《微電子器件》PPT課件

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1、微電子器件電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院張慶中總學(xué)時(shí)數(shù)：72學(xué)時(shí)其中課堂講授：60學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)：12學(xué)時(shí)成績構(gòu)成：期末考試：70分、平時(shí)：20分、實(shí)驗(yàn)：10分WWWHAT?HY?HO?電子器件發(fā)展簡史1904年：真空二極管1907年：真空三極管電子管1947年：雙極型晶體管1960年：實(shí)用的MOS場效應(yīng)管固體器件1947年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了世界上第一支鍺點(diǎn)接觸式雙極型晶體管，1950年出現(xiàn)了結(jié)型雙極型晶體管，并于1956年獲諾貝爾物理獎。1956年出現(xiàn)了擴(kuò)散工藝，60年代初出現(xiàn)了硅平面工藝，為今后集成電路的大發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。1958年，美國德州儀器公司造出了世界上第一塊集成電路

2、，并于2000年獲諾貝爾物理獎。1969年：大規(guī)模集成電路（LSI，103~105元件或102~5×103等效門）1958年：中小規(guī)模集成電路（IC）1977年：超大規(guī)模集成電路（VLSI，以64KDRAM、16位CPU為代表）1986年：巨大規(guī)模集成電路（ULSI，以4MDRAM為代表，8×106元件，91mm2，0.8?m，150mm）1995年：GSI（以1GDRAM為代表，2.2×109元件，700mm2，0.18?m，200mm，2000年開始商業(yè)化生產(chǎn)）半導(dǎo)體器件內(nèi)的載流子在外電場作用下的運(yùn)動規(guī)律可以用一套基本方程來加以描述，這套基本方程是分析一切半導(dǎo)體器件的基本數(shù)學(xué)工具。

3、半導(dǎo)體器件基本方程是由麥克斯韋方程組結(jié)合半導(dǎo)體的固體物理特性推導(dǎo)出來的。這些方程都是三維的。1.1半導(dǎo)體器件基本方程的形式第1章半導(dǎo)體器件基本方程對于數(shù)量場對于矢量場先來復(fù)習(xí)場論中的有關(guān)內(nèi)容所以泊松方程又可寫成（1-1b）分析半導(dǎo)體器件的基本方程包含三組方程。1.1.1泊松方程（1-1a）式中為靜電勢，它與電場強(qiáng)度之間有如下關(guān)系，1.1.2輸運(yùn)方程輸運(yùn)方程又稱為電流密度方程。（1-2）（1-3）電子電流密度和空穴電流密度都是由漂移電流密度和擴(kuò)散電流密度兩部分所構(gòu)成，即1.1.3連續(xù)性方程（1-4）（1-5）式中，Un和Up分別代表電子和空穴的凈復(fù)合率。U>0表示凈復(fù)合，U<0表示凈產(chǎn)生

4、。所謂連續(xù)性是指載流子濃度在時(shí)空上的連續(xù)性，即：造成某體積內(nèi)載流子增加的原因，一定是載流子對該體積有凈流入和載流子在該體積內(nèi)有凈產(chǎn)生。1.1.4方程的積分形式以上各方程均為微分形式。其中方程(1-1)、(1-4)、(1-5)可根據(jù)場論中的積分變換公式而變?yōu)榉e分形式，（1-6）（1-8）（1-7）上面的方程（1-6）式中，代表電位移。高斯定理，就是大家熟知的方程(1-7)、(1-8)稱為電子與空穴的電荷控制方程，它表示流出某封閉曲面的電流受該曲面內(nèi)電荷的變化率與電荷的凈復(fù)合率所控制。在用基本方程分析半導(dǎo)體器件時(shí)，有兩條途徑，一條是用計(jì)算機(jī)求數(shù)值解。這就是通常所說的半導(dǎo)體器件的數(shù)值模擬；另

5、一條是求基本方程的解析解，得到解的封閉形式的表達(dá)式。但求解析解是非常困難的。一般需先對基本方程在一定的近似條件下加以簡化后再求解。本課程討論第二條途徑。（1-9）（1-10）（1-11）（1-12）（1-13）1.2基本方程的簡化與應(yīng)用舉例最重要的簡化是三維形式的方程簡化為一維形式，得到在此基礎(chǔ)上再根據(jù)不同的具體情況還可進(jìn)行各種不同形式的簡化。例1.1對于方程(1-9)（1-14）在耗盡區(qū)中，可假設(shè)p=n=0，又若在N型耗盡區(qū)中，則還可忽略NA，得若在P型耗盡區(qū)中，則得例1.2對于方程（1-10），（1-16）當(dāng)載流子濃度和電場很小而載流子濃度的梯度很大時(shí)，則漂移電流密度遠(yuǎn)小于擴(kuò)散電流

6、密度，可以忽略漂移電流密度，方程（1-10）簡化為反之，則可以忽略擴(kuò)散電流密度，方程（1-10）簡化為例1.3對于方程(1-12)、(1-13)中的凈復(fù)合率U，當(dāng)作如下假設(shè)：(1)復(fù)合中心對電子與空穴有相同的俘獲截面；(2)復(fù)合中心的能級與本征費(fèi)米能級相等，則U可表為式中，?代表載流子壽命，如果在P型區(qū)中，且滿足小注入條件，則同理，在N型區(qū)中，于是得（1-18）（1-19）（1-17）例1.4將電子擴(kuò)散電流密度方程(1-16)同理可得空穴的擴(kuò)散方程，（1-23）（1-21）代入電子連續(xù)性方程(1-12)設(shè)Dn為常數(shù)，再將Un的表達(dá)式代入，可得電子的擴(kuò)散方程，例1.5對于泊松方程的積分形

7、式(1-6)，（1-25）也可對積分形式的基本方程進(jìn)行簡化。在N型耗盡區(qū)中可簡化為式中，，分別代表體積V內(nèi)的電子總電荷量和非平衡電子總電荷量。例1.6對于方程(1-7)（1-7）將電子凈復(fù)合率的方程(1-18)代入，并經(jīng)積分后得（1-26）定態(tài)時(shí)，，上式可再簡化為（1-27）方程（1-26）~（1-29）是電荷控制模型中的常用公式，只是具體形式或符號視不同情況而可能有所不同。同理，對于N型區(qū)中的少子空穴，定態(tài)時(shí)，（1-29）（1-28）分析半導(dǎo)