半导体器件原理 Principle of Semiconductor Devices 主讲：徐 军 2018年9月 联系方式：物理楼413房间 Tel:0551-63606014,13965010623 Email: xujung@ustc.edu.cn 2018/11/18
绪 论 这门课在学科群中的地位 --课程定位 半导体器件的发展简介 --历史与趋势 一些具体问题的说明 --教材,习题,考试 绪 论 这门课在学科群中的地位 --课程定位 半导体器件的发展简介 --历史与趋势 一些具体问题的说明 --教材,习题,考试 2018/11/18
Semiconductor Devices 半导体器件 ♦ 器件 (器件物理; 器件原理; 器件工艺): 电子器件(双极型器件,MOS器件,各种特种器件); 光电子器件(激光器,发光管,光电转换器件); 其他各种效应的应用(热电,压电 ……) Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 半导体器件原理 半导体器件是根据半导体中的各种效应制成的。 如：利用pn结单向导电效应，光电效应，雪崩倍增效应，隧道效应等，可以制成各种半导体结型器件。 利用半导体中载流子的能谷转移效应，可以制成体效应器件。 利用半导体与其它材料之间的界面效应，可以制成各种界面器件。 半导体中的各种效应是由半导体内部的电子运动产生的，因此需要掌握构成半导体器件物理基础的半导体中的电子运动规律。 Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 相关课程(领域) ♦ 物理 (对物理问题更深入,更专门的讨论): 高等半导体物理; 半导体理论; 半导体表面物理; 非晶态半导体物理; 半导体光学 …… ♦ 材料 (材料性质,应用的物理模型,材料制备,新材料的研制): 体材料; 薄膜材料; 微结构材料; 人工设计材料;…… Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices ♦ 集成电路— 集成电路原理及其设计(线路设计,版图设计,工艺设计); 集成电路中的物理问题,材料问题…… ♦ 光电子学 半导体光电子学（发光、探测、应用）， ♦ 微纳加工技术 新型材料器件及三维电路的微纳加工工艺技术 Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 半导体器件基本结构 （1）金半结 （2）PN结 （3）异质结 （4）MOS结构 Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 平面工艺中主要工序 （1）外延生长 （2）氧化 （3）扩散 （4）离子注入 （5）光刻 Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 半导体器件进展 Semiconductor Devices 2018/11/18
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Semiconductor Devices 量子力学诞生于19世纪末，现代物理学的一系列发现揭示了微观物理世界的基本规律，以此为基础诞生了现代物理学的理论基础－>量子力学（以海森堡和薛定锷建立的量子力学体系为基础，其中薛定锷提出的薛定锷方程已经成为量子力学最基本和广泛使用的方程） 量子力学理论的建立，实际上是近代在物理学研究方面取得的一系列理论和实验成果共同推动的结果。 Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices • Born提出的概率波（Probability wave）概念和波函数(wave function) ，为量子力学的应用奠定了基础； • 基于量子力学的能带论建立，构成了固体物理学的基础。 • 现代固体物理学的成熟、完善和应用，为晶体管的发明奠定了理论基础。 晶体管的发明是固体物理理论研究、半导体材料、技术科学研究取得重大突破后的必然结果。 Semiconductor Devices 2018/11/18
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Semiconductor Devices 获2000年诺贝尔物理学奖 Semiconductor Devices 2018/11/18
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Original Motivation: Moore’s Law 1950 1970 1990 2010 2030 1 m 1 cm Year VLSI Integrated circuits Transistor Vacuum valves Molecular dimensions 1 mm 10 nm 1 A Device size From Intel Semiconductor Devices 2018/11/18
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Technology Generation Transistor Research Technology Generation 90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 2003 2005 2007 2009 2011+ 50 nm Manufacturing Development Research 35 nm 30 nm 20 nm 10 nm 5 nm Nanowire SiGe S/D Strained Silicon SiGe S/D Strained Silicon Si Substrate Metal Gate High-k Tri-Gate S G D III-V Research Options: High-K & Metal Gate Non-planar Trigate III-V, CNT, NW Carbon Nanotube FET Source: Intel Future options subject to research & change Semiconductor Devices 2018/11/18
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Semiconductor Devices Carbon Nanotube CNT is a tubular form of carbon with diameter as small as 1 nm. Length: few nm to cm. CNT is configurationally equivalent to a two dimensional graphene sheet rolled into a tube. CNT exhibits: Carrier mobility ~ 100,000 cm2/Vs Young’s modulus over 1 Tera Pascal, as stiff as diamond; 3. Tensile strength ~ 200 GPa. CNT can be metallic or semiconducting, depending on chirality. Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices CNT FETs Gate 8nm HfO2 SiO2 p++ Si Pd CNT Delft : Tans, et al., Nature, 393, 49, 1998 Javey, et al., Nano Letters, 4, 1319, 2004 Drain Source Gate Sapphire Substrate Oxide Appenzeller, et al., PRL, 93, 19, 2005 Liu, et al., Nano Letters, 6, 34, 2006 Semiconductor Devices 2018/11/18
Integrated Nanotube Systems: Complementary Carbon Nanotube Inverter One of the first integrated systems made of carbon nanotubes. Si back gate K Vin Vout VDD GND p-type CNT n-type CNT P type MOSFET: N type MOSFET: Vin Vout 0 V VDD p n Semiconductor Devices "Carbon Nanotube Field-Effect Inverters", X. Liu, R. Lee, J. Han, C. Zhou, Appl. Phys. Lett. 79, 3329 (2001). 2018/11/18
Semiconductor Devices Biosensor Arrays Semiconductor Devices 2018/11/18
Si Nanowires as DNA sensors Microfluidic process PNA-DNA duplex PNA receptor Avidin-modified NW was linked with biotinylated PNA probes, and followed by DNA hybridization. Semiconductor Devices Lieber, 4, 51, 2004 2018/11/18
Construction of DNA / Protein Chips Array of Sensors with various Probe molecules Automated Measurements Si Key challenge: Selective functionalization of different nanowires? Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 微电子发展的主要挑战 超大尺寸晶片的不断增大 亚100nm分辨率的光刻系统 超小尺寸的逻辑存贮器件 多级互连的寄生RC延迟 微电子产业的高额投资 Semiconductor Devices 2018/11/18
固体的最小尺寸 功耗限制 电压或电流感应击穿的限制 噪声限制 Heisenberg不确定原理的限制 微电子发展的极限 固体的最小尺寸 功耗限制 电压或电流感应击穿的限制 噪声限制 Heisenberg不确定原理的限制 Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 解决途径 新材料：非晶硅，多晶硅，SiGe，Ⅲ-Ⅴ族复合半导体，有机材料，宽禁带半导体（SiC、GaN） 新结构器件 新互连方法：铜连线、低K，光连接等。 深亚微米尺度下器件和电路设计CAD工具 新电路 新电源：板上太阳能，生物电，空间微波等 纳米技术 3D电路 Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 主要半导体器件 PN结二极管和肖特基结二极管 双极型晶体管 化合物半导体器件 MOSFET 功率器件 量子器件 光电子器件 电力电子器件 传感器件 Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 内容：课程章节 本课是一门重要的专业基础课 了解半导体器件的工作原理，物理概念和器件特性。 掌握研究半导体器件工作原理和器件特性的基本方法，为从事半导体器件的研制和应用打下基础。 基础：半导体物理基本概念、p－n结、结型场效应晶体管。 重点：双极型晶体管、化合物半导体器件、MOS器件。 Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 课程章节 前 言 半导体器件进展 第一章： 半导体物理基础概论 半导体材料、半导体能带结构、热平衡载流子浓度、载流子输运现象、非平衡载流子及光学性质。 第二章： p-n结 pn结基本原理、耗尽区和耗尽层电容、直流特性、瞬态特性、结击穿，异质结与高低结、pn结二极管的典型应用。 第三章： 双极型晶体管 基本原理、IV特性、晶体管模型、频率特性、功率特性、开关特性，异质结晶体管HBT。 Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 课程章节 第四章： 单极型器件 金半接触、肖特基势垒二极管、欧姆接触、结型场效应晶体管、肖特基栅场效应晶体管、异质结MESFET。 第五章： MOS器件 MOS结构及MOS二极管、MOSFET基本理论、频率特性、击穿特性、功率特性、开关特性、CMOS器件、温度特性、短沟道效应、短沟道MOSFET。 第六章：新型器件介绍 微波器件，隧道二极管、光电子器件，发光二极管，半导体激光器，光电探测器，太阳能电池，量子阱激光器。 Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 教材及主要参考书 教材： 《半导体器件物理》 孟庆巨 刘海波 孟庆辉编著，科学出版社，2005年 参考书： S. M.Sze,Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed, Wiley, 1981 《半导体器件物理》S.M.Sze著，黄振岗译，北京电子工业出版社，1989年 《半导体器件物理》刘树林、张华曹、柴常春，电子工业出版社，2005 《半导体器件物理基础》曾树荣编著，北京大学出版社，2007年 《半导体器件基础》Robert F. Pierret著，黄如等译，电子工业出版社，2004 《半导体器件物理与工艺》 S.M.Sze著，王阳元译，北京科学出版社，1992年 《晶体管原理》 刘永、张福海著，北京国防工业出版社。 《半导体器件：电力、敏感、光子微波器件》刘刚、岳辉著，北京科学出版社。 《半导体物理学》 刘恩科、朱秉升、罗晋生等，国防工业出版社 1997。 Semiconductor Devices 2018/11/18
Semiconductor Devices 期末总评 考核方式 成绩 40%（半导体器件调研） 60%（卷面成绩） 课件下载： http://staff.ustc.edu.cn/~xujung Semiconductor Devices 2018/11/18