4章TFT相關的半導體基礎重點能帶與載流子及載流子遷移率空間電荷區與能帶的彎曲接觸電勢差與p-n結

MOS晶體管溝道保護膜漏極象素電極單元TFT的斷面保護膜源極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的簡單構圖一、晶體中的點缺陷和雜質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單位體積內的格點數和間隙數。間隙式雜質替代式雜質2、雜質雜質擴散的密度流與雜質密度梯度成正比

j=-DCD：擴散系數

D=D0e-E/kT二、電子的運動狀態和能級1、原子中的電子狀態和能級E4E3E2E11s,2s,2p,3s,3d,3p4s,...內層軌道上的電子受束縛強，能級低；外層軌道上的電子受束縛弱，能級高。2、自由空間中的電子狀態和能級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動，又要在原子之間做共有化運動，原子中的電子能級分裂為一系列彼此靠的很近的能級，組成有一定寬度的帶。三、導帶和價帶，電子和空穴半導體的導帶與價帶導帶價帶Eg禁帶空穴準自由電子施主與受主：能給出電子的雜質原子或點缺陷叫施主；能接受電子的雜質原子或點缺陷叫受主。導帶價帶Ed施主Ea受主四、半導體中的電導和霍爾效應1、載流子的散射運載電荷而引起電流的是導帶電子與價帶空穴——稱為載流子。載流子不斷受到振動著的原子、雜質和缺陷等不完整性的碰撞，使得它們運動的速度發生無規則的改變，這種現象稱為散射。正因為散射的存在，電子與電子之間，以及電子與原子之間才可以交換能量，使得它們構成一個熱平衡的統計體系。散射幾率和弛予時間：單位時間內被碰撞的次數為散射幾率。載流子每遭到一次碰撞平均所經歷的時間為弛予時間，。散射幾率為1/。2、電導現象RI在半導體樣品兩端加電壓，其內部則產生電場。載流子被電場所加速進行漂移運動，在半導體中引起一定電流，這就是電導現象。載流子在電場中的加速度：

a=(±e)E/m*

E：電場m*：載流子有效質量載流子在電場中的漂移速度：

vd

=a=[(±e)/m*]E上式表明，載流子的漂移速度與外電場平行，且成比例。比例系數通常稱為載流子的遷移率。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不僅反映導電能力的強弱，而且直接決定載流子漂移和擴散運動的快慢，決定材料是否適合做高頻器件。在雜質濃度一定的情況下，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）空穴和電子的電導率：p=pep（空穴）

n=nen（電子）電導率：反映半導體材料導電能力的物理量。它由載流子密度和遷移率來決定。3、一種載流子的霍爾效應在電場強度為E和磁感應強度為B的電磁場中，載流子要受到洛侖茲力F的作用：

F=(±e)[E+vB]在半導體中，如果同時有外電場和與其垂直的磁感應強度存在時，載流子由于受洛侖茲力的作用一方面沿著電場作用的方向產生漂移運動，另一方面又因磁場對它們的作用使漂移運動發生偏轉。于是在垂直于外電場和磁場的方向上，就引起橫向的電動勢，這種現象被稱為霍爾效應，霍爾1879年在金屬箔上發現。++++++______IBEyFy++++++______IBEyFy(a)n型材料(b)p型材料0xyzEy

=±HEx

Bz五、非平衡載流子六、半導體表面半導體表面對半導體器件的性能，常常有著重要的影響。附著于表面的電荷可以在表面內感生出導電溝道，引起表面漏電。另一方面利用表面效應可作成許多種器件，如金屬—氧化物—半導體場效應晶體管（MOS晶體管），現已應用在集成電路中。許多重要的半導體表面效應，幾乎都同表面形成的一層空間電荷區相聯系。在此區域中有電場存在，同時載流子密度發生變化。1、表面勢VSEMIS電容器空間電荷區形成電場E和電勢VS的變化+VG垂直電場的存在使半導體表面內形成具有相當厚度的空間電荷區，起到對電場的屏蔽作用。空間電荷的形成是由于自由載流子的過剩或欠缺以及雜質能級上電子密度的變化引起的。與空間電荷的存在相聯系的是電場的變化。在空間電荷區中仍存在電場，由外至內逐漸減弱，直到其邊界才基本上全部被屏蔽。在此區域中電場的出現引起電勢的變化。于是半導體表面與體內之間產生一電勢差，稱為表面勢VS。外電場與半導體電荷面密度QSC之間的關系為：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場中電子的能級分布。而在空間電荷區中由于存在宏觀電勢V(x)，使得電子有了一個附加的靜電勢能(-e)V(x)，它隨著位置而變化（這種宏觀電場比起晶體中周期性排列的原子作用于電子上的微觀電場來是非常微弱的）。因此電子能級升降的高低也不同，造成能帶的彎曲。x00xVVECEfEiEvECEiEvEf+++___電子勢壘空穴勢壘空間正電荷區空間負電荷區Ef：費米能級反映熱平衡條件下電子在各能級中分布情況的參數。同一熱平衡體系應該有相同的費米能級。費米能級：多子：決定導電類型的多數載流子。少子：不決定導電類型的、與多數載流子電性相反的少數載流子。（3）反型層從耗盡層開始，當勢壘進一步提高時，少子密度有可能超過多子密度，形成與原來導電類型相反的一層。（1）積累層由于能帶彎曲，在表面附近的一層中多數載流子密度增加，稱為積累層。（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，只留下空間電荷區。金屬氧化物半導體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結構在各種偏壓下的能帶彎曲

3、接觸電勢差（1）功函數晶體中的電子雖然可以在其中自由運動，但卻不能離開晶體表面。這表明電子受晶體中原子的束縛。由于熱運動，在任何溫度下實際上都有一小部分電子具有足夠的熱運動能量跑出晶體外，形成熱電子發射。熱電子流jje-W/kTW標志著電子在晶體中束縛地強弱，稱為晶體的功函數。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型半導體的能帶圖金屬真空半導體絕緣用導線連接兩者間距離減小彼此接觸（2）接觸電勢差金屬的費米能級為EfM

，半導體的費米能級為EfS，它們的功函數分別為WM、WS。因為EfS

高于EfM

，所以WM

大于WS。把金屬和半導體連接起來，電子顯然要從費米能級高的半導體流到費米能級低的金屬。因此金屬由于電子過剩帶負電，半導體中電子欠缺帶正電。（3）實際MOS電容器中氧化層內電荷的影響實際MOS系統的絕緣層中往往存在有正電荷，影響MOS系統的電學特性。設想正電荷存在于絕緣體和半導體的交界面附近，面密度為QSS，此時在金屬電極上感生出負電荷QM，在半導體深表面處感生出負電荷QSC，它們之間滿足

QM+QSC=-QSS并產生表面勢。氧化層中的電荷引起半導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全部吸引過去。這使電場屏避在絕緣層內，使半導體表面能帶恢復到平直狀況。降落在絕緣層上的平帶電壓為：

VFB=-QSSdi

/0i=-QSS/Ci

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

結在一片半導體樣品上通過控制施主與受主濃度的辦法，可以使得一邊是以電子導電為主的n型半導體，另一邊是空穴導電為主的p型半導體。在這兩個區域的交界處附近，形成p-n結。p-n結是大多數半導體器件的核心，可制作成整流器、檢波器、開關、放大器、光電池和半導體激光器等。1、平衡態p-n結的性質接觸電勢差V0自建電場2、p-n結的電流—電壓特性p-n結的主要特性是具有整流效應，即單向導電性。外加電壓在p區為正端、n區為負端時，流過p-n結的電流大，并隨電壓的增高而迅速增大。反之外加電壓在p區為負端、n區為正端時，流過p-n結的電流小，并隨電壓的增高而趨向飽和值。外加偏壓對p-n結的影響P-n結少數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、簡單理論的修正—導通電壓4、p-n結電容（1）勢壘電容p-n結的勢壘區是一個由正電荷和負電荷構成的偶極層勢壘區中的空間電荷要隨著外加電壓而變化，因而具有電容效應。稱為勢壘電容。按照雜質分布的不同，可以把p-n結區分為突變結和線性緩變結。突變結緩變結八、MOS

晶體管金屬—氧化物—半導體場效應晶體管，通常也叫做絕緣柵場效應晶體管，簡稱MOS晶體管。它在半導體大規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高摻雜的n+型“源”、“漏”區，兩區之間的硅表面上有一層薄氧化膜，再在n+型的“源”、“漏”區上做歐姆接觸引出電極。N型溝道增強型MOS晶體管：柵極上加上正電壓，且此正電壓大于開啟電壓VT時源極和漏極之間才會導電，隨著正電壓的增加，溝道的導電性能也跟著增強。如果氧化膜中含有