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1/21半导体器件原理主讲人：蒋玉龙本部微电子学楼312室，65643768Email:[e-mail]课程代码：INFO130023.01课程性质：专业必修学分：4时间：周一（5,6）、周四（3,4）教室：Z2202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：考勤（10%），作业（10%），研讨（20%），期末（60%）课程简介13/21课程简介2参考书目1.刘树林，张华曹，柴长春，《半导体器件物理》，电子工业出版社（2005）.2.黄均鼐，汤庭鳌，《双极型与MOS半导体器件原理》.3.曾树荣，《半导体器件物理基础》，北京大学出版社（2002）.（推荐参考书）4.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,PhysicsofSemiconductorDevices,2nd,JohnWileyandSonsInc.(1981).5.刘永，张福海编著，《晶体管原理》，国防工业出版社（2002）.6.S.Wolf，SiliconProcessingfortheVLSIEra,Vol.3,LatticePress(1995).4/21课程简介3固体物理量子力学统计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5/21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6/21一.半导体器件的分类1电子器件光电子器件双极M-S（肖特基二极管）场效应pn双极型晶体管（BJT）npn、pnpHBT晶闸管npnpMOSFETMES同质结HEMT结型光→电信息能量（太阳电池）光子热PCPV本征杂质pnpinSchottky异质结热电堆高莱管测辐射热计热释电电→光LEDLD同质结DHLDQWLD7/21一.半导体器件的分类2p+npEBC发射区基区集电区n+pnEBC发射区基区集电区ECBnpnECBpnp双极型晶体管（BJT）SilicideSilicide典型的Bipolar－NPN晶体管剖面图8/21一.半导体器件的分类3金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）GDBSGDBSN沟道MOSFET（N-channel）增强型NMOS耗尽型NMOSToxSilicide典型的CMOS双阱工艺：NMOS和PMOS场效应晶体管剖面图9/21一.半导体器件的分类4SiSTIwellimplantationsSigateoxidepoly-crystallineSiSiextensionimplantsSTISinitridespacersjunctionimplantsSiSilicideSiONSiPSGCMPoxidedeepcontactshallowcontactPR典型MOSFET制造工艺流程示意图10/21二、本课程的任务1Moore’sLawTransistorsdoublingevery18monthstowardsthebillion-transistormicroprocessor11/21TransistorScalingTransistordimensionsscaletoimproveperformanceandpowerandtoreducecostpertransistor二、本课程的任务20.010.1110197019801990200020102020Microns10100100010000NanometersMinimumFeatureSize45nm65nm90nmVirusesRedBloodCell12/21EconomicsofMoore’sLawPricepertransistorgoesDOWNSource:WSTS/Dataquest/Intel1031041051061071081091010’70’75’80’85’90’95’00’051010-610-510-410-310-210-110010-7$perTransistorAsthenumberoftransistorsgoesUPTransistorsperChip二、本课程的任务313/21Tox晶体管尺寸持续快速缩小Tox↓二、本课程的任务414/21High-k+MetalGateTransistors65nmTransistor45nmHK+MGHafnium-basedhigh-k+metalgatetransistorsarethebiggestadvancementintransistortechnologysincethelate1960s二、本课程的任务515/21二、本课程的任务6High-k+MetalGateTransistors45nmHigh-k+MetalGatePerformance/WattBenefits25xlowergateoxideleakage30%lowerswitchingpower~30%higherdrivecurrent,or5xlowersource-drainleakage16/21二、本课程的任务7MicroprocessorChipsModernmicroprocessorchipsuse100sofmillionsoftransistors45nm“Penryn”Microprocessor410milliontransistors17/21二、本课程的任务818/21二、本课程的任务919/21二、本课程的任务101.半导体器件的基本工作原理2.器件特性与（电学）I~V材料参数（ND,NA,μn,μp,τn,τp,……）几何尺寸（Wb,Lg,……）偏置电压V频率ωt的关系3.半导体器件的高级效应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20/21三、本课程的内容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的特性第一章pn结的频率特性与开关特性21/21好的开始就是成功的一半！1/22半导体器件原理主讲人：蒋玉龙本部微电子学楼312室，65643768Email:[e-mail]第一章pn结的频率特性与开关特性1.1半物要点回顾1.2pn结的频率特性1.3pn结的开关特性3/221.1半物要点回顾1重要公式c()[]kTEENnFCC−−=exp0()[]kTEENpVFV−−=exp0dedxdnqDJnn=扩EqnJnnμ=漂dxdpqDJpp−=扩EqpJppμ=漂⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=1expkTqVJJsf2/102⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=NVVqdDrεε耗尽g()[]()pnLxkTqVpxp−−=Δexp1exp)(0