半導体デバイス設計入門

最新のMOSトランジスタ開発は、高速化・高集積化を追求し、従来のプレーナ型から3次元構造のFinFETやナノシートFETへと進んでいます。これらの3次元構造のMOSFETの開発や設計は、コンピューターシミュレーションを使用して行われるようになってきました。しかし、これらのシミュレーションにおいても、パラメータの設定には、従来のプレーナ型MOSFET設計やバイポーラトランジスタで培った半導体知識が必要です。 　半導体デバイスの学習は、どうしても数式の導出や羅列が多く、学習意欲が損なわれがちです。そのため、半導体特性計算のコツや半導体物理の基礎、PN接合、MOS構造、MOSトランジスタの特性について、MS Excelを使った計算演習を通じて数値的な実感を持ってもらいます。また、なぜCMOSが使われるのかという基礎的な理解にも言及し、従来形のMOSFETから最新のMOSFET開発への橋渡しを行います。

1. 半導体基礎
   1. 結晶構造と結晶方位
   2. CGS単位とSI単位、物理定数
   3. シリコンの定数
2. 電子の運動とバンド構造
   1. 電子の運動
      1. 粒子と波動
         1. スリットと干渉
         2. 金薄膜の回折
   2. エネルギー準位の量子化
      1. ボーアの水素原子模型
      2. バンド構造
      3. 結晶のバンド構造
         1. 状態密度関数
         2. パウリの排他則とフェルミ-ディラック分布
            1. パウリの排他則
            2. フェルミ-ディラック分布
               • フェルミ準位とは
            3. キャリアのエネルギー分布
   3. 各種固体のバンド構造
      1. 金属
      2. 半導体
      3. 絶縁体
   4. 半導体のエネルギー準位図
      1. 各種バンドの表し方
         1. エネルギーと位置
         2. エネルギー分布と位置
         3. エネルギーと波数k
      2. 真性半導体
      3. N形半導体
      4. P形半導体
3. キャリアの運動
   1. ドリフトと拡散
      1. ドリフト移動度
      2. キャリアの拡散
      3. アインシュタインの関係式とキャリアの拡散長
      4. 演習1 (キャリアの拡散長計算)
4. PN接合
   1. PN接合のバンド構造
   2. PN接合の電流 – 電圧特性
      1. 計算式
      2. 演習2 (飽和電流の計算等)
   3. 空乏層の拡がり
      1. 階段接合
      2. 傾斜接合
      3. 演習3 (空乏層の拡がり計算)
5. 不純物濃度の求め方
   1. キャリア濃度から
   2. 体積抵抗率とキャリア濃度の関係グラフ
      1. 演習4 (不純物濃度の求め方演習)
   3. ドーズ量と接合深さから
   4. 一般的な文献値から
6. MOS素子基本特性
   1. MOS構造
   2. ゲートバイアスと反転層の形成
      1. 電荷蓄積層の形成
      2. 空乏層の形成
      3. 反転層の形成
      4. 演習5 (しきい値電圧計算)
7. MOSトランジスタ
   1. MOSトランジスタ電流 – 電圧の関係式
   2. MOSトランジスタの閾値電圧の計算方法
      1. 計算式
      2. 調整方法
      3. 演習6 (イオン注入によるしきい値電圧調整)
   3. 耐圧
      1. ブレークダウン耐圧
         1. アバランシェ降伏 (なだれ降伏)
         2. ツェナー降伏
         3. アバランシェ降伏とツェナー降伏の温度特性
      2. 階段接合 (無限大平面の場合) のブレークダウン電圧
      3. 空乏層の伸びとブレークダウン電圧の関係
      4. コーナーRがある場合
      5. 演習7 (ブレークダウン電圧の計算)
   4. アイソレーションと寄生MOS
      1. 寄生MOSのしきい値電圧とチャネルストッパー
      2. 計算式
      3. 演習8 (寄生 MOSのしきい値電圧の計算)
8. CMOSについて
   1. CMOS回路の特徴
   2. CMOS回路の実際
   3. CMOSプロセスと構造
9. 最新構造のMOSトランジスタへのアプローチ