半導體器件 緒論

1、 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices1半導體器件原理半導體器件原理theory of semiconductor devices聯(lián)系方式 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices2前言 半導體器件進展 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices3 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices4 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices5

2、中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices6 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices7 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices8 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices9 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices10 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices11 中國科學技術(shù)大學物理

3、系微電子專業(yè)12mos device 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)13cmos technology for 25 nm channel lengthcmos technology for 25 nm channel length 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)14cmos technology for 25 nm channel lengthcmos technology for 25 nm channel length 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices15chandrasakan lab uwb project chips

4、中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices16chandrasakan lab uwb project chips 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices17 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices18 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices19 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices20 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-

5、11-7semiconductor devices21original motivation:moores law 1950 1970 1990 2010 20301 m1 cmyearvlsiintegratedcircuitstransistorvacuum valvesmolecular dimensions1 m mm10 nm1 a adevice sizefrom intel 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices22 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices23“摩爾定律摩爾

6、定律”：處理器：處理器(cpu)(cpu)的功能和的功能和復雜性每年復雜性每年( (其后期減慢為其后期減慢為1818個月個月) )會會增加一倍，而成本卻成比例地遞減。增加一倍，而成本卻成比例地遞減。在技術(shù)上，摩爾定律依然勇往直前在技術(shù)上，摩爾定律依然勇往直前 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices24si substratemetal gatehigh-ktri-gatesgdiii-vscarbon nanotube fet50 nm35 nm30 nmsige s/dstrained siliconfuture options subj

7、ect to research & changesige s/dstrained silicon90 nm65 nm45 nm32 nm20032005200720092011+technology generationsource: intel20 nm10 nm5 nm5 nm5 nmnanowiremanufacturing development researchtransistor researchresearch options:high-k & metal gatenon-planar trigateiii-v, cnt, nw 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2

8、021-11-7semiconductor devices25 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices26 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices27 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices28 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices29building blocks for nanoelectronicscarbon nanotubesnanowiresquantum dotsa

9、dvantages for one-dimensional nanostructures:atomic precision available via chemical synthesis;easy to wire up (compared to quantum dots);rich and versatile properties. 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices30cnt is a tubular form of carbon with diameter as small as 1 nm. length: few nm to c

10、m.cnt is configurationally equivalent to a two dimensional graphene sheet rolled into a tube.cnt exhibits:1. carrier mobility 100,000 cm2/vs2. youngs modulus over 1 tera pascal, as stiff as diamond;3. tensile strength 200 gpa.cnt can be metallic or semiconducting, depending on chirality. 中國科學技術(shù)大學物理系

11、微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices31cnt fetsgate 8nm hfo2sio2p+ sipdpdcntdelft : tans, et al., nature, 393, 49, 1998javey, et al., nano letters, 4, 1319, 2004appenzeller, et al., prl, 93, 19, 2005drainsourcegatedrainsourcegatesapphire substrategateoxideliu, et al., nano letters, 6, 34, 2006 中國科學技術(shù)大

12、學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices32traditional approach: on-site synthesis of single-walled carbon nanotubessisio2pmmacatalystch4nanotubecatalyst island900 cmetal electrodeh. dai, et al, nature 395, 878 (1998). 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices33infrastructure: nanotube cvd genera

13、tion i 1 m mm1 m mm2.6 nm in diameter 1.0 nm in diameter high-quality nanotubes can be grown at specific positions-60-50-40-30-20-100ids(na)-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0vds(v)vg: -4 v 0 v 2 v 6 vnanotube transistor can be easily produced.si back gatesio2sd 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices34t

14、oward integrated nanotube systemssi back gatesio2kn typesdpotassium source6005004003002001000ids (na)1.00.20.0vds (v)vg: 6 v 4 v 2 v 0 vpotassium doping:1. heat up a potassium source;2. electron transfer from k to the nanotube reverts the doping from p type to n type.n-type field effect tra

15、nsistor 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices35integrated nanotube systems:complementary carbon nanotube invertercarbon nanotube field-effect inverters, x. liu, r. lee, j. han, c. zhou, appl. phys. lett. 79, 3329 (2001).one of the first integrated systems made of carbon nanotubes.si back ga

16、tekvinvoutvddgndp-type cntn-type cnt6040200ids(na)-4 -2024vg(v)vds=10 mvp type mosfet:12840ids (na)-4 -2024vg (v)vds=10 mvn type mosfet:2.52.01.51.00.50.0vout(v)2.52.01.51.00.50.0vin(v)vdd=2.9 vvinvout0 vvddpn 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices36 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor de

17、vices37 biosensor arrays 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices38si nanowires as dna sensorsmicrofluidic processpna-dna duplexpna receptorlieber, 4, 51, 2004avidin-modified nw was linked with biotinylated pna probes, and followed by dna hybridization. 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor d

18、evices39siconstruction of dna / protein chipsautomated measurementsarray of sensors with various probe moleculeskey challenge: selective functionalization of different nanowires? 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices40按比例縮小的主要挑戰(zhàn) 超大尺寸晶片的不斷增大 亞100nm分辨率的光刻系統(tǒng) 超小尺寸的邏輯存貯器件 多級互連的寄生rc延遲 微電子產(chǎn)業(yè)的高額投資

19、中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices41微電子小型化的極限 固體的最小尺寸 功耗限制 電壓或電流感應擊穿的限制 噪聲限制 heisenberg不確定原理的限制 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices42解決途徑 新材料：非晶硅，多晶硅，sige，-族復合半導體，有機材料，寬禁帶半導體（sic、gan） 新結(jié)構(gòu)器件 新互連方法：銅連線、低k，光連接等。 深亞微米尺度下器件和電路設計cad工具 新電路 新電源：板上太陽能，生物電，空間微波等 納米技術(shù) 3d電路 中國科學技術(shù)大學物理系微電子

20、專業(yè)2021-11-7semiconductor devices43小結(jié)總結(jié)與展望： 雙極型晶體管 化合物半導體器件 mosfet 功率器件 量子器件 光電子器件 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices44內(nèi)容：課程章節(jié) 本課是一門重要的專業(yè)基礎課 了解半導體器件的工作原理，物理概念和器件特性。 掌握研究半導體器件工作原理和器件特性的基本方法，為從事半導體器件的研制和應用打下基礎。 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices45 前前 言言 半導體器件進展半導體器件進展 第一章：第一章： 半導體物理基礎半導體物理基礎 半導體材料、半導體能帶、本征載流子濃度、載流子輸運現(xiàn)象、非本征載流子及光學性質(zhì)。 第二章：第二章： p-n結(jié)結(jié) 熱平衡下的pn結(jié)，耗盡區(qū)（耗盡層）和耗盡層電容，直流特性，pn結(jié)的瞬態(tài)特性，結(jié)擊穿，異質(zhì)結(jié)與高低結(jié)。 第三章：第三章： 雙極型晶體管雙極型晶體管 基本原理，靜態(tài)特性，頻率響應和開關(guān)特性，異質(zhì)結(jié)晶體管hbt、可控硅器件。課程章節(jié) 中國科學技術(shù)大學物理系微電子專業(yè)2021-11-7semiconductor devices46課程章節(jié) 第四章：第四章： 單極型器件單極型器件金半接觸，肖特基勢壘二極管，結(jié)型場效應晶體管