Table Of Content

SEMICONDUCTORDEVICEPHYSICSANDDESIGN Semiconductor Device Physics and Design by UMESHK.MISHRA UniversityofCalifornia,SantaBarbara,CA,USA and JASPRITSINGH TheUniversityofMichigan,AnnArbor,MI,USA AC.I.P.CataloguerecordforthisbookisavailablefromtheLibraryofCongress. ISBN978-1-4020-6480-7(HB) ISBN978-1-4020-6481-4(e-book) PublishedbySpringer, P.O.Box17,3300AADordrecht,TheNetherlands. www.springer.com Printedonacid-freepaper AllRightsReserved (cid:2)c 2008 Springer Nopartofthisworkmaybereproduced,storedinaretrievalsystem,ortransmittedinanyform orbyanymeans,electronic,mechanical,photocopying,microfilming,recordingorotherwise, withoutwrittenpermissionfromthePublisher,withtheexceptionofanymaterialsupplied specificallyforthepurposeofbeingenteredandexecutedonacomputersystem,forexclusive usebythepurchaserofthework. Thisbookisdedicatedtoourparents SrinibasMishraandSushilaDevi GurcharnSinghandGursharanKaur CONTENTS Acknowledgements xii Preface xiii Introduction xx 1 StructuralPropertiesofSemiconductors 1 1.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 CRYSTALSTRUCTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.1 BasicLatticeTypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.2 BasicCrystalStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.3 NotationtoDenotePlanesandPointsinaLattice:MillerIndices . . . . 7 1.2.4 ArtificialStructures:SuperlatticesandQuantumWells . . . . . . . . . 11 1.2.5 Surfaces:IdealVersusReal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.6 Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.7 SemiconductorDefects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3 LATTICEMISMATCHEDSTRUCTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4 STRAINEDEPITAXY:STRAINTENSOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.5 TECHNOLOGYCHALLENGES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.6 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.7 FURTHERREADING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2 Electroniclevelsinsemiconductors 28 2.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2 PARTICLESINANATTRACTIVEPOTENTIAL: BOUNDSTATES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.1 Electroniclevelsinahydrogenatom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.2 Electronsinaquantumwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3 ELECTRONSINCRYSTALLINESOLIDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.1 Particleinaperiodicpotential:Blochtheorem . . . . . . . . . . . . . . 36 2.4 OCCUPATIONOFSTATES: DISTRIBUTIONFUNCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 vi CONTENTS vii 2.5 METALSANDINSULATORS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.5.1 ElectronsandHoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.6 BANDSTRUCTUREOFSOMEIMPORTANT SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.6.1 Directandindirectsemiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.7 MOBILECARRIERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.7.1 Mobileelectronsinmetals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.7.2 Electronsandholesinsemiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.8 DOPINGOFSEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.9 DOPINGINPOLARMATERIALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.10 TAILORINGELECTRONICPROPERTIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.10.1 Electronicpropertiesofalloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.10.2 Electronicpropertiesofquantumwells . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.11 STRAINEDHETEROSTRUCTURES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.12 DEFECTSTATESINSOLIDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 2.13 TECHNOLOGYISSUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.14 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.15 FURTHERREADING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3 Chargetransportinmaterials 92 3.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.2 CHARGETRANSPORT:ANOVERVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.3 TRANSPORTANDSCATTERING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3.1 QuantumMechanicsandScatteringofelectrons . . . . . . . . . . . . . 96 3.4 TRANSPORTUNDERANELECTRICFIELD . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 3.4.1 Velocity–electricfieldrelationsinsemiconductors . . . . . . . . . . . .104 3.5 SOMEIMPORTANTISSUESINTRANSPORT . . . . . . . . . . . . . . . . .117 3.6 CARRIERTRANSPORTBYDIFFUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 3.6.1 Driftanddiffusiontransport:Einstein’srelation . . . . . . . . . . . . . .121 3.7 CHARGEINJECTIONANDQUASI-FERMILEVELS . . . . . . . . . . . . .124 3.7.1 Non-equilibriumDistributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 3.8 CARRIERGENERATIONANDRECOMBINATION . . . . . . . . . . . . . .125 3.8.1 OpticalAbsorptionandEmissioninSemiconductors . . . . . . . . . . .128 3.8.2 SchockleyReadHallStatistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 3.9 CURRENTCONTINUITY(Thelawofconservation ofelectronsandholesseparately). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137 3.10 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142 3.11 FURTHERREADING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 4 JunctionsinSemiconductors:P-NDiodes 146 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 4.2 P-NJUNCTIONINEQUILIBRIUM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 4.3 P-NDIODEUNDERBIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155 4.3.1 DriftandDiffusionCurrentsintheBiasedDiode . . . . . . . . . . . . .157 CONTENTS viii 4.3.2 MinorityandMajorityCurrentsinthep-nDiode . . . . . . . . . . . . .160 4.3.3 NarrowDiodeCurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160 4.4 REALDIODES:CONSEQUENCESOFDEFECTSANDCARRIERGENER- ATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163 4.4.1 Generation-RecombinationCurrents . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 4.5 ReverseBiasCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 4.5.1 FirstObservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 4.5.2 QuasiFermiLevels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175 4.6 HIGH-VOLTAGEEFFECTSINDIODES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177 4.6.1 ForwardBias:HighInjectionRegion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177 4.6.2 ReverseBias:ImpactIonization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177 4.7 AvalancheBreakdowninap-njunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178 4.7.1 ReverseBias:ZenerBreakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180 4.8 DIODEAPPLICATIONS:ANOVERVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183 4.8.1 Applicationsofp-ndiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183 4.8.2 TheSolarCellandPhotodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184 4.8.3 Theusesofdiodenon-linearity(Mixers,Multipliers,PowerDetectors) .189 4.8.4 PowerDevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191 4.9 Lightemittingdiode(LED) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193 4.9.1 EmissionEnergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193 4.9.2 CarrierInjectionandSpontaneousEmission . . . . . . . . . . . . . . . .197 4.10 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204 4.11 DESIGNPROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211 4.12 FURTHERREADING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214 5 SemiconductorJunctions 216 5.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216 5.2 METALINTERCONNECTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216 5.3 METALSEMICONDUCTORJUNCTION: SCHOTTKYBARRIER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219 5.3.1 SchottkyBarrierHeight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219 5.3.2 CapacitanceVoltageCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223 5.3.3 CurrentFlowacrossaSchottkyBarrier:ThermionicEmission . . . . . .223 5.3.4 ComparisonofSchottkyandp-ndiodes . . . . . . . . . . . . . . . . .227 5.4 METALSEMICONDUCTORJUNCTIONS FOROHMICCONTACTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229 5.5 INSULATOR-SEMICONDUCTORJUNCTIONS. . . . . . . . . . . . . . . . .230 5.5.1 Insulator-Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230 5.6 SEMICONDUCTORHETEROJUNCTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232 5.6.1 Abruptp-nheterojunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232 5.6.2 Gradedp-nheterojunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237 5.6.3 Quasi-electricfields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238 5.7 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240 CONTENTS ix 5.8 FURTHERREADING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245 6 BipolarJunctionTransistors 246 6.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .246 6.2 BIPOLARTRANSISTOR:ACONCEPTUALPICTURE. . . . . . . . . . . . .248 6.3 STATICCHARACTERISTICS:CURRENT-VOLTAGE RELATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .252 6.3.1 CurrentFlowinaBJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253 6.3.2 BJTBiasingincircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259 6.3.3 Current-Voltage:TheEbers-MollModel. . . . . . . . . . . . . . . . . .259 6.4 DEVICEDESIGNANDDEVICEPERFORMANCEPARAMETERS . . . . . .262 6.5 BJTDESIGNLIMITATIONS:NEEDFORBAND TAILORINGANDHBTs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265 6.5.1 TheGeneralizedMoll-RossRelationship . . . . . . . . . . . . . . . . .269 6.5.2 Howmuchβdoweneed? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270 6.6 SECONDARYEFFECTSINREALDEVICES . . . . . . . . . . . . . . . . . .274 6.6.1 HighInjection:TheKirkEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274 6.6.2 HighInjection:ThermalEffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .280 6.6.3 BaseWidthModulation:TheEarlyEffect . . . . . . . . . . . . . . . .280 6.6.4 DriftEffectsintheBase:NonuniformDoping. . . . . . . . . . . . . . .282 6.6.5 AvalancheBreakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283 6.6.6 LowInjectionEffectsandCurrentGain . . . . . . . . . . . . . . . . . .284 6.6.7 CurrentCrowdingEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .284 6.7 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .290 6.8 DESIGNPROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .301 6.9 FURTHERREADING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .303 7 TemporalResponseOfDiodesandBipolarTransistors 304 7.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .304 7.2 MODULATIONANDSWITCHINGOFAP-N DIODE:ACRESPONSE . . .304 7.2.1 Small-SignalEquivalentCircuitofap-nDiode . . . . . . . . . . . . . .306 7.2.2 Switchingcharacteristicsofdiodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312 7.3 TemporalResponseofaSchottkyDiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .317 7.4 BIPOLARJUNCTIONTRANSISTORS: ACHARGE-CONTROLANALYSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318 7.4.1 JunctionVoltagesatSaturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .324 7.5 HIGH-FREQUENCYBEHAVIOROFABJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . .325 7.5.1 BipolarTransistorSmall-SignalEquivalentCircuit . . . . . . . . . . . .333 7.5.2 AttenuationandPhaseShiftofaTravelingElectronWave . . . . . . . .336 7.5.3 SmallSignalFiguresofMerit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .340 7.6 BIPOLARTRANSISTORS:ATECHNOLOGY ROADMAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .345 7.6.1 SiBipolarTechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .345 7.6.2 Si-BasedHBTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .346 CONTENTS x 7.6.3 GaAs/AlGaAsHBTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .347 7.6.4 InGaAs/InAlAsandInGaAs/InPHBTs . . . . . . . . . . . . . . . . . .347 7.7 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .348 7.8 DESIGNPROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .355 8 FieldEffectTransistors 356 8.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .356 8.2 JFETANDMESFET:CHARGECONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . .356 8.3 CURRENT-VOLTAGECHARACTERISTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . .362 8.3.1 TheOhmicRegime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .362 8.3.2 ANearlyUniversalModelforFETBehavior:TheSaturationRegime . .368 8.4 HFETs:INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .375 8.5 CHARGECONTROLMODELFORTHEMODFET . . . . . . . . . . . . . .378 8.5.1 ModulationEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .385 8.6 POLARMATERIALSANDSTRUCTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . .388 8.6.1 PolarMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .388 8.6.2 PolarHFETStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .394 8.7 DESIGNISSUESINHFETS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .395 8.7.1 n+CapLayers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .395 8.7.2 Maximizing2DEGConductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .396 8.7.3 Back-barrierstoSubstrateInjection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .398 8.7.4 GateRecessDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .400 8.7.5 FieldPlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .401 8.7.6 Comparisonoftwodisparatematerialsystems: AlInAs/GaInAsandAlGaN/GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .402 8.7.7 Non-idealitiesinstate-of-the-arttransistors . . . . . . . . . . . . . . . .403 8.8 SMALLANDLARGESIGNALISSUESANDFIGURESOFMERIT . . . . .411 8.8.1 Small-SignalCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .411 8.8.2 Power-frequencylimit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .415 8.8.3 Classesofoperationoftransistorpoweramplifiersandnecessarydevice characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .416 8.9 Implicationsondevicetechnologyandcircuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . .421 8.10 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .422 8.11 DESIGNPROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .431 8.12 FURTHERREADING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .432 9 FieldEffectTransistors:MOSFET 433 9.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .433 9.2 MOSFET:DEVICESANDIMPACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .434 9.3 METAL-OXIDE-SEMICONDUCTORCAPACITOR . . . . . . . . . . . . . . .437 9.4 CAPACITANCE-VOLTAGECHARACTERISTICS OFTHEMOSSTRUCTURE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .448 9.5 MOSFETOPERATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .454 9.5.1 Current-VoltageCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .454