟(~RC)增长；为降低布线电阻R,须采用低电阻率的金属材料来布线。10②Cu的优点:a)电阻率低;b)抗电迁移能力强。→→对0.22μm的IC,从1997年开始采用了Cu布线(对于特征尺寸0.25μm的IC采用的都是Al)。③镶嵌工艺:(Cu金属化+CMP)有单镶嵌工艺和双镶嵌工艺。单镶嵌工艺的工序数较多(需要进行2次Cu的金属化及CMP加工),但具有较小的引线沟槽宽深比。11•高K、低K绝缘材料技术:高K材料~SiO2、Si3N4、钛酸钡、HfO2？？？低K材料~塑料、聚酰亚胺？？？？*根据：IDS∝εox/tox，gm∝εox/tox.把栅极绝缘膜由SiO2改为Si3N4，则可提高工作频率4倍！12*典型的低k材料(1)*材料k值SiOC系(CVD)3.2~4.0Black,Diamond2.4~2.7CORAL2.4~2.72.7Aurora2.7SiOF系(CVD)2.3~2.5CF系(CVD)CF(旋涂)TeflonAF1.92.9~3.42.92.5OCDT-12FoxOCLT-32无机HSQ系(旋涂)多孔HSQ系(旋涂)2~2.52~2.51.9~2.2XLKIPSOCLT-721.8~2.2NanoglassMesoELK2BCB系(旋涂)Cyclotene2.65有机PAE系(旋涂)FLARESiLKVelox-ELK2.82.65213MSQ系(旋涂)多孔MSQ系(旋涂)材料k值HSG-6211XOCDT-9LKD-T200HSG-RZ25HSG-R7HOSPOCLT-31LKD-T4002.82.72.5~2.72.52.52.32.0~2.2ALCAP-S1.8~2.3OCLT-77HSG-6210XSilicaaerogel2.42.11.9~2.21.1~1.4*典型的低k材料(2)*14•应变半导体技术:改变能带结构（能带工程和子能带工程）~增强载流子迁移率（减小散射几率和有效质量）空穴迁移率？？？15•混合晶向技术（HOT）:衬底的晶向有几个~空穴在（110）晶面上的迁移率比在（100）晶面上的高2.5倍!→采用（110）晶面，就可将工作频率提高到2.5倍。*再若栅极绝缘膜用Si3N4，则总的工作频率可达到现在的10倍！*若进一步采用应变技术….？？？（100）（110）n型Si衬底p型Si衬底p+p+p+n+n+16——纳米集成电路中的连接线——•纳米集成电路设计中需要着重优化连接线：0.180.10特征尺寸(μm)延迟时间连接线的时间门的延迟时间IC的总延迟时间Cu连接线,低k介质17•连接线之间的交叉耦合对集成电路信号延迟的影响:在纳米IC中,连接线的电容主要由交叉耦合所引起,将使得连接线的电容不与长度成正比.1.50.52.53.5-40%-80%80%40%120%0%延迟时间增量连接线长度(mm)同方向信号时反方向信号时注:实线~连接线间的距离为1倍节距;虚线~连接线间的距离为2倍节距;18——纳米集成电路中的设计方法——•传统的直线式流程方法不再适用:布图规划方法没有根据连接线的实际数据来进行预估;物理综合方法只考虑了门延迟的问题,也没有考虑连接线的具体情况.•需要采用新的设计方法——持续收敛方法:从“虚拟硅样品”(SVP)出发来进行设计.SVP全面地表达了设计的各个方面(逻辑,时序,信号完整性,功率衰减,电迁移,I/O接口,可制造性等).要求布线设计的工具既懂得电路物理,也要懂得制造技术.19第一章半导体物理概念（复习）•半导体中的载流子•补偿半导体•半导体中载流子的运动•半导体中的电流成分•非平衡载流子•非平衡载流子的注入•器件工作的状态•半导体中的内建电场•半导体中的基本控制方程组20•能带。。•载流子。•杂质。。•Fermi能级半导体的基本特性21•为什么有的材料能够导电？•为什么有的材料不能导电？•为什么有的材料能半导电？导体：例如Au、Ag、Cu、Al等；~电子能够自由运动——有自由电子。绝缘体：例如水晶、金刚石、SiO2、Si3N4等；~电子不能自由运动——没有自由电子。半导体：例如Si、Ge、GaAs、GaN、InP等；~电子能否自由运动？——有无自由电子？22——可用能带理论来解释：绝缘体的能带价带导带（禁带宽度）导体的能带导带价带半导体的能带价带导带（禁带宽度）23——禁带宽度与晶格常数和温度的关系：导带价带原子间距(5.43Å)(Si电子能带)能量E2p2s2N6NEg导带价带EVECEg=1.12eVSi24——能带中的载流子：电子和空穴载流子的“漂移”价带导带EF载流子的“扩散”价带导带EF本征激发价带导带EF载流子的势能~导带底；动能？25•为什么半导体掺杂以后能够很好导电？。。。。•为什么半导体需要提纯？。。。。。。。。。。•为什么半导体制造工艺中特别需要注意清洁度？施主杂质和受主杂质：对于Si~“施主”：P、As、Sb；“受主”：B、Al、Ga、In。特点：提供载流子；掺入杂质较难（高温扩散，离子注入）。有害杂质：例如Au、Cu、Fe等重金属元素；特点：减少载流子~“复合中心”→决定非平衡载流子寿命；这些杂质很容易混入。多数载流子和少数载流子：例如n型半导体~电子：多数载流子(漂移运动)；空穴：少数载流子(扩散运动)。26——能带中的杂质能级：浅能级和深能级本征激发价带导带27——能带中的载流子浓度：Fermi能级本征半导体价带导带EFn型半导体价带导带EFp型半导体价带导带EFECEV28半导体中的载流子浓度•热平衡载流子浓度的一般关系：n0=NCexp[－(EC－EF)/kT]=niexp[(EF-Ei）/kT],p0=Nvexp[－(EF－Ev)/kT]=niexp[(Ei-EF）/kT；ni=pi=(NCNv)1/2exp(－Eg/2kT)；n0p0=NCNVexp(-Eg/kT)=ni2。•掺杂半导体中的热平衡载流子浓度：n型半导体n0≈ND,p0=ni2/n0≈ni2/ND；有补偿时n0≈ND–NA，p0≈ni2/(ND–NA).p型半导体p0≈NA,n0=ni2/p0≈ni2/NA;有补偿时p0≈NA–ND，p0≈ni2/(NA–ND).•非平衡半导体中的载流子浓度：注入少数载流子np＞ni2→→复合，寿命τ复合。抽取少数载流子np＜ni2→→产生，寿命τ产生。29问题：（1）n型半导体中掺入的施主浓度增大时，其中的电子浓度——？空穴浓度——？如果同时还掺入一些受主，电子和空穴浓度将怎样变化？（2）下图各个半导体分别处于什么状态？价带导带EF价带导带EF价带导带EFnEFpECEV30半导体中载流子的运动~电流•漂移运动~电场的作用：jn=nE=nqμnE∝n；jp=pE=pqμpE∝p。μ=vd/E•扩散运动~浓度梯度的作用：jn=＋qDn（dn/dx）∝dn/dx；jp=－qDp（dp/dx）∝dp/dx。L=√Dτ漂移与扩散的关系~Einstein关系：D/μ=kT/q≈26mV[室温下]总电流密度:Jn=nqμnE+qDn(dn/dx)；JP=pqμPE－qDP(dn/dx)。31半导体载流子迁移率和方块电阻电导率=nqμ=1/ρ,电阻率ρ=1/(nqμ);迁移率μ=vd/E=qτ/m*[cm2/V-s]与载流子有效质量和平均自由时间有关!与温度的关系?lZd电阻R=ρ(l/S)=ρ(l/dZ)=(ρ/d)(l/Z)≡R□(l/Z),方块电阻R□=(ρ/d)[Ω/□]与面积无关!32Si中电子的迁移率与温度的关系233热平衡时各种半导体（掺杂与否、简并与否）性质的确定（1）重要的参量：EF•EF与温度、掺杂浓度等有关：什么样的关系？•EF决定平衡载流子浓度：n0=NCexp[－(EC－EF)/kT]=niexp[(EF-Ei）/kT],p0=Nvexp[－(EF－Ev)/kT]=niexp[(Ei-EF）/kT],有效能级密度Nc和Nv的意义?本征载流子浓度:ni=pi=(NCNv)1/2exp(－Eg/2kT).(n型半导体)(p型半导体)(本征半导体)EiEFEFEi34).exp()(1033.2)exp(32/3203100kTETmmmkTEENNpngpnVCVC（2）热平衡条件：•平衡时:nopo=n0p0=NCNVexp(-Eg/kT)=常数ni2;平衡载流子浓度乘积只与温度T有关，与掺杂等因素无关！•非平衡时:noponi2或noponi2.•器件的最高工作温度:器件要能稳定工作,必须要本征载流子浓度比杂质所提供的载流子浓度低一个数量级左右.Si平面器件:应该ni5×1014cm-3→最高工作温度约是520K。Ge器件:最高工作温度是370K左右。GaAs器件:最高工作温度可达720K左右,适宜制造大功率器件。3