Transcript 半导体物理
半导体器件原理 主讲人：仇志军 本部物理楼435室 55664269 Email: [email protected] 助教：熊丝纬 [email protected] 1/23 课程简介 课程代码：INFO130023.03 （研讨性课程） 课程性质：专业必修 学分：4 时间：周一（6, 7）、周三（3, 4） 教室：Z2303 课程特点：公式多、微观物理过程多 课程要求：着重物理概念及物理模型；基本的推导和计算 课程考核：期末考试成绩 (90%)，作业+研讨+考勤 (10%) 2/23 课程简介 参考书目 1. 2. 3. 4. 5. 6. 曾树荣，《半导体器件物理基础》，北京大学出版社 （2002）. 刘树林，张华曹，柴长春，《半导体器件物理》，电子 工业出版社（2005）. 黄均鼐，汤庭鳌，《双极型与MOS半导体器件原理》. 施敏（美）著，黄振岗译，《半导体器件物理》，电子 工业出版社（1987）. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd, John Wiley and Sons Inc. (1981). 刘永，张福海编著，《晶体管原理》，国防工业出版社 （2002）. S. Wolf， Silicon Processing for the VLSI Era, Vol. 3, Lattice Press (1995). 3/23 课程简介 量子力学 统计物理 固体物理 半导体物理 半导体 材料 半导体 器件 半导体 工艺 半导体 集成电路 4/23 第一章 绪论 一、半导体器件的分类 二、本课程的任务 三、本课程的内容 5/23 一. 半导体器件的分类 双极 电子器件 光电子器件 pn 双极型晶体管（BJT） M-S（肖特基二极管） MOSFET 同质结 场效应 MES HEMT 结型 光子 npn、pnp HBT 晶闸管 npnp 本征 PC 杂质 pn pin PV 信息 热电堆 Schottky 光电 异质结 高莱管 能量 热 测辐射热计 （太阳电池） 热释电 LED 电光 同质结 LD DHLD 6/23 QWLD 一. 半导体器件的分类 J. Bardeen W. Brattain W. Shockley 1956年诺贝尔物理奖 7/23 一. 半导体器件的分类 双极型晶体管（BJT） npn E 发射区 基区 集电区 n+ p C E B 发射区 基区 集电区 p+ Silicide n B E C Silicide n 典型的Bipolar－NPN 晶体管剖面图 pnp C E C p B B 8/23 一. 半导体器件的分类 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET） N沟道MOSFET（N-channel） Tox Silicide 增强型NMOS 耗尽型NMOS D G D B S G B S 典型的CMOS双阱工艺：NMOS和 9/23 PMOS场效应晶体管剖面图 一. 半导体器件的分类 典型MOSFET制造工艺流程示意图 nitride spacers deep contact shallow contact PSG CMP Silicide poly-crystalline Si oxide extension implants junction implants PR well implantations gate oxide STI Si Si SiON STI 10/23 二、本课程的任务 Moore’s Law Transistors doubling every 18 months towards the billion-transistor microprocessor 11/23 二、本课程的任务 Transistor Scaling 10 10000 Minimum Feature Size 1000 Microns 1 0.1 Viruses 0.01 1970 1980 1990 2000 90nm 65nm 45nm 2010 100 Nanometers Red Blood Cell 10 2020 Transistor dimensions scale to improve performance and power and to reduce cost per transistor 12/23 二、本课程的任务 Economics of Moore’s Law 1010 10 109 As the number of transistors goes UP 100 10-1 108 10-2 107 $ per 10-3 Transistor Transistors 106 per Chip Price per transistor goes DOWN 10-4 105 10-5 10-6 104 10-7 103 ’70 ’75 ’80 ’85 ’90 Source: WSTS/Dataquest/Intel ’95 ’00 ’05 13/23 二、本课程的任务 晶体管尺寸持续快速缩小 Tox Tox 14/23 二、本课程的任务 High-k + Metal Gate Transistors 65 nm Transistor 45 nm HK + MG Hafnium-based high-k + metal gate transistors are the biggest advancement in transistor technology since the late 1960s 15/23 二、本课程的任务 High-k + Metal Gate Transistors 45 nm High-k + Metal Gate Performance / Watt Benefits >25x lower gate oxide leakage >30% lower switching power ~30% higher drive current, or >5x lower source-drain leakage 16/23 二、本课程的任务 Microprocessor Chips 45 nm “Penryn” Microprocessor 410 million transistors Modern microprocessor chips use 100s of millions of transistors 17/23 二、本课程的任务 18/23 二、本课程的任务 19/23 二、本课程的任务 20/23 二、本课程的任务 1. 半导体器件的基本工作原理 材料参数（ND, NA, n, p, n, p, ……） 2. 器件特性与 几何尺寸（Wb, Lg, ……） （电学） 偏置电压 V I~V 频率 t 3. 半导体器件的高级效应 的关系 4. 半导体器件模型化（modeling） 等效电路 5. 半导体器件小型化趋势 21/23 三、本课程的内容 第一章 pn结的频率特性与开关特性 第二章 双极型晶体管 第三章 MOS场效应晶体管的基本特性 第四章 小尺寸MOSFET的特性 22/23 好的开始就是成功的一半！ 23/23