Erste Vorlesung im HS 2023: am 25. 09. um 9.15 Uhr im ETZ G91
Abstract
The course aims at understanding the principles behind the
physics of modern electronic silicon semiconductor devices and the
foundations of physical modeling of transport and its numerical
simulation. During the course basic knowledge on quantum mechanics,
semiconductor physics and device physics is also provided. The
main topics are: transport models for semiconductor devices (quantum
transport, Boltzmann equation, drift-diffusion model, hydrodynamic
model), physical characterization of silicon (intrinsic properties,
scattering processes), mobility of cold and hot carriers,
recombination (SRH statistics, Auger), impact ionization,
metal-semiconductor contact, MIS structure, and hetero junctions.
The exercises focus on the basic understanding of special
devices, such as pn-diodes, bipolar transistors, MOS diodes, and
MOSFETs. By numerical simulations with an advanced simulation package
the foundations provided in the course can be checked for these
practical examples.
Zusammenfassung
Die Vorlesung zielt auf das Verständnis der physikalischen
Grundlagen moderner Halbleiter-Bauelemente auf der Basis von Silizium,
sowie auf die Grundlagen ihrer Modellierung und numerischen
Simulation. Dazu werden bestimmte Voraussetzungen in Quantenmechanik,
Halbleiterphysik und Bauelemente-Physik vermittelt. Schwerpunkte:
Transport-Modelle für Halbleiter-Bauelemente (Quanten-Transport,
Boltzmann-Gleichung, Drift-Diffusions-Modell, hydrodynamisches
Modell), Silizium (intrinsische Eigenschaften, Streuprozesse),
Beweglichkeit kalter und heisser Ladungsträger, Rekombination
(SRH-Statistik, Auger), Stossionisation, Metall-Halbleiter-Kontakt,
MIS-Struktur und Hetero-Übergänge.
Ziel der
Übungen ist das grundlegende Verständnis der Funktionsweise
bestimmter Bauelemente, wie pn-Diode, Bipolar-Transistor, MOS-Diode,
MOSFET und Tunnel FET. Dazu werden numerische Simulationen mit dem
Bauelemente-Simulator Sentaurus-Device (ehem. DESSIS)
durchgeführt, so dass die in der Vorlesung vermittelten
Grundlagen an praktischen Beispielen überprüft werden
können.
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Recommended reading / Empfohlene Bücher
- Fundamentals of Semiconductor Physics and devices, R. Enderlein and N. J. M. Horing, World Scientific (1997).
- Advanced Theory of Semiconductor Devices, K. Hess, Prentice Hall Series, Ed. N. Holonyak, Jr. (1988).
- Grundlagen der Halbleiterphysik, R. Enderlein and A. Schenk, Akademie-Verlag (1992).
- Advanced Physical Models for Silicon Device Simulation, Andreas Schenk, Springer-Verlag (1998).
- Device Physics, Handbook on Semiconductors, vol. 4 and vol. 1, Ed. T. S. Moss and C. Hilsum, North-Holland (1993).
- Physics of Semiconductor Devices, S. M. Sze, John Wiley & Sons (1981).
- Physik der Halbleiterbauelemente, F. Thuselt, Springer-Verlag (2011).
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Teaching material / Vorlesungsmaterial
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Contents
- Quantum Transport
- Quantum Devices
- Quantum-Transport Equations
- Boltzmann Equation
- "Derivation"
- Direct Solution Methods
- Method of Moments
- Hydrodynamic Transport Equations, Drift-Diffusion Model
- Thermodynamic Model
- Numerical Methods for Device Simulation
- Solution Procedures
- Diskretization
- Grids
- Silicon
- Band Structure
- Density of States
- Fermi-Dirac Distribution
- Equilibrium States
- Scattering Processes
- Transition Probability for Scattering at Ionized Impurities
- The Most Important Scattering Mechanisms in Silicon
- The Matthiessen Rule
- Mobility of Cold and Hot Carriers
- Mobility Models for Cold Carriers in the Bulk
- Mobility in the MOSFET Channel
- Mobility of Hot Carriers
- Non-radiative Recombination
- Deep Impurities
- Generation-recombination Rates for Band-Band and Band-Trap Transitions
- Rate Equations
- SRH Lifetimes
- Auger Recombination
- Mechanisms
- Auger Lifetimes
- Impact Ionization
- Ionization Thresholds
- Impact Ionization Rate and Ionization Coefficients
- Models for the Ionization Coefficient
- Avalanche Breakdown
- Metal-Semiconductor (MS) Contact
- Energy Levels prior Formation of Thermodynamic Equilibrium
- Metal-Semiconductor Contact in Equilibrium, Schottky and Bardeen Models
- MS Contact in Non-equilibrium
- Contact Boundary Conditions in Device Simulation
- Metal-Insulator-Semiconductor (MIS) Structure
- Insulator-Semiconductor (IS) Junction in Equilibrium
- MIS Junction in an External Voltage
- Transport across Thin Oxides
- Hetero-Structures
- Band Offsets
- Electrostatic Potential in Equilibrium
- Superlattices and Quantum Wells
- Tunnel FET
- Band-to-band Tunneling
- Models for the Imaginary Dispersion
- WKB Approximation for the BTBT Generation Rate
- 1D Uniform Electric Field
- Non-local Path BTBT Model
- Tunnel FETs: Working Principle and Performance Considerations
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Gliederung der Vorlesung
- Quanten-Transport
- Quanten-Bauelemente
- Quanten-Transportgleichungen
- Boltzmann-Gleichung
- "Ableitung"
- Methoden der direkten Lösung
- Momenten-Methode
- Hydrodynamische Transportgleichungen, Drift-Diffusions-Modell
- Thermodynamisches Modell
- Numerische Methoden für die Simulation von Bauelementen
- Skalierte Gleichungen und Lösungsprozedur
- Diskretisierung der stationären Drift-Diffusionsgleichungen
- Gitter-Generation
- Silizium
- Bandstruktur
- Zustandsdichte
- Fermi-Dirac-Verteilung
- Ladungsträgerdichten
- Streuprozesse
- Übergangswahrscheinlichkeit am Beispiel der Streuung an
ionisierten Störstellen
- Die wichtigsten Streumechanismen in Silizium
- Matthiessen-Regel
- Beweglichkeit kalter und heisser Ladungsträger
- Modelle für die Beweglichkeit kalter Ladungsträger im bulk
- Beweglichkeit im MOSFET-Kanal
- Beweglichkeit heisser Ladungsträger
- Strahlungslose Rekombination
- Tiefe Störstellen
- Generations-Rekombinationsraten für Band-Band- und Band-Trap Übergänge
- Raten-Gleichungen für Trapping und Shockley-Read-Hall
(SRH)-Rekombination
- SRH-Lebensdauern
- Auger-Rekombination
- Mechanismen
- Auger-Lebensdauern
- Stossionisation
- Ionisations-Schwellenenergien
- Stossionisationsrate und -koeffizienten
- Modelle für die Stossionisationskoeffizienten
- Avalanche-Durchbruch
- Metall-Halbleiter (MS)-Kontakt
- Energieniveau-Schema vor Einstellung des thermodynamischen
Gleichgewichts
- MS-Kontakt im Gleichgewicht, Schottky- und Bardeen-Modell
- MS-Kontakt im Nichtgleichgewicht
- Kontakt-Randbedingungen in der Bauelemente-Simulation
- Metall-Isolator-Halbleiter (MIS) Struktur
- Isolator-Halbleiter (IS)-Übergang im Gleichgewicht
- MIS-Struktur bei angelegter Spannung
- Ladungstransport durch dünne Oxide
- Hetero-Übergänge
- Banddiskontinuitäten
- Potentialverlauf nach Einstellung des Gleichgewichts
- Supergitter und Quantum Wells
- Tunnel FET
- Interband-Tunneln
- Modelle für die imaginäre Dispersion
- WKB-Näherung für die Interband-Generationsrate
- 1D homogenes elektrisches Feld
- Non-local Path BTBT-Modell
- Tunnel FETs: Funktionsweise und Betriebsverhalten
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Topics of Exercises
- Physics and simulation of single-electron transistor (Demo)
- Introduction into simulation environment
- Simulation meshes, impact of mesh on IV-curves
- MOS-diode, static CV-characteristics
- MOSFET, Simulation of IV characteristics
- Simulation with different mobility models
- pn-diode, impact of SRH Recombination
- Bipolar transistor, Gummel-curves and gain
- Simulation of impact ionization, avalanche breakdown,
substrate currents in MOSFETs
- Schottky diode, impact of doping on rectification
- Flash EPROM, Fowler-Nordheim tunneling
- Simulation of a GaAs/AlGaAs laser
- Simulation of a Tunnel FET
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Themen der Übungen
- Physik und Simulation des Einzel-Elektron-Transistors (Demo)
- Einführung in die Simulationsumgebung
- Meshing, Einfluss des Gitters auf Bauelemente-Charakteristiken
- MOS-Diode, statische CV-Kennlinie
- MOSFET, Kennlinien-Simulation
- Simulation mit verschiedenen Beweglichkeismodellen
- pn-Diode, Einfluss der SRH-Rekombination
- Bipolar-Transistor, Gummel-Kennlinien und gain
- Simulation der Stossionisation, Dioden-Durchbruch,
Substratströme in MOSFETs
- Schottky-Diode, Einfluss der Dotierung auf Gleichrichter-Effekt
- Flash-EPROM, Fowler-Nordheim-Tunneln
- Simulation eines GaAs/AlGaAs Lasers
- Simulation eines Tunnel FETs
- Was kann man lernen?
- Device-Physik 1 level tiefer als "Sze"
- "praktische"
Quantenmechanik, "praktische" Halbleitertheorie
- wie ein Bauelement
im Innern funktioniert
- Benutzung eines Bauelemente-Simulators
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