4章TFT相關(guān)的半導(dǎo)體基礎(chǔ)重點(diǎn)能帶與載流子及載流子遷移率空間電荷區(qū)與能帶的彎曲接觸電勢(shì)差與p-n結(jié)

MOS晶體管溝道保護(hù)膜漏極象素電極單元TFT的斷面保護(hù)膜源極N+a-Sia-Si柵極絕緣膜玻璃基板金屬絕緣層a-SiN+-Si

金屬柵極源極漏極單元TFT的簡(jiǎn)單構(gòu)圖一、晶體中的點(diǎn)缺陷和雜質(zhì)1、空位和間隙原子間隙原子空位密度：n1=N1e-E1/kT

n2=N2e-E2/kTN1、N2單位體積內(nèi)的格點(diǎn)數(shù)和間隙數(shù)。間隙式雜質(zhì)替代式雜質(zhì)2、雜質(zhì)雜質(zhì)擴(kuò)散的密度流與雜質(zhì)密度梯度成正比

j=-DCD：擴(kuò)散系數(shù)

D=D0e-E/kT二、電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和能級(jí)1、原子中的電子狀態(tài)和能級(jí)E4E3E2E11s,2s,2p,3s,3d,3p4s,...內(nèi)層軌道上的電子受束縛強(qiáng)，能級(jí)低；外層軌道上的電子受束縛弱，能級(jí)高。2、自由空間中的電子狀態(tài)和能級(jí)E0kE(k)=h2k2/4mP=hk/2v=p/m=hk/2m3、晶體中的電子和能帶即圍繞每一原子運(yùn)動(dòng)，又要在原子之間做共有化運(yùn)動(dòng)，原子中的電子能級(jí)分裂為一系列彼此靠的很近的能級(jí)，組成有一定寬度的帶。三、導(dǎo)帶和價(jià)帶，電子和空穴半導(dǎo)體的導(dǎo)帶與價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶Eg禁帶空穴準(zhǔn)自由電子施主與受主：能給出電子的雜質(zhì)原子或點(diǎn)缺陷叫施主；能接受電子的雜質(zhì)原子或點(diǎn)缺陷叫受主。導(dǎo)帶價(jià)帶Ed施主Ea受主四、半導(dǎo)體中的電導(dǎo)和霍爾效應(yīng)1、載流子的散射運(yùn)載電荷而引起電流的是導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴——稱(chēng)為載流子。載流子不斷受到振動(dòng)著的原子、雜質(zhì)和缺陷等不完整性的碰撞，使得它們運(yùn)動(dòng)的速度發(fā)生無(wú)規(guī)則的改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為散射。正因?yàn)樯⑸涞拇嬖冢娮优c電子之間，以及電子與原子之間才可以交換能量，使得它們構(gòu)成一個(gè)熱平衡的統(tǒng)計(jì)體系。散射幾率和弛予時(shí)間：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)被碰撞的次數(shù)為散射幾率。載流子每遭到一次碰撞平均所經(jīng)歷的時(shí)間為弛予時(shí)間，。散射幾率為1/。2、電導(dǎo)現(xiàn)象RI在半導(dǎo)體樣品兩端加電壓，其內(nèi)部則產(chǎn)生電場(chǎng)。載流子被電場(chǎng)所加速進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)，在半導(dǎo)體中引起一定電流，這就是電導(dǎo)現(xiàn)象。載流子在電場(chǎng)中的加速度：

a=(±e)E/m*

E：電場(chǎng)m*：載流子有效質(zhì)量載流子在電場(chǎng)中的漂移速度：

vd

=a=[(±e)/m*]E上式表明，載流子的漂移速度與外電場(chǎng)平行，且成比例。比例系數(shù)通常稱(chēng)為載流子的遷移率。空穴和電子的遷移率：

p=ep/mp

（空穴）

n=en/mn

（電子）遷移率：cm2/V.S不僅反映導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，而且直接決定載流子漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的快慢，決定材料是否適合做高頻器件。在雜質(zhì)濃度一定的情況下，電子的遷移率比空穴的大。空穴和電子的速度：

vp=pE（空穴）

vn

=nE（電子）空穴和電子的電導(dǎo)率：p=pep（空穴）

n=nen（電子）電導(dǎo)率：反映半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力的物理量。它由載流子密度和遷移率來(lái)決定。3、一種載流子的霍爾效應(yīng)在電場(chǎng)強(qiáng)度為E和磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的電磁場(chǎng)中，載流子要受到洛侖茲力F的作用：

F=(±e)[E+vB]在半導(dǎo)體中，如果同時(shí)有外電場(chǎng)和與其垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度存在時(shí)，載流子由于受洛侖茲力的作用一方面沿著電場(chǎng)作用的方向產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，另一方面又因磁場(chǎng)對(duì)它們的作用使漂移運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。于是在垂直于外電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向上，就引起橫向的電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，霍爾1879年在金屬箔上發(fā)現(xiàn)。++++++______IBEyFy++++++______IBEyFy(a)n型材料(b)p型材料0xyzEy

=±HEx

Bz五、非平衡載流子六、半導(dǎo)體表面半導(dǎo)體表面對(duì)半導(dǎo)體器件的性能，常常有著重要的影響。附著于表面的電荷可以在表面內(nèi)感生出導(dǎo)電溝道，引起表面漏電。另一方面利用表面效應(yīng)可作成許多種器件，如金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOS晶體管），現(xiàn)已應(yīng)用在集成電路中。許多重要的半導(dǎo)體表面效應(yīng)，幾乎都同表面形成的一層空間電荷區(qū)相聯(lián)系。在此區(qū)域中有電場(chǎng)存在，同時(shí)載流子密度發(fā)生變化。1、表面勢(shì)VSEMIS電容器空間電荷區(qū)形成電場(chǎng)E和電勢(shì)VS的變化+VG垂直電場(chǎng)的存在使半導(dǎo)體表面內(nèi)形成具有相當(dāng)厚度的空間電荷區(qū)，起到對(duì)電場(chǎng)的屏蔽作用。空間電荷的形成是由于自由載流子的過(guò)剩或欠缺以及雜質(zhì)能級(jí)上電子密度的變化引起的。與空間電荷的存在相聯(lián)系的是電場(chǎng)的變化。在空間電荷區(qū)中仍存在電場(chǎng)，由外至內(nèi)逐漸減弱，直到其邊界才基本上全部被屏蔽。在此區(qū)域中電場(chǎng)的出現(xiàn)引起電勢(shì)的變化。于是半導(dǎo)體表面與體內(nèi)之間產(chǎn)生一電勢(shì)差，稱(chēng)為表面勢(shì)VS。外電場(chǎng)與半導(dǎo)體電荷面密度QSC之間的關(guān)系為：E=-QSC/i2、能帶的彎曲以前討論的能帶圖形是表示晶體周期性勢(shì)場(chǎng)中電子的能級(jí)分布。而在空間電荷區(qū)中由于存在宏觀電勢(shì)V(x)，使得電子有了一個(gè)附加的靜電勢(shì)能(-e)V(x)，它隨著位置而變化（這種宏觀電場(chǎng)比起晶體中周期性排列的原子作用于電子上的微觀電場(chǎng)來(lái)是非常微弱的）。因此電子能級(jí)升降的高低也不同，造成能帶的彎曲。x00xVVECEfEiEvECEiEvEf+++___電子勢(shì)壘空穴勢(shì)壘空間正電荷區(qū)空間負(fù)電荷區(qū)Ef：費(fèi)米能級(jí)反映熱平衡條件下電子在各能級(jí)中分布情況的參數(shù)。同一熱平衡體系應(yīng)該有相同的費(fèi)米能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)：多子：決定導(dǎo)電類(lèi)型的多數(shù)載流子。少子：不決定導(dǎo)電類(lèi)型的、與多數(shù)載流子電性相反的少數(shù)載流子。（3）反型層從耗盡層開(kāi)始，當(dāng)勢(shì)壘進(jìn)一步提高時(shí)，少子密度有可能超過(guò)多子密度，形成與原來(lái)導(dǎo)電類(lèi)型相反的一層。（1）積累層由于能帶彎曲，在表面附近的一層中多數(shù)載流子密度增加，稱(chēng)為積累層。（2）耗盡層在表面附近的一層中自由載流子幾乎全部被排斥離開(kāi)，只留下空間電荷區(qū)。金屬氧化物半導(dǎo)體P型積累層P型Si耗盡層P型SiP型Si反型層耗盡層(a)平帶（VG=0）積累層(VG<0)（c）耗盡層(VG>0)（d）反型層(VG>0)理想的MOS結(jié)構(gòu)在各種偏壓下的能帶彎曲

3、接觸電勢(shì)差（1）功函數(shù)晶體中的電子雖然可以在其中自由運(yùn)動(dòng)，但卻不能離開(kāi)晶體表面。這表明電子受晶體中原子的束縛。由于熱運(yùn)動(dòng)，在任何溫度下實(shí)際上都有一小部分電子具有足夠的熱運(yùn)動(dòng)能量跑出晶體外，形成熱電子發(fā)射。熱電子流jje-W/kTW標(biāo)志著電子在晶體中束縛地強(qiáng)弱，稱(chēng)為晶體的功函數(shù)。W=E0-Ef

,E0

是在靠近晶體表面的自由空間中電子的最低能量。金屬和n型半導(dǎo)體的能帶圖金屬真空半導(dǎo)體絕緣用導(dǎo)線(xiàn)連接兩者間距離減小彼此接觸（2）接觸電勢(shì)差金屬的費(fèi)米能級(jí)為EfM

，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)為EfS，它們的功函數(shù)分別為WM、WS。因?yàn)镋fS

高于EfM

，所以WM

大于WS。把金屬和半導(dǎo)體連接起來(lái)，電子顯然要從費(fèi)米能級(jí)高的半導(dǎo)體流到費(fèi)米能級(jí)低的金屬。因此金屬由于電子過(guò)剩帶負(fù)電，半導(dǎo)體中電子欠缺帶正電。（3）實(shí)際MOS電容器中氧化層內(nèi)電荷的影響實(shí)際MOS系統(tǒng)的絕緣層中往往存在有正電荷，影響MOS系統(tǒng)的電學(xué)特性。設(shè)想正電荷存在于絕緣體和半導(dǎo)體的交界面附近，面密度為QSS，此時(shí)在金屬電極上感生出負(fù)電荷QM，在半導(dǎo)體深表面處感生出負(fù)電荷QSC，它們之間滿(mǎn)足

QM+QSC=-QSS并產(chǎn)生表面勢(shì)。氧化層中的電荷引起半導(dǎo)體表面附近的能帶彎曲平帶電壓（4）平帶電壓為了抵消絕緣層中電荷的作用，可以加一定偏壓，使金屬極板表面的相反電性電荷QM=-QSS,能夠把絕緣層中的電荷電力線(xiàn)全部吸引過(guò)去。這使電場(chǎng)屏避在絕緣層內(nèi)，使半導(dǎo)體表面能帶恢復(fù)到平直狀況。降落在絕緣層上的平帶電壓為：

VFB=-QSSdi

/0i=-QSS/Ci

（5）Si-SiO2結(jié)構(gòu)在制造半導(dǎo)體器件的平面工藝中，都要熱生長(zhǎng)或淀積一層SiO2，可作為雜質(zhì)有選擇地進(jìn)行擴(kuò)散的掩膜或起到表面鈍化的作用。在MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管中SiO2層作為把金屬柵、Si層相隔離的絕緣介質(zhì)。但SiO2層中容易引進(jìn)可動(dòng)離子沾污，尤其是Na+。因此通常加入磷硅玻璃作為Na+的阻擋層。磷硅玻璃的結(jié)構(gòu)比較致密Na+不易穿透。七、p-n

結(jié)在一片半導(dǎo)體樣品上通過(guò)控制施主與受主濃度的辦法，可以使得一邊是以電子導(dǎo)電為主的n型半導(dǎo)體，另一邊是空穴導(dǎo)電為主的p型半導(dǎo)體。在這兩個(gè)區(qū)域的交界處附近，形成p-n結(jié)。p-n結(jié)是大多數(shù)半導(dǎo)體器件的核心，可制作成整流器、檢波器、開(kāi)關(guān)、放大器、光電池和半導(dǎo)體激光器等。1、平衡態(tài)p-n結(jié)的性質(zhì)接觸電勢(shì)差V0自建電場(chǎng)2、p-n結(jié)的電流—電壓特性p-n結(jié)的主要特性是具有整流效應(yīng)，即單向?qū)щ娦浴Ｍ饧与妷涸趐區(qū)為正端、n區(qū)為負(fù)端時(shí)，流過(guò)p-n結(jié)的電流大，并隨電壓的增高而迅速增大。反之外加電壓在p區(qū)為負(fù)端、n區(qū)為正端時(shí)，流過(guò)p-n結(jié)的電流小，并隨電壓的增高而趨向飽和值。外加偏壓對(duì)p-n結(jié)的影響P-n結(jié)少數(shù)載流子的注入和抽出正偏壓下的少子注入反偏壓下的少子抽出3、簡(jiǎn)單理論的修正—導(dǎo)通電壓4、p-n結(jié)電容（1）勢(shì)壘電容p-n結(jié)的勢(shì)壘區(qū)是一個(gè)由正電荷和負(fù)電荷構(gòu)成的偶極層勢(shì)壘區(qū)中的空間電荷要隨著外加電壓而變化，因而具有電容效應(yīng)。稱(chēng)為勢(shì)壘電容。按照雜質(zhì)分布的不同，可以把p-n結(jié)區(qū)分為突變結(jié)和線(xiàn)性緩變結(jié)。突變結(jié)緩變結(jié)八、MOS

晶體管金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，通常也叫做絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS晶體管。它在半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路中占有十分重要的地位。1、n型溝道MOS晶體管是用p型硅作襯底制成的。在硅表面上做上兩個(gè)高摻雜的n+型“源”、“漏”區(qū)，兩區(qū)之間的硅表面上有一層薄氧化膜，再在n+型的“源”、“漏”區(qū)上做歐姆接觸引出電極。N型溝道增強(qiáng)型MOS晶體管：柵極上加上正電壓，且此正電壓大于開(kāi)啟電壓VT時(shí)源極和漏極之間才會(huì)導(dǎo)電，隨著正電壓的增加，溝道的導(dǎo)電性能也跟著增強(qiáng)。如果氧化膜中含有