Semiconductor Devices: Physics and Technology

Cover......Page 1
Title Page......Page 3
Copyright......Page 4
Contents......Page 7
0.1.1 Device Building Blocks......Page 13
0.1.2 Major Semiconductor Devices......Page 15
0.2.1 Key Semiconductor Technologies......Page 18
0.2.2 Technology Trends......Page 21
Summary......Page 24
1.1 Semiconductor Materials......Page 27
1.1.1 Element Semiconductors......Page 28
1.2 Basic Crystal Structures......Page 29
1.2.1 Unit Cell......Page 31
1.2.2 The Diamond Structure......Page 32
1.2.3 Crystal Planes and Miller Indices......Page 33
1.3 Valence Bonds......Page 34
1.4.1 Energy Levels of Isolated Atoms......Page 35
1.4.2 The Energy-Momentum Diagram......Page 38
1.4.3 Conduction in Metals, Semiconductors, and Insulators......Page 40
1.5 Intrinsic Carrier Concentration......Page 41
1.6 Donors and Acceptors......Page 46
1.6.1 Nondegenerate Semiconductor......Page 47
Summary......Page 52
2.1.1 Mobility......Page 55
2.1.2 Resistivity......Page 59
2.1.3 The Hall Effect......Page 62
2.2.1 Diffusion Process......Page 65
2.2.2 Einstein Relation......Page 66
2.2.3 Current Density Equations......Page 67
2.3.1 Direct Recombination......Page 68
2.3.2 Quasi-Fermi Level......Page 71
2.3.3 Indirect Recombination......Page 72
2.4 Continuity Equation......Page 74
2.4.1 Steady-State Injection from One Side......Page 76
2.4.2 Minority Carriers at the Surface......Page 77
2.4.3 The Haynes-Shockley Experiment......Page 78
2.5 Thermionic Emission Process......Page 80
2.6 Tunneling Process......Page 81
2.7 Space-Charge Effect......Page 83
2.8 High-Field Effects......Page 85
Summary......Page 89
CHAPTER 3: p-n Junction......Page 94
3
.1.1 Band Diagram......Page 95
3.1.2 Equilibrium Fermi Levels......Page 96
3.1.3 Space Charge......Page 98
3.2 Depletion Region......Page 99
3.2.1 Abrupt Junction......Page 100
3.2.2 Linearly Graded Junction......Page 104
3.3 Depletion Capacitance......Page 107
3.3.2 Evaluation of Impurity Distribution......Page 108
3.3.3 Varactor......Page 110
3.4.1 Ideal Characteristics......Page 111
3.4.2 Generation-Recombination and High-Injection Effects......Page 116
3.4.3 Temperature Effect......Page 119
3.5 Charge Storage and Transient Behavior......Page 120
3.5.2 Diffusion Capacitance......Page 121
3.5.3 Transient Behavior......Page 122
3.6 Junction Breakdown......Page 123
3.6.2 Avalanche Multiplication......Page 124
3.7 Heterojunction......Page 129
Summary......Page 132
CHAPTER 4: Bipolar Transistors and Related Devices......Page 135
4.1 Transistor Action......Page 136
4.1.1 Operation in the Active Mode......Page 137
4.1.2 Current Gain......Page 139
4.2 Static Characteristics of Bipolar Transistors......Page 141
4.2.1 Carrier Distribution in Each Region......Page 142
4.2.2 Ideal Transistor Currents for Active Mode Operation......Page 143
4.2.3 Modes of Operation......Page 146
4.2.4 Current-Voltage Characteristics of Common-Base and Common-Emitter Configurations......Page 147
4.3 Frequency Response and Switching of Bipolar Transistors......Page 149
4.3.1 Frequency Response......Page 150
4.3.2 Switching Transients......Page 153
4.4.1 Emitter Bandgap Narrowing......Page 154
4.4.3 Current Crowding......Page 155
4.4.4 Generation-Recombination Current and High-Current Effect......Page 156
4.5.1 Current Gain in HBT......Page 158
4.5.2 Basic HBT Structures......Page 159
4.5.3 Advanced HBTs......Page 160
4.6 Thyristors and Related Power Devices......Page 161
4.6.1 Basic Characteristics......Page 162
4.6.2 Bidirectional Thyristor......Page 166
Summary......Page 167
5.1 Ideal MOS Capacitor......Page 172
5.2 SiO2-Si MOS Capacitor......Page 181
5.3.1 Basic Conduction Processes in Insulators......Page 186
5.3.2 Dielectric Breakdown......Page 188
5.4 Charge-Coupled Devices (CCD)......Page 189
5.5 MOSFET Fundamentals......Page 192
5.5.1 Basic Characteristics......Page 193
5.5.2 Types of MOSFET......Page 199
5.5.3 Threshold Voltage Control......Page 200
Summary......Page 204
6.1.1 Short-Channel Effects......Page 207
6.1.2 Scaling Rules......Page 212
6.1.3 MOSFET Structures to Control Short-Channel Effects......Page 213
6.2.1 The CMOS Inverter......Page 217
6.2.2 Latch-up......Page 218
6.2.3 CMOS Image Sensor......Page 220
6.3.1 Thin Film Transistor (TFT)......Page 222
6.3.2 Silicon-on-Insulator (SOI) Devices......Page 224
6.3.3 Three-Dimensional Structures......Page 225
6.4.1 DRAM......Page 226
6.4.3 Nonvolatile Memory......Page 227
6.5 Power MOSFET......Page 235
Summary......Page 236
CHAPTER 7: MESFET and Related Devices......Page 240
7.1.1 Basic Characteristics......Page 241
7.1.2 The Schottky Barrier......Page 246
7.1.3 The Ohmic Contact......Page 250
7.2.1 Basic Device Structures......Page 252
7.2.2 Principles of Operation......Page 253
7.2.3 Current-Voltage Characteristics......Page 255
7.2.4 High-Frequency Performance......Page 259
7.3.1 MODFET Fundamentals......Page 261
7.3.2 Current-Voltage Characteristics......Page 265
7.3.3 Cutoff Frequency......Page 266
Summary......Page 267
CHAPTER 8: Microwave Diodes; Quantum-Effect and Hot-Electron Devices......Page 270
8.1 Microwave Frequency Bands......Page 271
8.3 IMPATT Diode......Page 272
8.3.1 Static Characteristics......Page 273
8.3.2 Dynamic Characteristics......Page 275
8.4.1 Negative Differential Resistance......Page 277
8.4.2 Device Performances......Page 279
8.5 Quantum-Effect Devices......Page 281
8.5.1 Resonant Tunneling Diode......Page 282
8.5.2 Unipolar Resonant Tunneling Transistor......Page 285
8.6 Hot-Electron Devices......Page 286
8.6.1 Hot-Electron HBT......Page 287
Summary......Page 289
9.1 Radiative Transitions and Optical Absorption......Page 292
9.1.1 Radiative Transitions......Page 293
9.1.2 Optical Absorption......Page 295
9.2.2 Optical characteristics of the LED......Page 298
9.2.3 Quantum Efficiency......Page 300
9.3.1 Visible LEDs......Page 303
9.3.2 Organic LED......Page 307
9.3.4 Infrared LED......Page 310
9.4.1 Semiconductor Materials......Page 314
9.4.2 Laser Operation......Page 315
9.4.3 Basic Laser Structure......Page 319
9.4.4 Distributed Feedback Lasers......Page 324
9.4.5 Quantum-Well Lasers......Page 325
9.4.6 Separate-Confinement Heterostructure MQW laser......Page 326
9.4.7 Quantum-Wire and Quantum-Dot lasers......Page 327
9.4.8 Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL)......Page 328
9.4.9 Quantum-Cascade Laser......Page 329
Summary......Page 331
10.1.1 Photoconductor......Page 335
10.1.2 Photodiode......Page 337
10.1.3 p-i-n Photodiode......Page 340
10.1.4 Metal-Semiconductor Photodiode......Page 342
10.1.5 Avalanche Photodiode......Page 343
10.1.6 Phototransistor......Page 345
10.1.8 Superlattice APD......Page 346
10.1.9 Quantum-Well Infrared Photodetector......Page 347
10.2.1 Solar Radiation......Page 348
10.2.2 p-n Junction Solar Cell......Page 349
10.3.1 Wafer-Based Solar Cells......Page 355
10.3.2 Thin-Film Solar Cells......Page 357
10.4 Third-Generation Solar Cells......Page 360
Summary......Page 364
11.1 Silicon Crystal Growth from the Melt......Page 369
11.1.2 The Czochralski Technique......Page 370
11.1.3 Distribution of Dopant......Page 371
11.1.4 Effective Segregation Coefficient......Page 374
11.2 Silicon Float-Zone Proces......Page 375
11.3.1 Starting Materials......Page 379
11.3.2 Crystal-Growth Techniques......Page 380
11.4.1 Wafer Shaping......Page 382
11.4.2 Crystal Characterization......Page 384
11.5.1 Chemical-Vapor Deposition......Page 389
11.5.2 Molecular-Beam Epitaxy......Page 392
11.6.1 Lattice-Matched and Strained-Layer Epitaxy......Page 396
11.6.2 Compound Semiconductors on Silicon......Page 398
Summary......Page 400
12.1 Thermal Oxidation......Page 404
12.1.1 Kinetics of Growth......Page 406
12.2.1 Chemical Vapor Deposition......Page 412
12.2.2 Silicon Dioxide......Page 414
12.2.3 Silicon Nitride......Page 417
12.2.4 Low-Dielectric-Constant Materials......Page 418
12.2.5 High-Dielectric–Constant Materials......Page 420
12.3 Chemical Vapor Deposition of Polysilicon......Page 421
12.4 Atom Layer Deposition......Page 424
12.5.1 Physical-Vapor Deposition......Page 426
12.5.2 CVD Metal Deposition......Page 428
12.5.3 Aluminum Metallization......Page 429
12.5.5 Chemical-Mechanical Polishing......Page 433
Summary......Page 437
13.1 Optical Lithography......Page 440
13.1.1 The Clean Room......Page 441
13.1.2 Exposure Equipment......Page 443
13.1.3 Masks......Page 445
13.1.4 Photoresist......Page 447
13.1.5 Pattern Transfer......Page 449
13.1.6 Resolution Enhancement Techniques......Page 451
13.2.1 Electron-Beam Lithography......Page 453
13.2.2 Extreme-Ultraviolet Lithography......Page 457
13.2.4 Comparison of Various Lithographic Methods......Page 458
13.3.1 Silicon Etching......Page 459
13.3.5 Gallium Arsenide Etching......Page 461
13.4 Dry Etching......Page 462
13.4.1 Plasma Fundamentals......Page 463
13.4.2 Surface Chemistry......Page 465
13.4.3 Capacitively Coupled Plasmas Etchers......Page 466
13.4.4 Inductively Coupled Plasma Etchers......Page 468
13.4.5 Plasma Diagnostics and End-Point Control......Page 471
13.4.6 Etching Chemistries and Applications......Page 472
Summary......Page 474
CHAPTER 14: Impurity Doping......Page 478
14.1 Basic Diffusion Process......Page 479
14.1.1 Diffusion Equation......Page 480
14.1.2 Diffusion Profiles......Page 482
14.1.3 Evaluation of Diffused Layers......Page 486
14.2.1 Concentration-Dependent Diffusivity......Page 488
14.2.2 Diffusion Profiles......Page 490
14.3.1 Lateral Diffusion......Page 492
14.3.2 Impurity Redistribution During Oxidation......Page 493
14.4 Range of Implanted Ions......Page 495
14.4.1 Ion Distribution......Page 496
14.4.2 Ion Stopping......Page 497
14.4.3 Ion Channeling......Page 500
14.5.1 Implant Damage......Page 502
14.5.2 Annealing......Page 503
14.6.1 Multiple Implantation and Masking......Page 507
14.6.3 High-Energy and High-current Implantation......Page 510
Summary......Page 513
CHAPTER 15: Integrated Devices......Page 517
15.1.1 The Integrated-Circuit Resistor......Page 519
15.1.2 The Integrated-Circuit Capacitor......Page 520
15.1.3 The Integrated-Circuit Inductor......Page 521
15.2 Bipolar Technology......Page 523
15.2.1 The Basic Fabrication Process......Page 524
15.2.3 Self-Aligned Double-Polysilicon Bipolar Structure......Page 526
15.3 MOSFET Technology......Page 528
15.3.1 The Basic Fabrication Process......Page 529
15.3.2 CMOS Technology......Page 531
15.3.3 BiCMOS Technology......Page 536
15.3.4 FinFET Technology......Page 537
15.3.5 Memory Devices......Page 538
15.4 MESFET Technology......Page 541
15.5.1 Challenges for Integration......Page 544
15.5.2 System-on-a-Chip......Page 548
Summary......Page 549
APPENDIX A: List of Symbols......Page 553
APPENDIX B: International Systems of Units (SI Units)......Page 555
APPENDIX C: Unit Prefixes......Page 556
APPENDIX D: Greek Alphabet......Page 557
APPENDIX E: Physical Constants......Page 558
APPENDIX F: Properties of Important Element and Binary Compound Semiconductors at 300 K......Page 559
APPENDIX G: Properties of Si and GaAs at 300 K......Page 560
APPENDIX H: Derivation of the Density of States in a Semiconductor......Page 561
APPENDIX I: Derivation of Recombination Rate for Indirect Recombination......Page 565
APPENDIX J: Calculation of the Transmission Coefficient for a Symmetric Resonant-Tunneling Diode......Page 567
APPENDIX K: Basic Kinetic Theory of Gases......Page 569
APPENDIX L: Answers to Selected Problems......Page 571
A, 
B......Page 577
B, 
C......Page 578
C, 
D......Page 579
D, 
E......Page 580
E, F,
 G......Page 581
G, H, I
......Page 582
I, J, K, L
......Page 583
L, M
......Page 584
M, N, O, P
......Page 585
P, Q, R
......Page 586
R, S
......Page 587
S
......Page 588
S, T, U
......Page 589
U, V, W, Y, Z
......Page 590