半导体器件原理与工艺(器件)1 LN
半导体器件原理与工艺
半导体器件原理与工艺1. 引言半导体器件是当代电子工业中应用最广泛的关键元件之一。
它们以其小巧、高效、可靠等特点，被广泛应用于通信、计算、能源等领域。
本文将介绍半导体器件的基本原理和制造工艺。
2. 半导体器件的基本原理2.1 半导体材料半导体器件通常使用硅（Si）或镓砷化镓（GaAs）等半导体材料作为基底。
半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的电导性能。
2.2 禁带宽度和掺杂半导体材料有一个禁带宽度，即能量区间中不能存在电子或空穴。
通过掺杂过程，向半导体中引入少量杂质，可以改变其电导性能。
2.3 P型和N型半导体根据掺杂的杂质类型，半导体可以分为P型和N型。
P型半导体中，杂质原子会提供空穴，使半导体带正电荷；N型半导体中，杂质原子会提供额外的电子，使半导体带负电荷。
2.4 PN结PN结是半导体中最基本的器件之一。
它是由P型和N型半导体材料的结合而成，形成一个具有电势差的结。
PN结具有正向电流和反向电流的特性，广泛应用于二极管、三极管等器件中。
3. 半导体器件的制造工艺3.1 晶体生长半导体器件的制造从晶体生长开始。
晶体生长是指将半导体材料从气态或溶液态转化为晶体态的过程。
通过控制生长条件和杂质掺杂，可以得到具有所需电学性能的晶体。
3.2 制造流程半导体器件的制造流程包括多个步骤，如晶圆制备、光刻、蒸发、扩散、化学气相沉积等。
这些步骤通过精密的工艺控制，将半导体材料转化为具有特定功能的器件。
3.3 掩膜技术在制造过程中，掩膜技术被广泛应用。
掩膜技术包括光刻、硅酸膜和金属膜等。
通过在半导体表面形成不同的掩膜层，可以限制不同的区域进行不同的工艺步骤，实现复杂的器件结构。
3.4 清洗和测试制造完成后，半导体器件需要进行清洗和测试。
清洗过程可以去除表面的污染物，保证器件的性能和可靠性。
测试过程可以验证器件的电学性能是否符合要求。
4. 结论半导体器件原理和工艺是现代电子工业的核心内容之一。
通过了解半导体材料的特性、PN结的作用以及制造过程中的各个步骤，我们可以更好地理解和应用半导体器件。
半导体器件原理和工艺2
半导体器件
晶体管的频率特性---小信号模型
▪ 小信号工作条件：
➢ 输入信号电压以及输出信号电压都远小于热电压 (kT/q)
vBE VBE vbe iC IC ic
半导体器件
小信号模型-1
i1
i2
v1
T
v2
短路输入导纳 短路反向跨导纳
短路正向跨导纳 短路输出导纳
半导体器件
h参数 短路输入阻抗
小信号模型-2
短路正向电流传输系 数、即电流增益
开路反向电压传输系 数，即电压反馈系致
半导体器件
开路输出导纳
小信号模型-3
共发射极h参数等效电路
b vbe
c vce e
半导体器件
小信号等效电路
▪ 混合模型
g
-g
gm
go
由E-M方程：
正向有源区
半导体器件
混合模型-1
▪ 跨导gm
1. gm正比于Ic，反比于T。 2. gm只决定于工作电流及工作温度，与器件所用材
半导体器件
Bardeen, Brattain, and Schockley 获1956年诺贝尔物理奖
晶体管的特性
半导体器件
半导体器件
理想NPN掺杂分布
▪ 集电结外延， 发射结离子 注入
eb
半导体器件
c
晶体管的静电特性
▪ 两个独立的PN结构成
N+
P
N
半导体器件
背靠背二极管
半导体器件
工作原理
半导体器件
特征频率和截止频率
▪ 特征频率fT和截止频率f 是根据hFE随频率的变化 关系定义的
半导体器件
特征频率和截止频率-1
半导体物理与器件第十一章1
VDS
VDS
L
ID
漏源电压VDS对漏电流ID有调制作用
求 L 与 VDS 的关系：
对漏和衬底形成的NP结，其可视为单边突变结， 施加的VDS可认为全部落在P衬底上，则漏源电压 为VDS时，漏-衬底结的空间电荷宽度为：
2 s xp (VB VDS ) qNA
当
VDS VDS (sat) VGS VT
11.1.2 沟道长度调制效应
沟道长度调制效应：当MOSFET偏置在饱和 区时，漏源电压VDS使漏端的耗尽区横向延 伸而进入沟道，沟道被夹断，从而减少了有 效沟道长度，影响到漏电流IDS的大小。
VDS (sat) VGS VT VDS VDS VDS (sat)
ID W nCox (VGS VT ) 2 2( L L)
kV D
kL
E
工作电流
kWn s o I D' (kVG VT ' ) 2 k 2 I D ktox kL
功耗
P' VD' I D' kVD k 2 I D 3k 2 P
数据来源：THE INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS
则：
VTH
1 (QG QS ) Cox
QDS
Xd
QG
QDS
Xs
eN A xdT L L' (1 ) CO 2L
由几何推导可得：
2
L L' 2 2 (rj xdT ) (rj ) xdT 2
2 xdT L ' L 2r j [ 1 1] rj
半导体器件物理与工艺笔记
半导体器件物理与工艺笔记半导体器件物理与工艺是一个关于半导体器件的科学领域，主要研究半导体材料的性质、器件的物理原理以及制造工艺等方面的知识。
以下是一些关于半导体器件物理与工艺的笔记：1. 半导体基本概念：- 半导体是指在温度较高时表现出导电性的材料，但在室温下又是非导体的材料。
- 半导体材料有两种类型：N型半导体和P型半导体。
N型半导体是掺杂了电子供体（如磷或砷）的半导体，P型半导体是掺杂了空穴供体（如硼或铝）的半导体。
2. PN结：- PN结是由N型半导体和P型半导体通过扩散而形成的结构。
- 在PN结中，N区的自由电子从N区向P区扩散，而P区的空穴从P区向N区扩散，产生了电子-空穴对的复合，形成正负离子层。
- 在PN结的平衡态下，电子从N区向P区扩散的电流等于空穴从P区向N区扩散的电流，从而形成零电流区域。
3. PN结的运行状态：- 正向偏置：将P区连接到正电压，N区连接到负电压，使PN结变突。
此时，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，形成正向电流。
- 反向偏置：将P区连接到负电压，N区连接到正电压。
此时，电子从P区向N区流动，空穴从N区向P区流动，形成反向电流。
- 断电区：当反向电压超过一定电压（称为击穿电压）时，PN结会进入断电区，电流急剧增加。
4. 半导体器件制造工艺：- 掺杂：在制造半导体器件时，需要将掺杂剂（如磷、硼等）加入到半导体材料中，改变半导体的电子结构，使其成为N型或P型半导体。
- 光刻：通过光刻技术，在半导体材料表面上制作出微小的图案，用于制造电路中的导线和晶体管等元件。
- 氧化：将半导体材料置于高温下与氧气反应，形成一层硅氧化物薄膜，用于对半导体器件进行绝缘和隔离。
- 金属沉积：将金属材料沉积在半导体材料上，用于制造电子元件中的金属电极。
- 焊接：将多个半导体器件通过焊接技术连接在一起，形成电子电路。
这些只是半导体器件物理与工艺的一部分内容，该领域还涉及到更深入的知识和技术。
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。
秦明《半导体器件原理与工艺》加工工艺5_2010
从芯片 压焊点 到引线 框架的 引线键 合
微纳加工技术 秦明
各工序工艺原理-键合
键合的方法
热压键合 超声键合 热超声球键合
热压键合
利用加热和加压，使金属引线和管芯的金属
层键合在一起，并将管芯的电极引线和管座 相应的电极处引线连接起来
Packaging
Bond-failure on IC-chips, solderability ,
electrical contacts,packaging failures, bonding problems, corroision, Die attach 微纳加工技术
秦明
分析技术
XRD STM,AFM
Physical, electrical and geometrical characterisation
Ellipsometry IR microscopy Scanning optical microscopy Surface resistivity measurements, I-V, C-V, Hall
单列直插封装
微纳加工技术
秦明
各工序工艺原理-封装
微纳加工技术
秦明
各工序工艺原理-封装 陶瓷封装
特点：于集成电路封装，特别是目前
用于要具有气密性好、高可靠性或者 大功率的情况
金球键合中
球和球短路
球和铝引线短路
心的偏离
1 d 4
微纳加工技术
1 d 4
金球偏离内焊点超 出坏直径的1/4为不 合格
秦明
各工序工艺原理-键合
键合强度的检验 拉力计 钩 引脚
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
半导体器件物理与工艺复习题(2015)
半导体器件物理复习题第二章：1） 带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差，也称能隙。
物理意义：带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低2）什么是半导体的直接带隙和间接带隙？其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处(p ＝0)。
因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。
这类半导体称为直接带隙半导体。
3）能态密度：能量介于E ～E+△E 之间的量子态数目△Z 与能量差△E 之比4）热平衡状态：即在恒温下的稳定状态.(且无任何外来干扰,如照光、压力或电场). 在恒温下,连续的热扰动造成电子从价带激发到导带，同时在价带留下等量的空穴.半导体的电子系统有统一的费米能级,电子和空穴的激发与复合达到了动态平衡，其浓度是恒定的，载流子的数量与能量都是平衡。
即热平衡状态下的载流子浓度不变。
5）费米分布函数表达式？物理意义：它描述了在热平衡状态下,在一个费米粒子系统（如电子系统）中属于能量E 的一个量子态被一个电子占据的概率。
6本征半导体价带中的空穴浓度：7）本征费米能级Ei ：本征半导体的费米能级。
在什么条件下，本征Fermi 能级靠近禁带的中央：在室温下可以近似认为费米能级处于带隙中央8）本征载流子浓度n i : 对本征半导体而言，导带中每单位体积的电子数与价带每单位体积的空穴数相同,即浓度相同，称为本征载流子浓度，可表示为n ＝p ＝n i . 或：np=n i 29) 简并半导体：当杂质浓度超过一定数量后，费米能级进入了价带或导带的半导体。
10) 非简并半导体载流子浓度:且有: n p=n i 2 其中: n 型半导体多子和少子的浓度分别为:p 型半导体多子和少子的浓度分别为: 第三章：1）迁移率：是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大。
定义为： 2）漂移电流:载流子在热运动的同时，由于电场作用而产生的沿电场力方向的定向运动称作漂移运动。
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Vbi dV'
V(x)
xn x
qND
Ks0
(xn x')dx'
V(x)
Vbi
qND
2Ks0
(xn
x)2.
.0. xxn
▪ X=0处，有
2qKsN A0x2 pVbi2qKsN D0xn2
半导体器件
耗尽层宽度
电场随x线性变化，在x=0时达最大值：
m
q N A s
xp
q
ND s
xn
N Axp N D xn W xn xp
Possion方程：
d 2V dx2
q
NA
s
(xp
x 0)
d 2V dx2
q ND
s
(0 x
xn )
半导体器件
电场分布
▪ 积分一次：
dd2Vx2 ddV x(x)qN sA(xpx) , (xpx0)
dd2Vx2 ddV x(x)qN sD(xnx) , (0xxn)
-xp
(x)
xn
半导体器件
q
Ks0
ax
线性缓变结-1
(x) qa 2Ks0
x2
W2
4
令V(-W/2)=0, 进一步解出
V(x)6K qsa 02W 233W 22xx3
最大电场
m
qa
8Ks0
W2
空间电荷区宽度
1
W12qKas0
VbiVA3
半导体器件
定量方程
▪ 基本假设
➢ P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。 ➢ 电中性区宽度远大于少于扩散长度。 ➢ 冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流
半导体器件
耗尽层边界
▪ P型一侧
n(xp)p(xp)n(xp)NA ni2eqVA/kT
n(xp)N ni2AeqVA/kT
P
N
np(xp)N ni2A eqV A/k T1
np(xp) pn(xn)
半导体器件
耗尽层边界(续)
▪ N型一侧
pn(xn)N ni2D eqVA/kT1
耗尽层边界处非平衡载流子浓度与 外加电压有关
子在PN结中一维流动。 ➢ 空间电荷区宽度远小于少子扩散长度, 不考虑空间电荷
区的产生—复合作用。 ➢ P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
半导体器件
边界条件
▪ 欧姆接触边界
np(x) 0 pn(x) 0
▪ 耗尽层边界(pn结定律)
FNFP
npni2e kT ni2eqV A/kT
半导体器件原理与工艺(器件)1 半导体器件
半导体物理基础
微电子学研究领域
•半导体器件物理 •集成电路工艺 •集成电路设计和测试
微电子学发展的特点
向高集成度、低功耗、 高性能高可靠性电路方 向发展
与其它学科互相渗透， 形成新的学科领域： 光电集成、MEMS、生 物芯片
半导体器件
半导体中的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ陷
▪ 点缺陷
▪ 外加电压全部降落在耗尽区，VA大于0时， 使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区 两侧电压为Vbi-VA
▪ 上面的公式中，将Vbi换成Vbi-VA
例
1
Wxnxp 2Kqs0 NNADNNAD(VbiVA)2
半导体器件
反偏PN结
▪ 反偏电压能改变耗 尽区宽度吗？
半导体器件
线性缓变结
半导体器件
d2V dx2
半导体器件
电子电流
▪ P型侧
np(x'')N ni2A eqVA/kT1ex''/LNx''0
JN(x'')qD Nddn'x'p
qDN LN
ni2 NA
e 1e qVA/kT
x''/LN
半导体器件
PN结电流
I INIP A(JN(xp)JP(xn))
I
qAD LN N
ni2 NA
DP LP
qAni W
20
▪ 正向偏置时, 计算比较复杂
I RG
qAniW
2 0
qV A
e 2kT
qVA
I DIFF I 0 e kT 1
VA愈低，IR-G愈是起支配作用
I
I DIFF I RG , and
I RG I DF
Lp N D 2D p ni
➢ 弗仑克尔缺陷 ➢ 肖特基缺陷
▪ 线缺陷
➢ 位错
半导体器件
半导体中的载流子
电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子
空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位
电子浓度 nNCe(ECEf ) k T
空穴浓度 pNVe(EfEV) kT
半导体器件
准中性区载流子浓度
半导体器件
理想二极管方程
▪ 求解过程
➢ 准中性区少子扩 散方程
➢ 求Jp(xn) ➢ 求Jn(-xp) ➢ J= Jp(xn)+ Jn(-xp)
半导体器件
理想二极管方程(1)
▪ 新的坐标:
0Dp
d2pn dx'2
pn
p
▪ 边界条件:
-xp
xn
x
X’
0
pn(x') 0
pn(x'0)
ni2 ND
eqVA/kT 1
半导体器件
空穴电流
▪ 一般解
pn(x')
Aex'/ LP 1
A2ex'/LP
其中, LP DPP
pn(x')N ni2D eqVA/kT1ex'/LPx'0
JP(x')qD Pddp'xn
qDP LP
ni2 ND
e 1e qVA/kT
x'/LP
xp
ND W NA ND
xn
NA NA ND
W
半导体器件
耗尽层宽度
1
xn
2
Ks q
0
NA N D(N A
2
N
D
)
V
bi
和
1
xp
N D xn NA
2
Ks q
0
ND N A(N A
2
N
D
)
V
bi
即
1
W
xn
xp
2
Ks q
0
NA ND NDN A
V bi
2
半导体器件
VA0条件下的突变结
N ni2DeqVA/k
T1
II0eqA V /kT 1
半导体器件
半导体器件
空间电荷区的产生与复合
▪ 正向有复合电流 ▪ 反向有产生电流
IRG
qA xn xp
n t
dx
RG
n
npni2
t RG p(nn1) n(p p1)
半导体器件
空间电荷区的产生与复合-1
▪ 反向偏置时,
IRG
其中NC、NV分别为等效态密度，Ef为费米能级
半导体器件
半导体、绝缘体和导体
半导体器件
半导体器件
一．半导体物理基础 二．PN结 三．BJT 四．MOSFET 五．JFET/MESFET简介
半导体器件
突变结耗尽区的电场与电势分布
▪ 耗尽近似
qN A qN D
(xp x 0) (0 x xn )
电势分布
▪ 由微分方程：
dV
q
NA
s
(xp
x),
(xp
x
0)
▪ 边界条件：
dx
q
ND
s
(xn
x),
(0
x
xn
)
➢ 设在-xp处V=0
➢ xn处V=Vbi
▪ 再积分一次：
V(x)dV' 0
x xp
q
NA
s
(xp
x')dx',
V(x)
qNA
2s
(xp
x)2,(xp
x
0)
半导体器件
电势分布
▪ N型侧，