半导体 第十八讲 集成电路物理器件

VDS +
漏
VGS + 源 GND
N
VDS +
漏
载止区：VGS<VT，无电流 通过
VT为引起沟通区表面反型 的最小栅电压，也称阀值 电压。
VGS + 源 GND
N
饱和区：0<(VGS-VT）<VDS， 电流与VDS 无关
VDS +
漏
线性区：(VGS-VT）>VDS>0， 电流与VDS ，VGS有关
MOS 晶体管
PN结的基本应用
❖ 整流：使一个正弦波流经二极管，则只有大于零的正向
部分会到达后面的电路，这种滤除负向信号的过程称为整 流
❖ 电流隔离：电流单向流动
结型二极管
金属与N型材料接触
金属与P型材料接触
内建电场E
E0 EFm
E0
Ec
qVD
EFn
Ev
EF
Ec qVD
Ev
内建电场E
E0 EFm
E0 Ec
qVD
另一种方法，轻掺杂漏极（lightly doped drain,LDD） MOSFET器件的漏极和源极，掺杂浓度比原来你n+型源 极与n+型漏极浓度低的n_型区。如图2-37
图 2-38 ， 所 示 为 增 强 型 N 型 MOSFET有LDD以及无LDD 存在时，沟道接近漏极附近 的电场大小与分布情形。
❖ 这种限制第一次由，约翰冯诺依曼 提出，利用公式
正向偏压下的PN结
电压表
0
--
+
p
n
随着正向偏压的增加，PN结的耗尽区变窄。ຫໍສະໝຸດ EipqVD Ec
EF
Ein
反向偏压下理想PN结的能带图 Ev
Eip EFp
q(Vbi –VD) Ec EFn Ein
Ev
正向偏压下理想PN结的能带图
PN结符号
理想PN结半导体二极管电流方程
I D I S (eqVD / kT 1)
器件其他参数也相应的必须发生改变：
器件缩小K倍，电流密度将增加K倍，为了避免导线产生迁移现 象，设计时候，电流密度必须小于105A/cm2
纳米MOSFET器件中的载流子 输运模型及其特征
半导体器件的特征尺寸一直按照摩尔定律缩小，每三年半导体芯 片的集成度增长一倍。预测，一个芯片上可以集成万亿晶体管。 要求晶体管的尺寸进一步缩小到纳米量级。 迈恩德尔 新颖的MOSFET器件如图2-40
双极型晶体管
N
P
发射结 N
工作状态：
• 发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态。
F IC / IB
• 发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态。 • 发射结反偏，集电结也反偏时，为载断工作状态。 • 发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。
集电结
§2.6 MOS晶体管
场效应晶体管（FET）
与2001年的技术相比，每个芯片的晶体管数目还可以增加3个 数量级，晶体管的最小临界尺寸可以降低一个数量级。
（1）基础理论限制
❖ TSL 中三个主要 基础理论限制分别来自热力学、量子力学和 电磁学。
❖ 单个能量转换，Emin=(ln2)KT，其中K为玻尔兹曼常数 ，T是热力学温度，限制表面，为了辨别转变信号，单个电子 在二元转换中具有的能量应与它的热能相比拟。
半导体集成电路制造技术
第二章 集成电路物理器件
2.1 硅半导体的基本物理特性 半导体，是一种导电性能介于导体和绝缘体的材料。硅是 最常用的半导体材料。
能带结构
能带 导带 能带间隙 空穴
0K时，价带充满电子，导带上没有， 此时无法导电
温度升高时，少数价带中的电子获得 能量跃迁到导带，形成自由电子。
金属栅极
源
n
n
漏
IDS
VDS
• 结构和原理与JEFT相似，不同的是采用肖特基结（金属/半导体）代 替PN结。 • 常采用GaAs, InP或SiC作为沟通材料，与硅锗相比，具有更高的开关 速度及工作在更高的频率下，广泛用于微波通信与雷达领域。
轻掺杂漏极（LDD）MOSFET器件
MOSFET 的沟道长度缩短后，热载流子效应更严重， 解决热载流子效应的方法有很多，降低MOSFET器件的工 作电压就是其中之一，横向电场强度降低，无法形成热载 流子。
2.8 发展硅电子学集成电路的限制
❖ 硅半导体技术的性能和生产量都以指数形式增长，1960年到 2000年，与二元开关有关的能量转换降低了5个数量级，同事每 个芯片上集成的晶体管数量增加了9个数量级。
❖ 增长速度受到传统物理极限的限制而停止。主要有：
❖ 1、基础理论 ❖ 2、材料 ❖ 3、器件 ❖ 4、电路 ❖ 5、系统
❖ 器件的尺寸越小型化，器件中载流子的输运俞接近弹道输运 。在深亚微米以及纳米级的MOSFET器件中，载流子的输运就是 准弹道输运。
❖ （1） 经典弹道输运模型
（ 2）量子弹道输运模型
3、量子耗散输运模型
载流子从源极到漏极的输运过程中，经过很多次散射，这一模型 把纳米级的MOSFET器件结构看做由源极、漏极以及二者之间分布 的一系列散射点构成的。然后，他们与源极和漏极的不同在于他们 只能改变载流子能量而不能改变系统中载流子的数目，所以称为能 量耗散输运模型。
P-N结形成的物理过程
在接触前分立的P型和N型硅的能带图
扩散
空穴
电子
eVbi
平衡态的pn结
• 扩散电 流 • 空间电荷区
• 内建电场 E
• 漂移电 流 • 接触电势差 Vbi
p
n
E
漂移 扩散
扩散 eVbi EC EF
Ei
EV 漂移
（b）接触后的能带图
反向偏压下的PN结
电压表
0
--
+
p
n
随着反向偏压的增加，PN结的耗尽区加宽。
MOS 晶体管
Complementary Metal Oxide Semiconductor （CMOS）
• 栅极多采用掺杂多晶硅，绝缘层采用二氧化硅。 • 增强型MOS晶体管栅区较小且形状不随电场变化。 • CMOS电路里，全部采用增强型的NMOS和PMOS。
VGS + 源 GND
N
MOS 晶体管
EFp
Ev
Ec
EF
Ev
qVD
肖特基接触
❖ 肖特基接触是指金属和半导体材料相接触的时候，在界
面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒。势垒的存在才
导致了大的界面电阻。具有肖特基接触的金属与半导体界
面形成结二极管，符号
正向偏压，垫垒降低，有电流通过
反向偏压，垫垒提高，无电流通过
• 欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻
❖ 求解器件中的每个x点上的y方向的一维薛定谔方程得到：
可以通过一定的载流子输运模型，求得沟道方向上的电荷分 布，最后给出器件中的电流以及载流子密度，各能带的分布等信息。
载流子模型
❖ 一般来说电子系统的分布函数满足玻尔兹曼方程：
求解很困难，需要简化模型。 1、漂移扩散模型
漂移扩散模型（DD），在微米级半导体器件模拟中，占主导地 位
很 明 显 ， 加 了 LDD 的 MOSFET器件的电场分布将 向漏极移动，而且电场的强 度也比无LDD的MOSFER器 件来的小。 所以 热六子效 应便可以大大降低。
器件缩小原理
❖ 为了增加IC内电子器件的密度，必须将器件的尺寸缩小，而 缩小器件的基本要求是保持原来器件所拥有的特性。
❖ 最佳方法是利用一个比例因子K（>1）来减小所有尺寸和电压 ，以保持长沟道的特性，如此所得到的内部电场将会与长沟道 MOSFET器件的内部电场相同，其新的器件尺寸将为
• 第一个PN结须正偏，才能正常工作，阀值电压为0.8V。 • 整个器件上跨接5V的电压，已经进入P区的电子会继续向上运动。 • P区要很薄，才能保证跨接的5V的电压对电子的控制。 • 底部的N型半导体提供电子，叫发射极（Emitter） • P型半导体作为PN结的基本结构，叫基区 （Base） • 顶部的N型半导体收集另一个N型半导体提供的电子，叫集电极（Collector)
电流密度满足扩散方程：
在高电场情况下，由于漂移速度饱和，考伊等人给出了方程：
❖ 考虑到由于电场所导致的非稳定效应，公式2-92可以改进为：
结果证明：采用适用DD模型的2个公式，对于处理纳米尺寸的器件 的模拟是很有效。 2、能量运输模型（ET）
电子电流方程为
3、弹道输运模型
❖ 器件几何尺寸远小于电子平均自由程时，电导主要取决于带 结构和器件几何结构，这就是所谓的准弹道输运。
载流子的输运特征的表征
经典的半导体运输特征指出，载流子的输运特征可以用玻尔兹曼 （BTE）来描述，但是求解困难。
为了方便求解，进而发展的 1、漂移扩散模型（DDM）（载流子的运动只与定域电场有关，适 用于微米级别）
2、流体动力学模型（HDM）
3、玻尔兹曼模型（BTM）
（微米以下级别适用）
QTM 基本理论框架
❖ 纳米尺寸逐步缩小时，小尺寸的电导有很大起伏，这时候需要用 到QTM（全量子输运模型）处理器的特征输运问题。
❖ 对于小尺寸MOSFET器件，为了防止源漏极穿透，沟道区内的掺 杂浓度必须较高，结果增大了MOSFET器件的阀值电压，这就需 要比较高的栅压。而MOSFET器件一般工作在强反型状态，形成 势阱，电子限制内，在垂直于半导体表面的方向上形成一系列的 量子化能级。
值远小于半导体本身的电阻。金属作为半导体器件的电极， 要求具有欧姆接触。
欧姆接触的金属与N型材料的选择
E0 EFm
E0 Ec EFn
Ev
欧姆接触的金属与P型材料的选择