1、资料,2015年有机“芯片”产品市场将达216亿美元中国IC制造业：加速扩张仍需规避风险美国国会就敏感技术出口中国公司问题引发争议台韩面板厂今年资本支出大幅攀升 分析师担忧09年面板市况2008年台湾IC产业产值可达1兆5860亿台币 较去年增长8.8%中芯国际深圳建厂 建设两条集成电路芯片生产线加速产业布局康宁扩充在台湾的LCD玻璃产能 将满足市场迅速增长需求世强电讯与美新半导体正式签署分销合作协议台积公司公布2008年1月营收报告 较去年同期增加了45.3%,恩智浦与Thomson合并CAN调谐器模块业务 成立一家合资企业2007年DRAM供货商营收表现远逊于前年 预期今年市场规模也将缩减
2、2008年全球DRAM厂全面调降资本支出计划 占营收比重跌至44%项目搁浅推迟 2008年晶圆厂设备支出将下滑15美商First Solar领军让薄膜太阳能再度反弹 台系薄膜厂受青睐太阳能业务强劲增长 应用材料劲升7%以上 日立逐渐退出半导体制造领域 新加坡8英寸晶圆厂被收购东芝计划投资数十亿发展NAND产业 在日本建立两座NAND芯片工厂英特尔：闪存替代产品全新PCM芯片将进入全面量产阶段,第2章 集成器件物理基础,2.1 半导体及其能带模型 1、半导体及其共价键结构 (1).半导体材料元素半导体 硅(Si)、锗(Ge) 化合物半导体:砷化镓(GaAs)、铝镓砷(AlGaAs)、铟镓砷(In
3、GaAs),室温下纯硅的电阻率为：2.14105 .cm 半导体导电特性与导体和绝缘体相比,有其独特的性质。 杂质原子的含量对半导体材料的导电性能起决定性作用。 通过掺杂改变其导电能力,从而制成各种器件。,(2) 掺杂对半导体电导率的影响,常用的半导体材料有元素半导体和化合物半导体两类：硅、锗、砷化镓、磷化铟等 硅是人类迄今研究最深入、了解最清楚的物质。 现在人类提取的最纯的材料是硅，人类制取的最大单晶材料也是硅。 硅的生长采用直拉（CZ，切克劳基）单晶或区熔单晶，前者占主导地位,2.几种常用元素的原子结构,硅的原子结构,硅的晶体结构: 具有金刚石晶格结构,由两个面心立方晶格套合而成.,3.硅
4、晶体中的共价键,4 单晶和多晶,5 半导体的导电机构,(1)热激发 在一定温度下，晶体中的价电子虽然是处于共价键的束缚中，但同时也在键中不断做热运动。 本征半导体硅导电能力很差，内部自由电子很少，但是束缚力很弱。 价电子存在热运动，一部分有较大能量，冲破束缚变成自由电子，并破坏共价键，留下一个电子空位，称热激发过程。 价电子所需的最小能量称为激活能。 如有外加电场，热激发产生的自由电子会形成定向运动，形成电流。,电子被激发成自由电子，破坏了电中性，相当于空位带一个正电荷。 电子能量相近，邻近共价键上的电子可来填充，相当于空位的反向移动。这个过程持续下去，相当于空位在晶体中运动。 在有外电场时，
5、价电子将逆电场方向填补空位，是定向运动，相当于带正电的空位沿电场运动，形成电流。 带正电的空位可看成是带正电荷的粒子，称之为“空穴”。,（2）空穴,（3）半导体中的载流子,电子和空穴统称为载流子 对于本征半导体来说，产生一定数量的自由电子-空穴对，它们的浓度必定相等，ni=pi。,1.能带和能级 原子能级：电子分层绕核运动，各层轨道上运动的电子具有一定能量，这些能量不连续，只能取某些固定数值，称为能级。,2.1.2 半导体的能带模型,晶体中的能带：当原子组成晶体时，根据量子力学原理，单个原子中的能级都要发生分裂：,（2）.固体的能带 能带也是一系列能级组成的，但由于如此多，间隔很小，因此可以认
6、为是连续的。 绝缘体的Eg：510ev Si: 1.12ev, Ge: 0.67ev, GaAs: 1.43ev SiO2: 8ev （3） 价带、禁带、导带,Eg,Ec,Ev,绝缘体,半导体,导体,3 绝缘体、半导体的金属的能带,1eV=1.6010-19J 一般绝缘体的禁带宽度Eg为610eV 禁带宽度Eg随温度T而变： Si: Eg=1.205-0.2810-3T Ge: Eg=0.785-2.23 10-4T 砷化镓禁带宽度 Ea (T)=Ea(0)-aT2 /(b+T) 式中， Ea (0)=1.519eV，a=5.40510-4cVK， b=204K， T为绝对温度。,T为绝对温度
7、，k为玻尔兹曼常数（其值为8.6210-6ev/k) 当E-EF是KT的倍以上时，可以用玻尔兹曼分布代替费米分布,2.1.3 费米分布函数,费米能级的含义,2.2 半导体的导电性,2.2.1 本征半导体 首先讨论没有杂质和缺陷的纯净半导体材料，其导电特性取决于其本身固有特征，称为本征半导体。 1.产生和复合的动态平衡 产生：一定温度下，由于热激发在半导体中产生的一定数量的自由电子空穴对。 复合：空穴是共价键盘上的空位，当自由电子在运动中与空穴相遇时，自由电子回到共价键的空位上，从而消失了一对电子空穴。 动态平衡状态：自由电子和空穴数目越多，复合作用越强，在一定温度下直到达到一个稳定的浓度，这时
8、的状态称为动态平衡状态。,2.本征载流子浓度与温度的关系,在本征半导体中，在一定温度下半导体中的自由电子和空穴在单位时间内产生和复合的载流子的数量相等，此时半导体中载流子的浓度不再增加或减少，而是保持一个确定的浓度，这时半导体所处的状态称为“动态平衡状态”，平衡时半导体内的载流子称为本征载流子。 （1）本征载流子：平衡时半导体内的载流子 ni和pi分别表示平衡时的本征半导体内的自由电子浓度和空穴浓度。 由于电子空穴是成对产生，也成对复合，故有 Ni=Pi。,（2）本征载流子浓度和温度的关系 随着温度的升高，本征载流子浓度呈指数增加,室温下，硅、锗和砷化镓的本征载流子浓度呈指数增加：,在室温附近
9、，对于纯硅材料，温度每升高11,载流子浓度增加一倍。,2.2.2 非本征载流子 掺杂杂质：三五族，磷（P），锑（Sb）和砷（As)。 1.n型半导体,参杂物质：硼（B），镓（Ga）和铟（In）,2. P型半导体,施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B 施主和受主浓度：ND、NA,施主能级,受主能级,杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态,3 补偿,半导体中往往同时包含两种载流子。 施主杂质提供的自由电子会通过复合与
10、受主杂质提供的空穴相抵消，使总的载流子数量反而减少，这种现象称为补偿。 补偿后的半导体性质取决于补偿后哪类杂质起主导作用。 若施主杂质浓度Nd大于受主杂质浓度NA，补偿后，施主杂质提供的自由电子起主导作用，半导体就是N型，反之是P型。 补偿型半导体材料的性质比本征半导体材料差。,（1） 质量作用定律 在热平衡时，半导体中电子浓度（n）和空穴浓度（P）的乘积为一个常数。,4 多数载流子和少数载流子,（2）多子和少子,掺入杂质产半导体中，不仅提高了导电率，而且一种载流子的浓度高于另一种载流子的浓度。如在N型半导体 中，自由电子浓度明显大于空穴浓度在P型半导体中，空穴浓度大于电子浓度。 通常将浓度高
11、的载流子称为多子，浓度低的载流子称为少子。,（3）N型半导体中的载流子 在n型半导体中，电子浓度与施主浓度基本相等，即：,（4）P型半导体中的载流子 在P型半导体中，空穴浓度与受主浓度基本相等，即：,（5）电中性条件 对于同时含有n型和P型掺杂的半导体，总的正电荷数应等于负电荷数目。 ND+p=NA+n（6）掺杂水平的描述,在平衡状态下，半导体中的费米能级E是一个常数，Ei为禁带中心能级的位置。,显然有 np=ni2 本征半导体有 Ei= EF,电子是多子， 空穴是少子,空穴是多子， 电子是少子,5. 电子、空穴浓度的一般计算公式:,2.2.3 半导体中载流子的漂移,1.热运动与漂移运动 （）
12、热运动 自由电子和空穴在一定温度下，作杂乱无章的运动，速度高达cm/s。,无电场运动,（）漂移运动,加一外加电场，载流子在热运动基础上叠加一个电场作用下的运动。,有电场运动,电场强度一定时，载流子具有一定的漂移速度，记为 ，,2.迁移率,漂移速度与电场强度之比例因子称为载流子的迁移率。迁移率表示了载流子在半导体的运动难易程度，其单位为：cm2/ V.s 迁移率越高，器件的工作速度也越高。 几种半导体材料的迁移率,影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射,体现在：温度和 掺杂浓度,半导体中载流子的散射机制：晶格散射（ 热 运 动 引 起）电离杂质散射,饱和漂移速度：电场增强时，由于其他色
13、散作用的存在，漂移速度趋于一个常数。,3.漂移电流和电导率,总的漂移电流：由此得到半导体的电导率为：对于p型半导体，pn，故：对于n型半导体，np，故：,2.2.4 半导体中的扩散电流,金属中只有漂移电流，在半导体中，还有扩散电流。 1、载流子的寿命 （1）非平衡载流子 采用高能源进行瞬时激发，表面的电子空穴对急剧增加，表面处浓度超出平衡态时浓度，称为非平衡态，超出平衡态的那部分载流子称为非平衡态载流子。,（2）非平衡载流子的寿命 （3）非平衡载流子复合机理A. 直接复合 b.体内间接复合 c.表面复合 半导体材料中的非平衡载流子寿命与材料的种类、材料中的缺陷、起复合中心作用的杂质多少以及表面
14、状态有非常密切的关系。 （4）载流子的净产生和净复合 平衡被破坏时，存在净产生或净复合,2、载流子的扩散运动,1.扩散运动 由于扩散运动，单位时间内通过垂直于x方向单位面积的粒子数称为扩散流密度。记非平衡载流子扩散密度为FD 扩散流密度大小与粒子浓度梯度成正比，扩散流方向指向浓度减少方向,对于非平衡载流子空穴的情况,有如下公式。,Dp为非平衡载流子空穴的扩散系数，单位为cm2/s，它反映了扩散本领的强弱。,.扩散电流 电子和空穴的扩散运动形成扩散电流,电子和空穴的扩散流分别是：,相应的电子和空穴的扩散电流分别是：,浓度梯度,2.2.5 半导体中的电流半导体中的电流为漂移电流和扩散电流之和 总的
15、电子电流为：总的空穴电流为：,1 爱因斯坦关系 由于扩散和漂移都是统计热力学现象,反映了载流子伴随热运动的两种不同运动形式,所以扩散系数D和迁移率有关系.式中VT为热电势 在室温 k时， VT为0.026V， 即 ,2.2.6 半导体基本方程,描述半导体器件工作的基本方程,泊松方程,高斯定律,描述半导体中静电势的变化规律,静电势由本征费米能级Ei的变化决定,能带向下弯， 静电势增加,2 半导体基本方程,根据前面分析及半导体物理理论,得到下列决定半导体及其器件特性的5个方程。 电流密度方程,电流连续性方程,Gn和Gp分别为电子和空穴的净产生率 该方程表示了漂移、扩散同时存在且非稳定状态下载流子所
16、遵循的方程。 以第2式为例，表示在某一薄层x中空穴浓度随时间的增加量（ p/ t）等于单位时间内净流进的空穴(-1/p)( Jp/ t)和该空间中净产生的空穴(Gp)之和。,泊松方程,(x)为电荷密度，为介电常数，V(x)为半导体的电势 上式是高斯定理的数学形式，即在任何静电场中，通过任一闭合曲面的电通量等于这闭个闭合曲面所包围的电荷的代数和。,方程的形式1,方程的形式2,特例： 均匀Si中，无外加偏压时， 方程RHS0， 静电势为常数,电流连续方程,可动载流子的守恒,热平衡时： 产生率复合率 np=ni2,电子：,空穴,电流密度方程,载流子的输运方程,在漂移扩散模型中,方程形式1,方程形式2
17、,电子和空穴的准费米势：,费米势,(1)求:1 300K时本征硅的电阻率 (2) 掺进施主型杂质后,电阻率减到9.6欧.厘米,计算每单位体积里施主原子与硅原子的比. (3)计算使硅中具有一个电子伏特平均能量所需要的电场. (4)确定300K时锗样件中自由电子和空穴的浓度.已知其施主浓度等于21014个原子/厘米3,受主浓度等于31014个原子/厘米3,这是P型锗还是n型锗.,2.3 PN结和晶体二极管,集成电路和半导体器件的许多特性都是PN结相互作用的结果，因此PN结是微电子器件的基础。,IC中的PN结,PN结,2.3.1 平衡状态下的pn结,PN结示意图及二极管表示符号,击穿电压,反向饱和电
18、流,二极管结构 实际PN结剖面图 二极管伏安特性,I,V,1.空间电荷区的形成,多子,少子,两边的电子和空穴浓度存在较大的浓度差，相互扩散，离化杂质形成带电区域，称为空间电荷区,少子,多子,空间电荷区耗尽层,空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子,PN结在平衡状态下，在N型半导体中电子是多子，空穴是少子，在P型半导体中空穴是多子，电子是少子 当形成PN结后，其交界面两侧的电子和空穴浓度存在较大差异，这就导致P型区的空穴向N型区扩散，N型区的电子向P型区扩散。P区边界处因只剩下失去了空穴的离化受主杂质而带负电，N区边界处因只剩下失去了电子的离化施主杂质而带正电，这些离化的杂质位于晶格之中不能运动，它
19、们就在P 结附近形成了一个带电区域，称为空间电荷区。,PN结空间电荷区（耗尽区）,形成的原因：载流子的漂移和扩散运动,耗尽区,载流子 分布,由空间电荷区形成的电场称为自建电场，方向由N区指向P区。 载流子进行漂移运动，方向与扩散运动方向相反，随着不断扩散，两个运动都增强，直到完全相互抵消，达到平衡状态。 此时的载流子分布如图所示。,pn,2.势垒区,自建场的建立,必然形成相应的电位分布,电位分布与位置有关,在空间电荷区两侧的中性区,电位是常数.取P区电位为参考点,则N区将呈现正电位。,O,x,VD,N区,P区,2. 平衡的PN结：没有外加偏压,载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等
20、)，形成自建场和自建势,自建场和自建势,两边电位差VD称为接触电势差。ND为空间电荷区N型一侧边界处施主杂质浓度，NA为空间电荷区P型一侧边界处受主杂质浓度，因此接触电势差的大小与PN结两侧掺杂浓度有关。一般硅PN结的VD为0.6V，锗PN结的VD为0.3V。,由于在PN结中形成了电位分布，导带中的电子在不同的电位处有不同的能量(-qV)。与此相对应的是导带将不再水平，而是在原来的基础上叠加一个(-qV(x)，这就使能带发生了弯曲，如下图所示。 P区中导带电子比N区中电子势能高qVD，也就是说势能低的N区电子必须克服这个势垒才能到达势能高的P区，因此空间电荷区又称为势垒区.,P,N,qVD,E
21、c,Ev,EF,能带结构,3 耗尽层,由于在空间电荷区中,载流子非常少,大多数是已电离的杂质原子,可以认为空间电荷区中载流子已完全耗尽,故形象地称为耗尽层. 空间电荷区=势垒区=耗尽区,自建势qVbi,平衡时的能带结构,有一个硅二极管P区和N区的掺杂浓度均为11016个原子/cm3,求接触电势差如果是锗,1.正向偏压作用 P区接外加电源正极,N区加外接电源的负极,由于耗尽区中载流子已完全耗尽,因此该区域为高阻区,外加电压基本全落在空间电荷区上.外加电场与自建电场方向相反,使空间电荷区中的自建电场减小,空间电荷区中形成电场的电荷总量相应减少其结果是势垒区高度从qVD降至q(VD-V),势垒区宽度
22、也相应变窄.,+,-,2.3.2 pn结的单向导电性,空间电荷区中电场减小后,就削弱了漂移运动,从而破坏了载流子原来扩散运动和漂移运动的平衡,使扩散电流大于漂移电流. 在外正向电压作用下,电子从N区向P区,空穴从P区向N区分别形成净扩散流. 此时进入P区的电子流和进入N区的空穴流都是相应区域中的少数载流子,使区域中的少数载流子高于平衡时的数值,它们是非平衡少数载流子. 由于现在进入半导体中的非平衡载流子是外加电压作用的结果,因此称为电注入.,2.反向偏压作用,外加偏压几乎全落在空间电荷区上.方向与空间电荷区内建电场一致,使空间电荷区变宽，相应势垒高度也由qVD增至q(VD+V)。 由于电场增强
23、，加强了载流子的漂移运动，打破了原先已达成的扩散电流和漂移运动之间的平衡。,这样空间电荷区中N区一侧边界xn处的空穴被强电场驱向P区，使该处少子空穴浓度低于N区内部少子空穴浓度，形成浓度差，因此N区内部空穴就会通过扩散运动前来补充， 但一旦扩散到xn处又 立即被强电场拉到P区。 如同该处少子被不断 抽出，又称为少数载 流子的抽出或吸出。 P区中的电子情况与此 类似,由于少子浓度很低，扩散长度为一定值，所以当反偏时空间电荷区边界处少子梯度较小，相应的反向电流也小。 当反向电压很大时，空间电荷区边界处少子浓度趋于零后不再变化，该处少子浓度梯度趋于常数，电流就基本保持不变。 所以PN结反偏时表现为电
24、流较小，而且随外加电压的增加电流趋于饱和。,1.理想pn结模型 （1）小注入 （2）耗尽层近似 （3）不考虑耗尽层中的载流子产生和复合作用 （4）耗尽层边界处载流子浓度满足玻尔兹曼分布。,2.3.3 理想pn结模型及其伏-安特性,（2） 理想伏安特性,在理想PN结模型下，解半导体方程，可得到下面的公式：,IS为pn结饱和电流 Np0和pn0分别为P区和N区平衡时的少子电子浓度和少子空穴浓度。 Ln 和 Lp分别为电子和空穴的扩散长度。,Dn和Dp：扩散系数， n和p：载流子寿命,（3） PN结的单向导电性,在室温下，(kT/q)=0.026V，若外加正向偏压V比(kT/q)大很多时，电流和电压
25、有近似指数关系。 当V为反偏时，V为负值，若外加反向偏压绝对值V比(kT/q)大很多时，有I-IS 说明电流近似为常数，呈饱和状态，因此Is称为饱和电流。即PN结具有单向导电性。,(4)单边突变PN结,单边突变PN结：一边的掺杂浓度远大于另一边的掺杂浓度。 如NPN三极晶体管中，发射极的掺杂浓度远大于作为基区的P区的掺杂浓度，记作N+P。 在这种情况下，N区中的多子nn0远大于P区多子空穴浓度pp0，因此N区中的平衡少子pn0远小于P区平衡少子浓度np0，则有,2 实际的伏安特性N称为发射系数，N=12 硅二极管的反向饱和电流为nA级（室温） 锗二极管的反向饱和电流为uA级（室温） IS随温度
26、变化而变化，成正比 每上升10,增加一倍电流,2.3.4 pn结电容 PN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN结的高频应用。 1. pn结势垒电容 （1）pn结势垒电容定性分析 随着外界电压的变化，出现了载流子电荷在势垒区中的存入和取出，此现象相当于一个电容的充放电。这种与势垒区相联系的电容称为势垒电容，记为CT。势垒电容大小与结上所加直流偏压有关，是一个可变电容。,突变结电容的定量计算,突变PN结势垒区中电荷和电场的分布 突变结指P区和N区内杂质分布均匀,在结处发生突变。 在耗尽层近似下可得到由下式表示的空间电荷区电荷密度分布。,突变结电场分布：-xpx00xxn势垒电容,势垒电容CT为
27、：上式表明，势垒区电容相当于一个平板电容器。该平板电容器极板之间的距离就是势垒区宽度。,对于P+N单边突变结，xd和CT为：,对于PN+结，将上式中的ND改为NA 可见，势垒区宽度和电容主要由轻掺杂一边的杂质浓度和外加电压决定。,反偏情况下势垒电容的一般形式 将外加电压为0时的势垒电容称为零偏电容记为CT0,则突变PN结的零偏势垒电容为,（3）势垒电容的一般形式 线性缓变结势垒电容的一般形式,一个硅二极管ND为1015/cm3,NA远大于ND， VD为0.5V，若外加偏置电压为10V，求空间电荷区的宽度和势垒电容,正偏时的势垒电容正偏时,势垒区宽度xd减小,导致势垒区电容增大.但这里有大量载流
28、子通过势垒区,对势垒电容也有影响VVD/2VVD/2,2、扩散电容 （1）扩散电容的定性分析 由于扩散区中存储电荷的数量随外加电压变化的作用相当于是一种电容效应，称之为扩散电容。,（2）扩散电容的计算公式单位面积扩散电容为：,总的扩散电容对于p+n结：对照结电流的表达式，令JD=I/A，则CD为：,3 PN结电容,PN结电容等于势垒电容和扩散电容之和. 正向偏置时,由于正向电流JD较大,使扩散电容大于势垒电容.反偏时,流过PN结的是很小的饱和电流,扩散电容很小,主要是势垒电容起作用.,击穿现象:加在PN结上的电压增大到一定程度时，出现反向电流突然变得很大。 1.雪崩击穿 由于反向偏压，势垒中的
29、电场很强以致电子和空穴在电场的加速下能把价键上的电子碰撞出来产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在电场的加速下又能把价键上的电子碰撞出来如此连锁反应好比雪崩一样，导致电流迅速增加。,2.3.5 pn结击穿,掺杂浓度越低，击穿电压越高,2. 隧道击穿（齐纳击穿） 在较高的反向偏压的作用下，pn结p区价带顶附近电子的能量可升高到超过n区导带底电子能量的程度， 使p区中的价带的电子可以借助量子力学中的隧道效应穿过禁带而直接到达n区导带，从而构成很大的反向电流。,3 热击穿 功率器件中的PN结，由于反向功率损耗发热，会引起PN结温度升高，温升又引起载流子本征激发增强,促使反向电流增大。 电流增大的结果使
30、温升继续上升，如果器件散热不良，这种连锁反应会形成电流的急剧增加，导致PN结损坏。,2.3.6 二极管等效电路模型和二极管应用,器件模型和模型参数 二极管、三极管、MOS管是非线性器件，描述器件特性的端电压和端电流之间的关系比较复杂。 为了对包含这种器件的电路进行定量分析， 一般都用一个等效电路代替相应的器件。这种等效电路称为器件模型，等效电路中各个元件值所用的参数称为器件模型参数。 一般通过器件物理分析确定不同类型器件的等效电路模型的具体形式，再根据器件特性测试数据撮出该器件特性的模型参数。 目前，电路模拟软件都包括有模型参数库。,根据前面所述的PN结直流特性、电容效应和击穿，可得下面的二极
31、管等效电路模型,2. 二极管等效电路模型和模型参数,（1）伏-安特性（2）端电压Vd与结电压VJ关系VJ=Vd-IDRS(3)电容表达式（势垒电容）（扩散电容）,3 二极管模型参数,整流、钳位、检波、稳压、电平位移等功能。 特殊作用：PN结隔离，PN结电容,2.3.7 pn结及其应用,1.肖特基二极管（SBD）,2.3.8 其他半导体二极管,肖特基二极管是利用金属和半导体的功函数的不同而形成的一种整流接触二极管。是多数载流子工作的一种单极型器件，响应速度快。 金属和半导体接触时有势垒，称为接触电势差，该势垒只允许载流子往一个方向流动，反之则不行，这种接触有单向导电性，故称为整流接触。,均匀掺杂的肖特基势垒的宽度为：零偏时的Xd为：通过分析，势垒高度的降低量为：直流伏安特性为利用肖特基二极管可以制造TTL器件。,2.异质结,P区和N区采用不同禁带宽度材料形成的PN结，称为异质结。下面为异质结能带图,PN异质结势垒宽度Xd为：势垒电容为：其电流方程可表示为：,二极管典型横向和纵向结构图,
