半導(dǎo)體器件與TFT

半導(dǎo)體器件與TFT

品質(zhì)保證部,OQA科Nov.25,2004講述人：齊鵬半導(dǎo)體基礎(chǔ)概論。MOS管與TFT。Content：半導(dǎo)體基礎(chǔ)概論能帶論

N個(gè)原子靠的很近時(shí)，原來(lái)某個(gè)能級(jí)上的電子就分別處在分裂的N個(gè)能級(jí)上，這N個(gè)能級(jí)組成一個(gè)能帶，這時(shí)電子不再屬于某個(gè)原子而是在晶體中做共有化運(yùn)動(dòng)。分裂的每個(gè)能帶成為允帶，允帶之間因?yàn)闆](méi)有能級(jí)成為禁帶。如圖（1）所示：金剛石和半導(dǎo)體硅，鍺，他們的原子都有四個(gè)價(jià)電子，二個(gè)s電子，兩個(gè)p電子，組成晶體后，由于軌道雜化，價(jià)電子形成能帶如圖（2）所示：查詢：什么是s電子？什么是p電子？上下兩個(gè)能帶，中間隔以禁帶。能帶并不分別和s，p能級(jí)相對(duì)應(yīng)，而是上下分別包含2N態(tài)，由pollay不相容原理，各能容納4N個(gè)電子。根別先添低能級(jí)后高能級(jí)的原理，下面能帶填滿，上面能帶為空。下面的我們稱為滿帶或價(jià)帶，上面空的我們稱為導(dǎo)帶，中間為禁帶。圖（1）圖（2）半導(dǎo)體基礎(chǔ)概論用能帶論解釋導(dǎo)體，半導(dǎo)體和絕緣體。

－導(dǎo)體存在半滿帶。－半導(dǎo)體禁帶較小。－絕緣體禁帶較大。

－在半導(dǎo)體中EV稱為價(jià)帶頂，它是價(jià)帶電子最高能量；EC稱為導(dǎo)帶底，它是導(dǎo)帶電子的最低能量；EC－EV即為禁帶寬度Eg。價(jià)鍵上的電子激發(fā)成為準(zhǔn)自由電子，即價(jià)帶電子激發(fā)成為導(dǎo)帶電子的過(guò)程，稱為本征激發(fā)。空穴。

假定價(jià)帶中激發(fā)一個(gè)電子到導(dǎo)帶，價(jià)帶頂出現(xiàn)一個(gè)空狀態(tài)，這相當(dāng)于共價(jià)鍵缺少一個(gè)電子而出現(xiàn)一個(gè)空位置，這個(gè)空位置可以看成是帶正電的粒子，稱為空穴。引入這個(gè)概念后，就可以把價(jià)帶中大量電子對(duì)電流的貢獻(xiàn)用少量空穴表達(dá)。半導(dǎo)體基礎(chǔ)概論半導(dǎo)體中的雜質(zhì)。原子半導(dǎo)體中的雜質(zhì)主要是為了控制半導(dǎo)體的性質(zhì)而人為的摻入某種元素。雜質(zhì)存在方式以間歇式和替位式為主。而對(duì)我們有實(shí)際意義的為替位式。以硅中摻磷形成n型半導(dǎo)體，摻硼形成p型半導(dǎo)體。加入雜質(zhì)后為什么能夠易于導(dǎo)電，可以用能帶論的觀點(diǎn)進(jìn)行解釋。在禁帶中產(chǎn)生了能級(jí)。受主能級(jí)與施主能級(jí)。受主能級(jí)向價(jià)帶提供空穴而成為負(fù)電中心，施主能級(jí)向?qū)峁╇娮佣蔀檎娭行摹！?shí)際上，受主能級(jí)很接近價(jià)帶，施主能級(jí)很接近導(dǎo)帶，室溫下，晶格原子熱振動(dòng)能量傳給電子，使雜質(zhì)幾乎全部離子。半導(dǎo)體中載流子統(tǒng)計(jì)分布。（1）費(fèi)米分布

半導(dǎo)體中電子數(shù)目很多。從大量電子整體來(lái)看，在熱平衡狀態(tài)下，電子按能量大小具有統(tǒng)計(jì)分布的規(guī)律性。根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，服從pollay不相容原理的電子服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對(duì)于能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率f（E）服從費(fèi)米分布：

f(E）＝1\[1+EXP( E-EF)\kT]空穴被占的幾率為1－f（E）。思考為什么？？？EF稱為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量。這是一個(gè)很重要的物理參數(shù)，只要知道了數(shù)值，在一定溫度下電子在各量子態(tài)的統(tǒng)計(jì)分布就可以知道。引出玻爾茲曼分布函數(shù)。得出結(jié)論電子分布在導(dǎo)帶底附近，空穴分布在價(jià)帶頂附近。半導(dǎo)體基礎(chǔ)概論導(dǎo)帶底電子數(shù)：n0=Nc*f(EC),價(jià)帶底空穴數(shù)：P0=Nv*f(Ev)，推的在一定溫度下，一定的半導(dǎo)體材料n0×P0＝常數(shù)。思考為什么？？（2）載流子濃度：本征半導(dǎo)體：沒(méi)有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，同時(shí)價(jià)帶產(chǎn)生了空穴。電子與空穴成對(duì)出現(xiàn)，導(dǎo)帶中電子濃度等于價(jià)帶中的空穴濃度，這就是本征激發(fā)情況下電中性的條件。溫度升高時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量本征激發(fā)態(tài)，影響器件功能。一般情況下只有雜質(zhì)電離，器件工作穩(wěn)定。引入器件極限溫度。實(shí)際半導(dǎo)體器件中，載流子主要來(lái)源于雜質(zhì)電離。以摻磷的n型半導(dǎo)體為例：

(1)低溫弱電離區(qū)：溫度很低時(shí)，大部分施主雜質(zhì)能級(jí)仍為電

子占據(jù)，只有很少施主雜質(zhì)發(fā)生電離，這少量電子進(jìn)入導(dǎo)帶，這時(shí)稱為弱電離。（2）強(qiáng)電離區(qū)：當(dāng)溫度升高到大部分雜質(zhì)都電離為強(qiáng)電離。（3)高溫本征激發(fā)區(qū)：繼續(xù)升高溫度，使本征激發(fā)產(chǎn)生的本征載流子數(shù)遠(yuǎn)多于雜質(zhì)電離產(chǎn)生的載流子。

n-si

中電子濃度與溫度關(guān)系（3）摻雜情況下下的費(fèi)米能級(jí)：

摻有某種雜質(zhì)的半導(dǎo)體的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)由溫度和雜質(zhì)能度所決定。對(duì)于雜質(zhì)濃度一定的半導(dǎo)體，隨著溫度的升高，載流子從以雜質(zhì)電離為主過(guò)渡到以本征激發(fā)為主，相應(yīng)的，費(fèi)米能級(jí)則從位于雜質(zhì)能級(jí)附近移進(jìn)到禁帶中央。引入N＋－Si

和N－Si概念。如圖所示：費(fèi)米能級(jí)位置不但反映了半導(dǎo)體導(dǎo)電類型，而且反映了摻雜水平。半導(dǎo)體基礎(chǔ)概論6.半導(dǎo)體導(dǎo)電性：

漂移速度和遷移率的概念，電導(dǎo)率的概念。漂移速度：電子在電場(chǎng)力作用下的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，定向運(yùn)動(dòng)的速度稱為漂移速度。遷移率的引入：v＝uE。引入n型和p型遷移率的不同的原因，為什么使用n型半導(dǎo)體為多。對(duì)于n型半導(dǎo)體，n》p，電導(dǎo)率＝n×q×un；對(duì)于p型半導(dǎo)體，電導(dǎo)率＝p×q×up。對(duì)于本征半導(dǎo)體，n＝p＝ni，電導(dǎo)率＝nqun

＋pqup。

影響遷移率因素：雜質(zhì)濃度。影響電導(dǎo)率因素，雜質(zhì)濃度和遷移率必須相互協(xié)調(diào)。電阻率與溫度關(guān)系。如圖所示：電阻率直接用四探針可以測(cè)，廠線使用。上面的介紹主要針對(duì)active層中的

a－si和n＋a－si性質(zhì)。半導(dǎo)體基礎(chǔ)概論7.

金半接觸。金半接觸的介紹主要針對(duì)S－D層與n＋a－si層的性質(zhì)。金屬中的電子雖然能在金屬中自由運(yùn)動(dòng)，但要想從金屬中逸出必須外界給它足夠的能量。用E0表示真空中靜止電子的能量，用（EF）M表示內(nèi)部電子能量，則Wm＝E0－（EF）M。同理半導(dǎo)體中Ws＝？？。出現(xiàn)金半功函數(shù)差。用量子力學(xué)觀點(diǎn)，摻雜濃度很高的半導(dǎo)體電子躍遷不只是受勢(shì)壘高度決定，而且有隧道電流，其大小強(qiáng)烈依賴于摻雜濃度。隧道電流占主導(dǎo)時(shí)，接觸電阻很小，用作歐姆接觸。

制作歐姆接觸最常用的方法是用中餐雜的半導(dǎo)體與金屬接觸，常常是在n型的半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s后再與金屬接觸。

MIS結(jié)構(gòu)什么是MIS？？如圖所示：（和5Mask工藝對(duì)應(yīng)）理想結(jié)構(gòu)為金半接觸功函數(shù)為零，在絕緣層沒(méi)有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電。實(shí)際就是電容。半導(dǎo)體基礎(chǔ)概論隨著所加電壓的改變，空間電荷分布隨之改變。主要分為多數(shù)載流子堆積態(tài)，多數(shù)載流子耗盡態(tài)和少數(shù)載流子反型態(tài)。MOS管與TFTMOS基本工作原理與分類。

圖形所示：2.開(kāi)啟電壓VT。定義：溝道強(qiáng)反型。開(kāi)啟電壓表達(dá)式。推導(dǎo)前提：Qg+Qox+Qn+QB=0（1為柵電荷，2為絕緣層電荷，3為反型層，

4為耗盡層。）

影響開(kāi)啟電壓因素：1.柵電容。薄且致密。致密是絕緣。

2.功函數(shù)差。熱平衡費(fèi)米能級(jí)處處相等。能帶彎曲，為消除能帶彎曲。3.溝道摻雜濃度。影響QB。如圖：

4.表面態(tài)電荷。DSGVDSIdsVgs〈VthVgs=Vth+2Vgs=Vth+4Vgs=Vth+6Vgs=Vth+8線性區(qū)飽和區(qū)Vgd<Vth一Vgs<Vth：感應(yīng)通道未形成

Ids=0二Vgs&Vgd>Vth：形成感應(yīng)通道

Ids=1/2unCox(W/L)[(Vgs-Vth)Vds-Vds2]三Vgs>Vth&Vgd<Vth：進(jìn)入夾止區(qū)(在Drain側(cè)通道消失) Ids=1/2unCox(W/L)(Vgs-Vth)2影響Ids之重要參數(shù)1.Vth2.un：Mobility3.Cox：Gate到Channel的電容4.W/L3.MOS電流電壓特性：

分三個(gè)非飽和區(qū)，飽和區(qū)，截至區(qū)進(jìn)行推導(dǎo)。4.開(kāi)態(tài)電流與關(guān)態(tài)電流溫度和復(fù)合中心決定著關(guān)態(tài)電流。原因與前面介紹聯(lián)系。開(kāi)態(tài)電流相關(guān)因素分析與前面電壓電流特性聯(lián)系。短溝道和窄溝道效應(yīng)。

為什么在玻璃基板上只能做有限個(gè)晶體管。器件縮小后，將出現(xiàn)下列問(wèn)題：

（1）開(kāi)啟電壓下降。

（2）源漏的耗盡層寬度已經(jīng)長(zhǎng)于溝道，造成穿通。開(kāi)啟電壓：Vth2.

電子遷移率(Mobility)：un

Vp=unE3.

開(kāi)關(guān)電流比：

Ion/Ioff4.

因Cgs產(chǎn)生的DCVoltageOffset5.關(guān)態(tài)漏電流6.TFT-LCD關(guān)于Array之重要參數(shù)當(dāng)ON時(shí)信號(hào)線的資料寫入液晶電容，此時(shí)，TFT元件成低阻抗(RON)，當(dāng)OFF時(shí)TFT元件成高阻抗(ROFF)，可防止信號(hào)線資料的洩漏。

一般RON與ROFF電阻比至少約為10的五次方以上。

Vg(V)LogId01020-10-201.0x10-111.0x10-101.0x10-91.0x10-81.0x10-71.0x10-61.0x10-5柵極電壓和漏電流關(guān)系關(guān)態(tài)漏電流（Ioff）導(dǎo)致象素通過(guò)TFT電壓放電dVp，可用下式表示：

(1)式中，Cst—儲(chǔ)存電容；