一般報導半導體元件電晶體的演進胡振國廖建舜電晶體是積體電路中最重要的元件之一它的功能決定了整體電路的優劣可謂現今半導體界的重要技術指標本文在電晶體發明後 70 年之際簡介它的演進期使更多人能一窺這個左右現代人生活甚巨的半導體元件究竟是何物背景說明在現今積體電路 integra

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纪侯
3 years ago
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1 一般報導半導體元件電晶體的演進胡振國廖建舜電晶體是積體電路中最重要的元件之一它的功能決定了整體電路的優劣可謂現今半導體界的重要技術指標本文在電晶體發明後 70 年之際簡介它的演進期使更多人能一窺這個左右現代人生活甚巨的半導體元件究竟是何物背景說明在現今積體電路 itegrated circuit, I 已廣泛應用的事實下每個人每天的生活幾乎隨時都受控於晶片的運作對於晶片中的功能與原理雖然外人看不到也不需全部了解但是深知有東西在工作中有許多半導體元件發明與應用在晶片中相當有趣這些元件內有許多需深度探索了解也值得學習的物理現象也開發了許多難度甚高的技藝值得尊敬感謝在眾多元件中電晶體可謂積體電路的心臟它是一個可以靈敏感應輸入信號再予以放大轉換的元件也就是說當加入一個信號電壓或電流於某一端可以在另外一端得到相關但不同的信號電壓或電流相當於電阻的轉換原意以轉換電阻體呈現簡稱轉阻體習稱電晶體似乎較文雅感人有趣因為發現電晶體到現今剛好 70 年而且積體電路無法缺少它重要性可想而知本文以簡明扼要的方式探索電晶體的演進讓人們了解這元件的特徵與原委電晶體分類與功能電晶體在分類上大致可以分為雙極性接面電晶體與金氧半場效電晶體兩大類都可視為可控制的開關元件以金氧半場效電晶體為例當施予不同的偏壓便可以打開或關上與汲極之間的開關電晶體可謂積體電路的心臟它是一個可以靈敏感應輸入信號再予以放大轉換的元件 48

電晶體的發明可追朔至 70 年前在 ell Lab 工作的 Joh ardee William Shockley 及 Walter rattai 共同發明第一顆固態電子元件電晶體不論是何種電晶體在電特性上須展現出明顯的轉阻特徵以通道金氧半場效電晶體為例當偏壓 VGS 小於臨界電壓 VT 時電晶體是關當閘極偏壓大於臨界電壓時下方會感應出通道電晶體是開若加入的

Shockley 領 source-s 與 drai- 端會有隨之導目的是取代傳統真空管元件期使功感應起舞的電流 I S 變化相當靈敏率降低且體積重量更小當時提出的元件相當簡要但前瞻含有一半導體鍺材料兩點很緊密靠近的金箔由一彈簧連接固定雙極性接面電晶體金氧半場效電晶體基極閥極 G 集極射極 E Ｅ PNP 以細緻切開定型達到非常接近但是斷開的雙金屬端

2 電晶體的發明可追朔至 70 年前在 ell Lab 工作的 Joh ardee William Shockley 及 Walter rattai 共同發明第一顆固態電子元件電晶體不論是何種電晶體在電特性上須展現出明顯的轉阻特徵以通道金氧半場效電晶體為例當偏壓 VGS 小於臨界電壓 VT 時電晶體是關當閘極偏壓大於臨界電壓時下方會感應出通道電晶體是開若加入的第一個電晶體電晶體的發明可追朔至 70 年前於 1947 年 12 月在 ell Lab 工作的 Joh ardee William Shockley 及 Walter rattai 共同發明第一顆固態電子元件電晶偏壓是一變動的信號源可想見的在體這個研究團隊由 William. Shockley 領 source-s 與 drai- 端會有隨之導目的是取代傳統真空管元件期使功感應起舞的電流 I S 變化相當靈敏率降低且體積重量更小當時提出的元件相當簡要但前瞻含有一半導體鍺材料兩點很緊密靠近的金箔由一彈簧連接固定雙極性接面電晶體金氧半場效電晶體基極閥極 G 集極射極 E Ｅ PNP 以細緻切開定型達到非常接近但是斷開的雙金屬端因此這個元件稱為鍺點接觸ＤＧＥ NPN S 型電晶體ＳＧＳＣ這金箔越過一個三角形狀的塑膠尖角並予 MOSFET Ｄ MOSFET 電晶體是可控制的開關元件以金氧半場效電晶體為例當施予不同的偏壓可以控制源極與之間的開關打開或關上彈簧 VGS VT G VS VS(sat) S IS P IS 空乏區 VT VGS VT G VS VS(sat) P VGS4 IS VGS3 金箔集極 Vout 型鍺 VGS2 VGS0 VT 聚苯乙烯型鍺通道 Vi 金箔射極 VS VS(sat) IS S VGS VGS1 VT VS 電晶體電的特性以通道金氧半場效電晶體為例當偏壓小於臨界電壓時電晶體是關當偏壓大於臨界電壓時下方會感應出通道電晶體是開金屬基極 1947 年由 ell Lab 的 William. Shockley Walter H. rattai 和 Joh ardee 發明的第一顆電晶體是鍺點接觸型電晶體 49

一般報導製作單顆半導體元件與整合多個元件在一晶片上這觀念吸引了全世界的注意與研發那元件與之後的電晶體不盡相同但扮演著關鍵性的前瞻領航角色在原理上團隊提出實驗觀察如下在集極某點接觸端與基極間的電流可受射極另一點電極接觸端的信號控制射極端的電流變化氧化層可以很小但集極端偏壓不同的電半導體 Vf VL P 電極負載 L 電極 P 流變化則相當大

3 一般報導製作單顆半導體元件與整合多個元件在一晶片上這觀念吸引了全世界的注意與研發那元件與之後的電晶體不盡相同但扮演著關鍵性的前瞻領航角色在原理上團隊提出實驗觀察如下在集極某點接觸端與基極間的電流可受射極另一點電極接觸端的信號控制射極端的電流變化氧化層可以很小但集極端偏壓不同的電半導體 Vf VL P 電極負載 L 電極 P 流變化則相當大也就是可把小信號放大這現象的解釋與半導體內的電子與電洞數量相關 P 型半導體的電洞是多數載子而電子是少數載子型則相反不同的偏壓可造成電子與電洞的數量改變當某 1959 年 ell Lab 的 M.M. Joh Atalla 和 awo Kahg 成功展示第一顆金氧半場效電晶體端點間電流缺乏某載子時另一端點適當提供所缺的載子可使前者電流有大變動實為半導體主動元件的先驅化層做為與通道間的絕緣層可使另兩端與間電流受電壓控制矽金氧半場效電晶體提出半導體電晶體元件後由於材料與技術的演進加上元件體積很小因此發展相當迅速年在材料的提供未來積體電路相當大的整合契機積體電路提煉上發明拉晶法及浮區純化技術可製製作單顆半導體元件與整合多個元件作單晶半導體及 PN 接合面在 1950 年提在一晶片上雖然看似相當合理但是須有出了第一個雙極性接面電晶體 1955 年由關鍵人事物於適合的時間提出 1963 年由 Shockley 在矽谷成立 Shockley 半導體實驗 Fairchild 的 Frak Walass 和. T. Sah 發明室次年 1956 年 Shockley ardee 第一個互補型金氧半導體 comlemetary rattai 榮獲諾貝爾物理獎 m e t a l - o x i d e - s e m i c o d u c t o r, M O S 在 1957 年 Robert Noyce Gordo 電路這電路由兩個金屬半場效電晶體組 Moore 等人成立 Fairchild 半導體公司在成由於其工作功耗較少因此影響力很電路 Kilby 於 2000 年獲諾貝爾獎在 Low stad-by ower comlemetary field 1958 年由德州儀器的 Jack Kilby 發明積體大他們提出的專利是 Frak M. Walass, 1959 年 ell Lab 的 M.M. (Joh) Atalla 和 effect circuitry, U.S. Patet , ec. 5, awo Kahg 成功展示第一顆金氧半場效電晶體這電晶體採用矽基板經由一氧 50 因為氧化層是 SiO2 容易在矽基板上生長 1967 可視為重要的元件開發與電路整合高度成功的前驅

5, 1967 基極射極集極導體氧化層二氧化矽半導體矽基極射極集極基極射極集極導體氧化層二氧化矽半導體矽 NPN PNP 1960 1970 年代主要使用的電晶體是雙極性接面電晶體當多個元件可經由整合而整體發生於同在整合多個元件在單一晶片上時可一晶片上時

4 多晶矽氧化層二氧化矽多晶矽鋁 PSG LOOS 半導體矽型井 MOS MOS 1963 年由 Fairchild 的 Frak Walass 和. T. Sah 發明的第一個 MOS 其專利是 Frak M. Walass, Low stad-by ower comlemetary ﬁeld effect circuitry, U.S. Patet , ec. 5, 1967 基極射極集極導體氧化層二氧化矽半導體矽基極射極集極基極射極集極導體氧化層二氧化矽半導體矽 NPN PNP 年代主要使用的電晶體是雙極性接面電晶體當多個元件可經由整合而整體發生於同在整合多個元件在單一晶片上時可一晶片上時可想見這觀念吸引了全世界的注想見的是大家努力把元件縮小期使在有意與研發在年代許多電路主限晶片面積上可放置更多的元件進而使要使用的電晶體是雙極性接面電晶體這結構得晶片的整合功能更加強大這時逐漸發可使電路發揮原先單顆電晶體在電路板上組合生在縮小技術下的各種製程開發與製程極時的功效經由積體電路整合可在單一晶片限這領域吸引了眾多的研發與投資上實施原有電路板上的功能而體積與重量大幅縮小整個電路晶片功效大幅提升對於高密度積體電路技術的研發矽晶片一直扮演著關鍵角色理由和這種材 51

一般報導料可容易製備絕緣層與實施較先驅的縮小 USG 技術有關 1980 年代大量使用金氧半場效鋁銅合金電晶體整合在積體電路上使用的技術包鎢栓塞鈦氮化鈦括局部矽基氧化二氧化矽平坦化流通金屬矽化物多層連線等側壁間隔物 PSG STI 型井在 1990 年代開發的技術包括金屬矽 MOS 化物鎢栓塞化學機械研磨淺溝渠隔絕

側壁輕摻雜等遠在國際間可提供積體電路實施的場所競爭相當激烈甚至已達到可左右國家等電鍍銅鉈 USG 級的經濟命脈當元件縮小使得積體電路密度漸增之際人類開始動腦把後段工藝予以多層堆金屬 USG PSG 高介電質材料疊期使連線更智慧且更有效這個需求型井 STI 型磊晶層進神速在 2000 年代使用技術包括銅導型基板

因為載子在半導體內移動會受到阻礙如何使其速度提升會影響元件特性及其積體電路功效因此相當敏感重要在 2004 年至 2006 年期間技術節點由 90 m 演進至 65 m 出現矽鍺源應力矽基技術經由材料力學把晶體施加伸張或壓縮力可使載子在不同方向的速度改變達到較理想的元件特性 52 2004 年 90 m -2006 年

5 一般報導料可容易製備絕緣層與實施較先驅的縮小 USG 技術有關 1980 年代大量使用金氧半場效鋁銅合金電晶體整合在積體電路上使用的技術包鎢栓塞鈦氮化鈦括局部矽基氧化二氧化矽平坦化流通金屬矽化物多層連線等側壁間隔物 PSG STI 型井在 1990 年代開發的技術包括金屬矽 MOS 化物鎢栓塞化學機械研磨淺溝渠隔絕側壁輕摻雜等這些技術屬於高級半導體工程多人開發的結果使得矽元件一直保持以固定的速率縮小更使得積體電路可提供的功能持續放大影響深 MOS 1980 年代開始主要使用金氧半場效電晶體 1980 年代使用的技術包括局部矽基氧化二氧化矽平坦化流通多層連線等 1990 年代使用的技術包括金屬矽化物鎢栓塞化學機械研磨淺溝渠隔絕側壁輕摻雜等遠在國際間可提供積體電路實施的場所競爭相當激烈甚至已達到可左右國家等電鍍銅鉈 USG 級的經濟命脈當元件縮小使得積體電路密度漸增之際人類開始動腦把後段工藝予以多層堆金屬 USG PSG 高介電質材料疊期使連線更智慧且更有效這個需求型井 STI 型磊晶層進神速在 2000 年代使用技術包括銅導型基板金屬等每個新技術的背後都有多人探討相關的元件特性可靠度整合度及型井動員了相當多的材料與製程整合技術演 MOS 線低介電質旋塗沉積鑲嵌高介電質 MOS 2000 年代使用的技術包括銅導線低介電質旋塗沉積鑲嵌高介電質金屬等成本提出許多專利專利分布探勘與技術迴避也趨重要鰭式電晶體與奈米線電晶體在關鍵電晶體元件的演進上因為載子在半導體內移動會受到阻礙如何使其速度提升會影響元件特性及其積體電路功效因此相當敏感重要在 2004 年至 2006 年期間技術節點由 90 m 演進至 65 m 出現矽鍺源應力矽基技術經由材料力學把晶體施加伸張或壓縮力可使載子在不同方向的速度改變達到較理想的元件特性年 90 m 年 65 m 出現矽鍺源汲極應力矽基 2008 年 45 m 20 年 32 m 出現閘極後製高介電質金屬閘極 2012 年 22 m 年 m 年 m 出現三閘鰭式場效電晶體 2018 年 7 m 年 5 m 出現全包覆奈米線金氧半場效電晶體矽鍺源

無摻雜 AlGaAs 間隔層金屬 GaAs AlGaAs 無摻雜 GaAs AlGaAs 無摻雜 GaAs 緩衝層金屬 E VG 0 無摻雜 AlGaAs 間隔層無摻雜 AlGaAs 間隔層 AlGaAs E VG 0 二維電子氣無摻雜 GaAs 二維電子氣半絕緣 GaAs 基板 1979 年日本 Fujitsu 的 Takashi Mimura 發明的高電子位移率電晶體通道

預期於 2018 年至 2020 由 45 m 演進至 32 m 出現後製高介年期間技術節點可由 7 m 再演進至 3 m 電質金屬技術這材料可因高介電使得結構可能出現全包覆奈米線金氧半場在較厚的材料體上仍有足夠的電容在很小效電晶體但是否如預期出現這結構仍的電壓工作範圍內仍可有效地驅動電晶體動待密切觀察與注意作而較厚材料的漏電流較小符合現今縮小元件所需在

6 無摻雜 AlGaAs 間隔層金屬 GaAs AlGaAs 無摻雜 GaAs AlGaAs 無摻雜 GaAs 緩衝層金屬 E VG 0 無摻雜 AlGaAs 間隔層無摻雜 AlGaAs 間隔層 AlGaAs E VG 0 二維電子氣無摻雜 GaAs 二維電子氣半絕緣 GaAs 基板 1979 年日本 Fujitsu 的 Takashi Mimura 發明的高電子位移率電晶體通道 TFET i VGS 0 通道 VS 0 E VGS 0 通道 VS 0 E E 電子 E 通道 TFET VGS 0 通道 VS 0 E i E VGS 0 通道 E 電洞 E VS 年 IM 做出奈米碳管穿隧場效電晶體其 SS 約僅 40 mv decade 20 年開始提出許多不同材料的穿隧場效電晶體在 2008 年至 20 年期間技術節點在不久的將來預期於 2018 年至 2020 由 45 m 演進至 32 m 出現後製高介年期間技術節點可由 7 m 再演進至 3 m 電質金屬技術這材料可因高介電使得結構可能出現全包覆奈米線金氧半場在較厚的材料體上仍有足夠的電容在很小效電晶體但是否如預期出現這結構仍的電壓工作範圍內仍可有效地驅動電晶體動待密切觀察與注意作而較厚材料的漏電流較小符合現今縮小元件所需在 2012 年經 2014 年至 2017 年期間技術節點由 22 m 經 m 至 m 出現三閘鰭式場效電晶體技術高電子位移率電晶體與穿隧場效電晶體這技術可使電晶體的通道被電壓控制的 1979 年日本 Fujitsu 的 Takashi Mimura 效率提高在小電壓工作下就可使電晶體靈發明高電子位移率電晶體這結構採用了敏運作也就是說開發高靈敏度感測的電晶異質三五族半導體材料接面經由設計與體元件是現今極為重要的課題控制使得電子在半導體特殊通道層內呈現 53

一般報導 (a) To view S A (b) ross sectio alog A R2 R VG VT Al Al SiO2 1 Al Si() -5-6 -7-8 -9 - -11-12 (b)

6 I (A) V 1V mv d ec I (A) 2V 60 (a) 3V -0.4 VG (V) -0.2 0.0 0.2-5 -6-7 -8-9 - -11-12 dox 3.2 m VG 0.

5 V Ih1 øh1 AI SiO2 Si() y Ih2 øh2 AI SiO2 Si() 2.0 y Vox2 Vox1 VG1-0.8V 1.5 e-(vg2) e-(vg1) V 1.

7 一般報導 (a) To view S A (b) ross sectio alog A R2 R VG VT Al Al SiO2 1 Al Si() (b) dox 3.2 m S 7.6 µm R µm 15.3 mv decade 26.5 mv decade 34.4 mv decade ade R µm I (A) V 1V mv d ec I (A) 2V 60 (a) 3V -0.4 VG (V) dox 3.2 m VG 0.5V S 7.6 µm R µm R µm VG -0.6V ste 0.1V V Ih1 øh1 AI SiO2 Si() y Ih2 øh2 AI SiO2 Si() 2.0 y Vox2 Vox1 VG1-0.8V 1.5 e-(vg2) e-(vg1) V 1.0 V (V) V VG2 0.0V V AI SiO2 Si() A e- Ih1 Ih2 Ih1 ga ga(vg1) A 0 ga ga(vg2) e- es Ih2 X 2015 年由臺灣大學電機系與電子所胡振國和廖建舜提出的穿隧氧化層場效電晶體 54 A e- A 0 S X

出二維電子氣空間再利用不同的摻雜分在未來的半導體元件世界可想見元件布使得電子的位移率有效提升對於強尺寸還有縮小的空間元件材料也還有許多化電晶體功能具特殊效果候選者等待選用但會有更多的問題有待克當傳統元件結構面臨挑戰時陸續開服尤其是兩元件間彼此的干擾耦合會漸行發提出許多高度利用半導體本質特徵做為嚴重如何把其特徵加以有效應用或遏止新穎電晶體的結構

8 出二維電子氣空間再利用不同的摻雜分在未來的半導體元件世界可想見元件布使得電子的位移率有效提升對於強尺寸還有縮小的空間元件材料也還有許多化電晶體功能具特殊效果候選者等待選用但會有更多的問題有待克當傳統元件結構面臨挑戰時陸續開服尤其是兩元件間彼此的干擾耦合會漸行發提出許多高度利用半導體本質特徵做為嚴重如何把其特徵加以有效應用或遏止新穎電晶體的結構在 2004 年 IM 做出會是一種嚴峻的挑戰此外對於高靈敏度奈米碳管穿隧場效電晶體其 SS 約僅 40 感應電晶體的需求會隨著物聯網的大量應 mv decade 之後在 20 年間提出了許多用而更形重要這些問題都仰賴更多優秀學不同材料的穿隧場效電晶體這元件主要子不斷投入研發與創新才可持續保持國家利用 PN 接面間的穿隧機制進行通與不通的半導體工業居於國際領先的地位這個半導開關是高度量子力學穿隧效應的展現體的世界應還會繼續左右人類生活其重要性只會擴大不會消失超薄氧化層金氧半雙穿隧二極體耦合電晶體在 2015 年由臺灣大學電機系與電子所胡振國和廖建舜提出的雙耦合穿隧氧化層場效電晶體利用一超薄氧化層結構並製作內圓形外環圍繞的雙電極也就是雙耦合的金氧半 MIS 穿隧二極體以中央圓形電極 MIS 為感應元件外胡振國臺灣大學電機系暨電子所圍 MIS 是少數載子控制區可得到相廖建舜當靈敏的電晶體特徵其 SS 可小至 15.3 臺灣大學電子所 mv decade 是新穎的結構 55

ch05

ch05 物理系光電組二年級電子學單元七 BJT 電晶體授課老師 : 輔仁大學物理系副教授張敏娟 2015 spring 1 物理系光電組二年級電子學單元七 BJT 電晶體 BJT 電晶體基本原理 1 BJT 電晶體把 N 型和 P 型半導體, 再組合, 變成電晶體 BJT 電晶體是一個把訊號放大的元件 3 BJT 電晶體三端元件 4 BJT 有兩種組成 NPN 型 PNP 型 5 N