半导体器件物理与工艺 第7章
半导体物理与器件-第七章 pn结
7.1 pn结的基本结构
冶金结:P区和n区的交界面
突变结 突变结-均匀分布，交界处突变
5
7.1 pn结的基本结构
PN结的形成
Space charge region
空间电荷区＝耗尽区（没有可自由移动的净电荷，高阻区）
6
pn结的形成
Байду номын сангаас.2 零 偏
pn结能带图
7.2.1内建电势差
当两块半导体结合成pn结时，按费米能级的意义，电子将 从费米能级高的n区向费米能级低的p区，空穴则从p区流向n区 ，因而FFn不断下移，且EFp不断上移，直至时FFn = EFp为止；这 时pn结中有统一的费米能级EF，pn结处于热平衡状态。
4、对单边突变结，空间电荷区的宽度W取决于轻掺杂一侧杂质的浓度。
7.2零偏
7.2.3空间电荷区宽度
7.3 反 偏
7.3.1空间电荷区宽度与电场
反偏
与内建电场方向相同
外加偏置电压VR（以P端相对于N端电压为定义方向) 正偏：P端接正；
反偏：P端接负。
EF不再统一
n
16
7.3反偏
V=Vbi+VR
第7章 pn结
本章内容
第7章 pn结 7．1 pn结的基本结构 7．2零偏 7．3反偏 *7．4非均匀掺杂pn结 7．5小结
2
引言
PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触器 件外，所有结型器件都由PN结构成。PN结本身也是一种器件－整 流器。PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其 它半导体器件器件物理的基础。正因为如此， PN结一章在半导 体器件物理课的64学时的教学中占有16学时，为总学时的四分之 一。
半导体物理与器件习题
半导体物理与器件习题目录半导体物理与器件习题 (1)一、第一章固体晶格结构 (2)二、第二章量子力学初步 (2)三、第三章固体量子理论初步 (2)四、第四章平衡半导体 (3)五、第五章载流子输运现象 (5)六、第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (5)七、第七章pn结 (6)八、第八章pn结二极管 (6)九、第九章金属半导体和半导体异质结 (7)十、第十章双极晶体管 (7)十一、第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (8)十二、第十二章MOSFET概念的深入 (9)十三、第十三章结型场效应晶体管 (9)一、第一章固体晶格结构1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是。
2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。
3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm。
4．什么是晶体？晶体主要分几类？5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。
常用的掺杂方法有扩散和离子注入。
6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？二、第二章量子力学初步1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。
2．什么是概率密度函数？3．描述原子中的电子的四个量子数是：、、、。
三、第三章固体量子理论初步1．能带的基本概念◼能带（energy band）包括允带和禁带。
◼允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。
◼禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。
◼允带又分为空带、满带、导带、价带。
◼空带（empty band）：不被电子占据的允带。
◼满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。
导带：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。
价带:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。
半导体器件物理-7
第7章
半导体表面特性及MOS电容
7.1 半导体表面和界面结构 7.2 表面势 7.3 MOS结构的电容—电压特性 7.4 MOS结构的阈值电压 7.5 习题
电子科技大学成都学院
第七章 半导体表面特性及MOS电容
● —— 本章重点
硅-二氧化硅界面中存在的 不利因素和消除措施
电子科技大学成都学院
第七章 半导体表面特性及MOS电容
作业
• P127 2，3，4，5
电子科技大学成都学院
第七章 半导体表面特性及MOS电容
补充基本概念
真空能级：电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量
功函数[1]：从费米能级到真空能级的能量差
电子亲和势[2]：从半导体表面的导带到真空能级的能量差
电子科技大学成都学院
第七章 半导体表面特性及MOS电容
为了防止和去掉钠离子沾污的影响，除了严格执行 工艺规定防止离子沾污外，提高制备材料（如化学试剂、 气体等）的纯度，改进工艺装备和方法，是获得稳定的 MOS器件的重要手段。目前有两种工艺被广泛应用：磷 稳定化和氯中性化。
磷稳定化即二氧化硅外部形成磷硅玻璃，扩散中可动 钠离子总是进入氧化层中的富磷区，一旦离子被陷在磷 硅玻璃中，即使回到室温，它仍会保持被陷状态，保证 二氧化硅内碱金属离子最小状态。
表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准 连续。
电子科技大学成都学院
第七章 半导体表面特性及MOS电容 表面能级密度
单位面积所具有的表面态的数目。cm-2 表面费米能级 (EF)S
载流子填充表面能级的状态。 电子填充带负电； 空穴填充带正电。
电子科技大学成都学院
第七章 半导体表面特性及MOS电容 内表面
半导体器件物理教案课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。
施敏 半导体器件物理与工艺 pdf
施敏半导体器件物理与工艺 pdf 施敏半导体器件物理与工艺pdf：详细解析半导体器件的物理性质和制程技术 施敏半导体器件物理与工艺pdf是一本系统地介绍半导体器件物理性质和制程技术的文档。
本文将以一个逐步思考的方式，详细描述半导体器件的物理性质和制程技术，并通过举例来加深理解。
本文具有清晰的结构，包括前言、主体部分和总结，以确保读者能够全面了解半导体器件的物理性质和制程技术。
第一部分：半导体器件的物理性质 在本部分，我们将首先介绍半导体器件的基本概念和性质。
我们将从半导体材料的能带结构开始，解释导电性差异的原因以及控制电流的机制。
我们将详细讨论pn结的形成、载流子注入和扩散，并介绍不同类型的半导体器件如二极管、晶体管和场效应晶体管。
此外，我们还将介绍半导体器件的基本特性，如电流-电压特性和频率响应特性。
第二部分：半导体器件的制程技术 在本部分，我们将重点讨论半导体器件的制程技术。
我们将详细描述半导体器件的制造过程，并重点介绍光刻、扩散、蚀刻和沉积等关键制程步骤。
我们将解释每个制程步骤的原理、方法和影响因素，并提供实际例子来说明。
此外，我们还将讨论半导体器件的封装技术和测试技术，以确保器件的可靠性和性能。
第三部分：半导体器件物理与工艺的联系 在本部分，我们将探讨半导体器件物理性质与制程技术的密切联系。
我们将详细说明物理性质如材料的能带结构、载流子注入和扩散是如何影响制程技术的选择和结果的。
我们还将介绍如何通过物理性质的优化来改进器件的性能，并讨论不同制程参数对器件性能的影响。
通过本文的详细解析，我们可以深入了解半导体器件的物理性质和制程技术。
我们了解了半导体器件的基本概念和性质，以及其在电流控制和信号放大中的重要作用。
我们还学习了半导体器件的制程技术，以及如何根据物理性质来改进器件的制程过程。
通过这些知识，我们能够更好地设计、制造和测试半导体器件，以满足不同应用领域的需求。
总结起来，施敏半导体器件物理与工艺pdf通过清晰的结构、逐步思考的方式，详细描述了半导体器件的物理性质和制程技术。
半导体器件物理7章MOS原理
第7章MOSFET原理7.1 金属、半导体的功函数在绝对零度时，金属中的电子填满了费米能级EF以下的所有能级，而高于费米能级E的所有能级全部F是空的。
温度升高时，只有费米能级E附近的少数电F子受到热激发，由低于E的能级跃迁到高于F E的能级F上，但大部分电子仍不能脱离金属而逃逸出体外。
这意味着金属中的电子虽然能够在金属中自由运动，但绝大多数电子所处的能级都低于体外（真空）的能级。
要使金属中的电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的能量。
从量子力学的观点看，金属中的电子是在一个势阱运动。
用E表示真空中静止电子的能量。
如图7.1所示。
定义某种材料的功函数为：真空电子能量E与材料的费米能级E的差值。
F则金属的功函数为()07.1m FmW E E =- 半导体的功函数为()07.2s Fs W E E =-功函数的物理意义：表示电子从起始能量等于F E 由金属内逸出（跳到真空）需要的最小能量。
注意：半导体的费米能级随掺杂浓度改变，因而其功函数也随掺杂浓度变化。
图7.1 还显示了从0c E E 的能量间隔χ，χ称谓电子亲和能，表示使处于半导体导带底的电子逃逸出体外（跳到真空能级）需要的最小能量。
即()07.3c E E χ=-利用电子的亲和能，半导体的功函数又可以表示为 []()[]7.4()S c FS n c FS n W E E e E E e N semiconductor χχφφ=+-=+-=-表7.1 列出了硅在不同掺杂浓度下对应的功函数 ()()()331415161415167.11010101010104.37 4.31 4.25 4.87 4.93 4.99S d a W eV n type N cm p type N cm Si ----表硅的功函数与掺杂浓度的关系（计算值）半导体材料功函数7.2金属－氧化物－半导体场效应晶体管(MOSFET) 引言：MOS 器件的发明先于双极器件，但由于加工工艺条件的限制，双极器件的商品化要早于MOS 器件。
施敏 半导体器件物理与工艺 pdf
施敏半导体器件物理与工艺一、施敏半导体器件的背景与意义随着科技的飞速发展，电子工程领域对高性能、低功耗的半导体器件的需求日益增长。
施敏半导体器件，作为一种新型的电子器件，以其独特的物理机制和工艺技术，在现代电子工程领域中扮演着越来越重要的角色。
施敏半导体器件具有高灵敏度、快速响应和低功耗等优点，广泛应用于传感器、逻辑电路、存储器等领域。
二、施敏半导体器件原理施敏半导体器件主要基于隧道效应、极化效应等物理原理工作。
通过利用材料内部的电子行为，实现电导率的变化，从而实现传感或逻辑操作。
为了实现这一功能，关键在于材料的选择以及其制备工艺的控制。
这涉及到多种材料物理和材料工程的知识，如能带理论、载流子输运机制等。
三、工艺流程制作施敏半导体器件的工艺流程主要包括材料选择、外延生长、掺杂、制程整合等步骤。
在材料选择阶段，需要综合考虑材料的能带结构、载流子迁移率、稳定性等性能指标。
外延生长和掺杂是关键的制程步骤，直接影响器件的性能。
此外，为了实现高效的电路集成，还需要考虑如何优化制程参数，以实现良好的欧姆接触和低电阻传输。
四、典型应用领域与案例分析施敏半导体器件在信息技术、消费电子、汽车等领域有广泛的应用。
例如，在传感器领域，施敏器件可以用于气体检测、湿度传感、压力传感等；在逻辑电路中，施敏器件可以用于构建各种逻辑门电路，实现信息的处理与传输；在存储器领域，施敏器件可以作为非易失性存储单元，用于存储数据。
五、发展趋势与挑战随着物联网、人工智能等新兴技术的发展，施敏半导体器件的应用前景更加广阔。
未来，施敏半导体器件将朝着更高性能、更低功耗、更小尺寸的方向发展。
然而，这也带来了诸多挑战，如如何提高器件的稳定性、可靠性以及如何实现大规模生产等。
对此，我们建议深入研究材料的物理机制和制程技术，加强跨学科合作，以推动施敏半导体器件的创新发展。
六、结论施敏半导体器件在电子工程领域中发挥着核心作用，其发展对于推动科技进步具有重要意义。
现代半导体器件物理与工艺
X射线图形曝光的几何效应
离子束图形曝光
新一代图形曝光技术
高产率、好的分辨率、低成本且容易操作是曝光技术的基本要求。为了 满足深亚微米工艺，光学图形曝光技术仍未解决。虽然可以利用PSM和 OPC来延长光学图形曝光的使用期限，但是复杂的掩模版制作与检查并 不是容易解决的。另外，掩模版成本也很高。
电子束图形曝光
电子束图形曝光主要用于掩模版的制作，只有相当少数装置用于将电子 束直接对抗蚀剂曝光而不需掩模版。
SCALPEL writing strategy
电子束抗蚀剂
电子束抗蚀剂是一种聚合物，其性质与一般光学用抗蚀剂类似。换言之， 通过光照造成抗蚀剂产生化学或物理变化，这种变化可使抗蚀剂产生图 案。
邻近效应
在光学图形曝光中，分辨率的好坏是由衍射来决定的。在电子束图形曝 光中，分辨率好坏是由电子散射决定的。当电子穿过抗蚀剂与下层的基 材时，这些电子将经历碰撞而造成能量损失与路径的改变。因此入射电 子在行进中会散开，直到能量完全损失或是因背散射而离开为止。
聚焦电子束扫描主要分成两种形式：顺序扫描、向量扫描。
顺序扫描（左）和矢量扫描
SCALPEL
利用电子束投影的图形曝光技术，SCALPEL系统（散射角度限制的投影 电子束图形曝光），此技术集电子束图形曝光特有的高分辨率和工艺宽 容度（聚焦深度20-30um，传统为1um）以及高产率。
图12.15
各种图形曝光技术的比较如下
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
击穿区
击穿电压：
VB=VD+|VG|
MESFET增强型模式
阈值电压：V
T
V bi V P Z n S 2 aL
I Dsat
V G
VT
2
跨导：
gm
Z n S aL
V G
VT
两 种 模 式 特 性 比 较
7.2.4 高频性能
截止频率：MESFET无法再将输入信号 放大的频率。
S
W
2 (V bi V ) q S N 2 q S
D
D
1 2 d (1 / C ) / dV
7.1.2 肖特基势垒
肖特基势垒指一具有大的势垒 高度（也就是， Bn 或 Bp kT ） 以及掺杂浓度比导带或价带上态密 度低的金属半导体接触，其电流主 要由多数载流子完成。
D
S S
W
x Em
qN
D
S
x
qN D W
相关公式2
Em W qND W Vbi V 2 2 S 2 S bi V V W qND QSC qND W 2q S ND ( Vbi V )
2
相关公式3
C 1 C N
2
Q SC V
作业：
P243 1、7、9 比较MOSFET和MESFET两种器件？ 比较PN结二极管和肖特基势垒二极管两种器件？
热电子发射过程的电流输运
肖特基势垒电流电压特性
在热电子发射情况下，金属半导 体接触的电流电压表示为
qV J J S exp 1 kT JS q Bn A * T exp kT
2
A*称为有 效理查逊 常数
少数载流子电流密度
对已知半导体与任一金属而言， 在n型和p型衬底上势垒高度和恰好 为半导体的禁带宽度公式如下
q ( Bn Bp ) E g
内建电势：
V bi Bn V n
电荷、电场分布
S
qND
0 W X
与单边突变结p+-n结类似
E W 0 -Em X
相关公式1
E ( x) Em qN
RC
J 1 V v0
低掺杂浓度 的金半 高掺杂浓 度的金半
RC
k qA T
*
exp(
q Bn kT
)
RC
C ~ exp 2 Bn N D
4 exp
m n S Bn ND
7.2 金半场效应晶体管
饱和区 V Dsat V G V T
I 2 L d 1 d 0 d Z n S
V G
VT
2
对高速工作状态而言，载流子速度 达到饱和，此时饱和区电流、跨导 和截止频率：
I sat Zv s qn s Zv s C i (V G V T )
g m Zv s C i fT gm 2 C 总电容 vs CP 2 L ZC i
3/2
2 V G V bi V 3 P
3/2
2 S L
,V P
qN i IP 1 V VP P I D VG
VD
ID
1/ 2
V D VP VD
7.2.1 器件结构
MESFET具有三个金属半导体接触，
一个肖特基接触作为栅极以及两个当作源 极与漏极的欧姆接触，主要器件参数包含 栅极长度L，栅极宽度Z以及外延层厚度a， 大部分MESFET是用n型Ⅲ-Ⅴ族化合物半 导体制成。
7.2.2 工作原理
不同偏压下， MESFET耗尽 区宽度变化 与输出特性
gm
IP 2V P
2
V G V bi
饱和区
I Dsat 1 V V 2 V G V bi G bi IP V VP 3 3 P
3/2
V Dsat V P V G V bi gm Z n qN D a 1 L V G V bi VP
沟道电阻
R
L A
L
L q n N D A
q n N D Z (a W )
饱和电压
2 S 在此漏极电压时，漏极和源极被夹断， 此时漏极电流称为饱和电流IDsat 。
V Dsat qN D a 2 S
2
V Dsat
qN D a
2
V bi , V G 0
V bi V G
加入VG使得栅极接触被反偏，当VG 增大至一特定值时，耗尽区将触到 半绝缘衬底，此时VD为饱和电压。
7.2.3 电流电压特性
电流电压方程式
V 2 V V V D D G bi I IP VP VP 3 IP Z nq N D a
2 2 3
第7章 MESFET及相关器件
7.1 金属-半导体接触 7.2 金半场效应晶体管（MESFET） 7.3 调制掺杂效应晶体管
本章主题
整流性金半接触及电流电压特性 欧姆性金半接触及特定接触电阻 MESFET及其高频表现 MODFET及二维电子气 MOSFET、MESFET、MODFET比较
相 关 公 式
VP
q
S
d
0
N D ( x ) xdx EC q VP
qN D d 1 2 S
2
V T Bn
增强型MODFET 的能带图
7.3.2 电流-电压特性
MODFET的电流-电压特性可利用类似 MOSFET的渐变沟道近似法来求得。
线性区
I
Z L
n C i V G V T V D
fT gm 2 C G Zv s s / W 2 ZL s / W vs 2 L
要增加截止频率必须缩小栅极长度和使 用高速度的半导体。
不同种类半导体中，电子漂移速度与电场关系图
7.3 调制掺杂场效应晶体管
传统MODFET结构
7.3.1 MODFET的基本原理
MODFET为异质结构的场效应器件
JP qV J P 0 exp( ) 1 kT qD p n i LP N D
2
J P0
通常，少数载流子电流比多数载 流子电流少数个数量级。
7.1.3 欧姆接触
当一金属半导体的接触电阻相对于半导 体主体或串联电阻可以忽略不计，就叫 做欧姆电阻 欧姆电阻的一个指标为特定接触电阻
7.1 金属-半导体接触
7.1.1 基本特性
金属与n型，理想情况，势垒高度为金属 功函数与电子亲和力之差：
金属与p型，势垒高度为：
q Bn q m qx
q Bp E g q m qx
金属和n半导体接触能带图(Wn>Ws)
（a）接触前 （b）间隙很大 （c）紧密接触 （d）忽略间隙