《半导体器件原理与工艺》器

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1、半导体器件原理半导体基础pn结BJTMOS结构基础MOSFETMS接触和肖特基二极管JFET和MESFET简介硅半导体表面理想硅表面键的排列从体内到表面不变,硅体特性不受影响硅表面-1真实表面表面沾污(C,Oetc.)表面重构Si-SiO2界面表面钝化最常见的钝化材料:SiO2硅表面-3二氧化硅的宽禁带阻止了半导体中载流子的逃逸Si-SiO2系统中的表面态与表面处理可动离子M+固定表面电荷过剩硅离子产生的界面态晶格中断,引起表面能级(111)>(110)>(100)陷阱电荷辐射产生,退火可以消除理想的MOS结构特点

2、金属足够厚氧化层完美无缺陷半导体均匀掺杂半导体足够厚半导体背面是理想的欧姆接触一维结构SiVg理想的MOS结构heartofMOSFETs(fromwhichCMOSismade)heartofDRAMs,Flashmemories三明治结构Al/SiO2/Si(earlyMOSFETs)N+-polySi/SiO2/Si(modernMOSFETs)Al/Si3N4/Si(metallinesonSi)WSi/AlGaAs/InGaAs(mordernhigh-frequencytransistors)能带图电荷

3、块图外加偏置电压的影响外加偏置电压的影响-1MOS结构的基本公式MOS结构的基本公式-116.7耗尽耗尽-1反型反型-1耗尽层电荷:积累平带FlatBandVoltage栅电压VG栅电压VGMOS电容电容的定义:MOS电容-1MOS电容-2积累态:耗尽态:MOS电容-3反型实验结果半导体器件原理半导体基础pn结BJTMOS结构基础MOSFETMS接触和肖特基二极管JFET和MESFET简介MOSFET结构MOSFET与BJT的比较输入阻抗高噪声系数小功耗小温度稳定性好抗辐射能力强工艺要求高MOSFET的结构基本工艺

4、Al栅结构Si栅结构MOSFET的基本工作原理与输出特性VG是控制电压。当VG«VT，两个背靠背二极管当VG略小于VT时，表面耗尽层产生当VG>VT时，表面反型工作原理工作原理-夹断特性MOSFET的分类N沟和P沟分类-1增强和耗尽MOSFET的阈值电压定义阈值电压衬底表面开始强反型时的栅源电压UT(ideal)阈值电压的表示式MOS结构中的电荷分布MOSFET阈电压-1阈电压-2实际的MOS器件中,QOX不为0,金属/半导体功函数差MS也不等于0,当VG=0时半导体表面已经发生弯曲,为使能带平直，需加一定的外加

5、栅压去补偿上述两种因素的影响，这个外加栅压值称为平带电压，记为VFB。实际MOSFET阈电压-3考虑氧化层中的电荷,金属半导体功函数影响非理想条件下的阈值电压UBS=0,UDS<>0时的阈值电压非理想条件下的阈值电压-1NMOSPMOS定义:则UBS<>0时的UT非理想条件下的阈值电压-2衬偏调制系数的定义:影响阈值电压的因素栅氧厚度功函数差氧化层中的电荷衬底掺杂浓度影响阈值电压的因素VT的调整:衬底掺杂浓度二氧化硅厚度阈电压调整技术离子注入掺杂调整阈电压一般用理想的阶梯分布代替实际的分布按注入深度不同,有以下几种

6、情况:浅注入深注入中等深度注入阈电压调整技术-1浅注入注入深度远小于表面最大耗尽层厚度半导体表面达到强反型时，薄层中电离的受主中心的作用与界面另一侧SiO2中Qox的作用相似。深注入阶梯深度大于强反型状态下的表面最大耗尽区厚度阈电压调整技术-2中等深度注入阈电压调整技术-3埋沟MOSFET用埋沟技术控制UT有效迁移率载流子迁移率受材料内部晶格散射和离化杂质散射决定表面碰撞减低迁移率N+N+Lxy有效迁移率-1与栅电压有关VG越大有效迁移率越小平方律理论非饱和区电流电压方程萨方程(SPICE一级模型)基本假定:①衬

7、底均匀掺杂。②长沟道器件，沟道两端的边缘效应以及其他短沟道效应不起作用；沟道宽度远大于沟道长度，与沟道电流垂直方向上的两侧边缘效应也不予考虑。③反型层内载流子迁移率等于常数。④二氧化硅层电荷面密度QOX等于常数。⑤忽略漏区、源区体电阻及电极接触电阻上的电压降。⑥忽略源、漏PN结及场感应结的反向漏电流。⑦强反型近似条件成立。⑧沟道导通时漂移电流远大于扩散电流。⑨缓变沟道近似条件成立，即与Si/SiO2界面垂直方向电场强度的数值远大于沟道流动方向上的电场强度数值。⑩忽略表面耗尽区电荷面密度沿沟道电流流动方向的变化。平方

8、律理论-1①引用欧姆定律，列沟道电流密度方程。平方律理论-2②给出强反型表面势的表达式栅下半导体表面不同位置上的表面势不一样表面耗尽区最大电荷面密度:假定10:平方律理论-3(3)求Qn(y)平方律理论-4④求ID0~L积分:平方律理论-5Qn(L)=0表示沟道漏端夹断夹断点移动到L’处:平方律理论-6当VDS>VDsat时，超过VDsat那部分外加电压降落