第二章集成電路設(shè)計技術(shù)與工具

1、第二章第二章 集成電路材料與器件物理基礎(chǔ)集成電路材料與器件物理基礎(chǔ) v2.1 引言引言v2.2 集成電路材料集成電路材料v2.3 半導體基礎(chǔ)知識半導體基礎(chǔ)知識v2.4 PN結(jié)與結(jié)型二極管結(jié)與結(jié)型二極管v2.5 雙極型晶體管雙極型晶體管v2.6 MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理晶體管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理v2.7 金屬半導體場效應晶體管金屬半導體場效應晶體管MESFETv2.8 本章小結(jié)本章小結(jié)2.1 引言引言 集成電路是當今人類智慧結(jié)晶的最佳載體，其集成電路是當今人類智慧結(jié)晶的最佳載體，其強大無比的功能產(chǎn)生于一系列重大的理論發(fā)現(xiàn)、重強大無比的功能產(chǎn)生于一系列重大的理論發(fā)現(xiàn)、重要的材料特性、奇特的

2、結(jié)構(gòu)構(gòu)思、巧妙的技術(shù)發(fā)明要的材料特性、奇特的結(jié)構(gòu)構(gòu)思、巧妙的技術(shù)發(fā)明和孜孜不倦的工藝實驗。從某種意義上講，集成電和孜孜不倦的工藝實驗。從某種意義上講，集成電路設(shè)計者就是這一系列理論和技術(shù)的路設(shè)計者就是這一系列理論和技術(shù)的“集成集成”者。者。要實現(xiàn)這個集成，首先要對這些理論、材料、結(jié)構(gòu)、要實現(xiàn)這個集成，首先要對這些理論、材料、結(jié)構(gòu)、技術(shù)與工藝基礎(chǔ)等進行全面而深入的理解。本章主技術(shù)與工藝基礎(chǔ)等進行全面而深入的理解。本章主要簡單介紹制造集成電路的關(guān)鍵材料、半導體材料要簡單介紹制造集成電路的關(guān)鍵材料、半導體材料的基礎(chǔ)，以及典型器件的工作原理及其物理基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)，以及典型器件的工作原理及其物理基礎(chǔ)。2.

3、2 集成電路材料集成電路材料v導電能力可以分為導體、半導體和絕緣體三導電能力可以分為導體、半導體和絕緣體三類類 。是微電子系統(tǒng)則應用到所有三類材料。是微電子系統(tǒng)則應用到所有三類材料 。二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、氮化硅（Si3N4）等絕緣體硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、磷化銦（GaP）、氮化鎵（GaN）等半導體鋁（Al）、金（Au）、鎢（W）、銅（Cu）等金屬，鎳鉻（NiCr）等合金；重摻雜的多晶硅導 體電 導 率（Scm-1）材 料分 類5102-91010-14-221010v作為導體，鋁、金、鎢、銅等金屬和鎳鉻等合金在集作為導體，鋁、金、鎢、銅等金屬和鎳鉻等

4、合金在集成電路工藝中主要具有如下功能：成電路工藝中主要具有如下功能：（1）構(gòu)成低值電阻；）構(gòu)成低值電阻；（2）構(gòu)成電容元件的極板；）構(gòu)成電容元件的極板；（3）構(gòu)成電感元件的繞線；）構(gòu)成電感元件的繞線；（4）構(gòu)成傳輸線（微帶線和共面波導）的導體結(jié)構(gòu)；）構(gòu)成傳輸線（微帶線和共面波導）的導體結(jié)構(gòu)；（5）與輕摻雜半導體構(gòu)成肖特基結(jié)接觸；）與輕摻雜半導體構(gòu)成肖特基結(jié)接觸；（6）與重摻雜半導體構(gòu)成半導體器件的電極的歐姆接觸；）與重摻雜半導體構(gòu)成半導體器件的電極的歐姆接觸；（7）構(gòu)成元器件之間的互連；）構(gòu)成元器件之間的互連；（8）構(gòu)成與外界焊接用的焊盤。）構(gòu)成與外界焊接用的焊盤。重摻雜的多晶硅電導率接近導體

5、，因此常常被作為導體看重摻雜的多晶硅電導率接近導體，因此常常被作為導體看待，主要用來構(gòu)成待，主要用來構(gòu)成MOS晶體管的柵極以及元器件之間的短晶體管的柵極以及元器件之間的短距離互連。距離互連。 v作為絕緣體，二氧化硅、氮氧化硅作為絕緣體，二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅的氧、氮化硅等硅的氧化物和氮化物在集成電路工藝中主要具有如下功能：化物和氮化物在集成電路工藝中主要具有如下功能：（1）構(gòu)成電容的絕緣介質(zhì)；）構(gòu)成電容的絕緣介質(zhì)；（2）構(gòu)成金屬）構(gòu)成金屬-氧化物氧化物-半導體器件（半導體器件（MOS）的柵絕緣層；）的柵絕緣層；（3）構(gòu)成元件和互連線之間的橫向隔離；）構(gòu)成元件和互連線之間的橫向隔離；（4

6、）構(gòu)成工藝層面之間的垂直隔離；）構(gòu)成工藝層面之間的垂直隔離；（5）構(gòu)成防止表面機械損傷和化學污染的鈍化層。）構(gòu)成防止表面機械損傷和化學污染的鈍化層。v而半導體材料，也是集成電路制造中的核心而半導體材料，也是集成電路制造中的核心材料，則主要利用半導體摻雜以后形成材料，則主要利用半導體摻雜以后形成P型型和和N型半導體，在導體和絕緣體材料的連接型半導體，在導體和絕緣體材料的連接或阻隔下組成各種集成電路的元件或阻隔下組成各種集成電路的元件半導體半導體器件。器件。 半導體材料在集成電路的制造中起著半導體材料在集成電路的制造中起著根本性的作用。根本性的作用。 2.3半導體基礎(chǔ)知識半導體基礎(chǔ)知識2.3.1

7、固體的晶體結(jié)構(gòu)固體的晶體結(jié)構(gòu) v固體分為晶體和非晶體兩大類。固體分為晶體和非晶體兩大類。晶體：宏觀上具有對稱的幾何外形，微觀上原子或離子呈現(xiàn)在空間晶體：宏觀上具有對稱的幾何外形，微觀上原子或離子呈現(xiàn)在空間有規(guī)則的周期性的排列。如用來制作集成電路的硅、鍺、砷化鎵等。有規(guī)則的周期性的排列。如用來制作集成電路的硅、鍺、砷化鎵等。晶體的性質(zhì)與這種內(nèi)在的周期性有關(guān)，內(nèi)在的周期性導致電子共有晶體的性質(zhì)與這種內(nèi)在的周期性有關(guān)，內(nèi)在的周期性導致電子共有化運動。化運動。非晶體：無論是否完整都沒有固定的形狀。如玻璃、橡膠等。非晶體：無論是否完整都沒有固定的形狀。如玻璃、橡膠等。電子共有化電子共有化 晶體中大量原子

8、晶體中大量原子 有規(guī)則排列有規(guī)則排列,晶體中形成了晶體中形成了如圖所示的周期性勢場如圖所示的周期性勢場,電子在這種周期性的勢場電子在這種周期性的勢場中運動中運動, 對于高能級的電子，其能量超過勢壘高對于高能級的電子，其能量超過勢壘高度，電子可以在整個固體中自由運動。度，電子可以在整個固體中自由運動。對于能量對于能量低于低于勢壘高度的電子勢壘高度的電子, ,也有一定的貫穿概率。也有一定的貫穿概率。 價電子不再為單價電子不再為單個原子所有個原子所有,而為整個而為整個晶體所共有的現(xiàn)象晶體所共有的現(xiàn)象稱為稱為電子共有化。電子共有化。晶體中周期性的勢場晶體中周期性的勢場 a1E2Ev晶體原子在空間的周期

9、排列就形成了具有一定幾何晶體原子在空間的周期排列就形成了具有一定幾何外形的晶體，通常將這種周期排列稱為晶格。外形的晶體，通常將這種周期排列稱為晶格。 v較為常見的主要有簡單立方、體心立方、面心立方較為常見的主要有簡單立方、體心立方、面心立方和金剛石結(jié)構(gòu)。和金剛石結(jié)構(gòu)。v砷化鎵材料是一種面心立方；而硅和鍺都是金剛石砷化鎵材料是一種面心立方；而硅和鍺都是金剛石結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 （a）砷化鎵材料的閃鋅礦結(jié)構(gòu)）砷化鎵材料的閃鋅礦結(jié)構(gòu) （b）硅材料的金剛石結(jié)構(gòu)）硅材料的金剛石結(jié)構(gòu)2.3.2 固體能帶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)固體能帶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2.3.2.1能帶的形成能帶的形成v對單個原子而言，電子在原子核外運動的軌跡是對單個原

10、子而言，電子在原子核外運動的軌跡是分立能級分立能級v如果兩個相同原子相互靠近，由于原子的相互作如果兩個相同原子相互靠近，由于原子的相互作用，使得較高能級將分裂成鄰近的兩個能級，以用，使得較高能級將分裂成鄰近的兩個能級，以滿足泡利不相容原理滿足泡利不相容原理v當大量相同原子靠近并按當大量相同原子靠近并按照周期性排列后，它們相照周期性排列后，它們相互作用并形成周期勢場，互作用并形成周期勢場，導致能級發(fā)生分裂。導致能級發(fā)生分裂。 量子力學計算表明，固體中若有量子力學計算表明，固體中若有N個原子，個原子，由于各原子間的相互作用，對應于原來孤立原由于各原子間的相互作用，對應于原來孤立原子的每一個能級子的

11、每一個能級, ,變成了變成了N條靠得很近的能級，條靠得很近的能級，稱為稱為能帶能帶。v能帶的寬度記作能帶的寬度記作 E ，數(shù)量級為，數(shù)量級為 EeV。v能帶的一般規(guī)律能帶的一般規(guī)律（1） 外層電子共有化程度顯著，能帶寬度較寬；外層電子共有化程度顯著，能帶寬度較寬；內(nèi)層電子相應的能帶較窄。內(nèi)層電子相應的能帶較窄。（2） 點陣間距越小，能帶越寬，點陣間距越小，能帶越寬， E越大。越大。（3） 兩能帶有可能重疊。兩能帶有可能重疊。v能帶中的電子排布服從泡利不相容原理和能量最低原能帶中的電子排布服從泡利不相容原理和能量最低原理。電子根據(jù)泡利不相容原理先填滿能級低的能級再理。電子根據(jù)泡利不相容原理先填滿

12、能級低的能級再填能級較高的能級。能帶出現(xiàn)五種情況填能級較高的能級。能帶出現(xiàn)五種情況 （a）導帶部分填充情況 （b）導帶為空帶價帶為滿帶，且禁帶較窄的情況 v滿帶滿帶能帶中各能級都被電子填滿。通常發(fā)生在內(nèi)層能帶（電子能量能帶中各能級都被電子填滿。通常發(fā)生在內(nèi)層能帶（電子能量較低）。滿帶中的電子不能起導電作用。較低）。滿帶中的電子不能起導電作用。 v價帶價帶(valence band Ev)共價電子所在能級分裂后形成的能帶。理想情況下，在價帶之共價電子所在能級分裂后形成的能帶。理想情況下，在價帶之上能帶是空的，沒有電子上能帶是空的，沒有電子 ，在價帶之下的能帶則是全部填滿，在價帶之下的能帶則是全部

13、填滿的。在半導體中，價帶就是能帶最高的滿帶。的。在半導體中，價帶就是能帶最高的滿帶。v導帶導帶(conduction band EC)電子部分填充的能帶。導帶中的電子容易在外場下運動而形成電子部分填充的能帶。導帶中的電子容易在外場下運動而形成電流，所以稱為導帶。對半導體而言，導帶則是緊鄰價帶的那電流，所以稱為導帶。對半導體而言，導帶則是緊鄰價帶的那個個“空帶空帶”。v空帶空帶所有能級均未被電子填充的能帶所有能級均未被電子填充的能帶。由原子的激發(fā)態(tài)能級分裂而。由原子的激發(fā)態(tài)能級分裂而成，正常情況下是空的。當有激發(fā)因素（熱激發(fā)、光激發(fā)等）成，正常情況下是空的。當有激發(fā)因素（熱激發(fā)、光激發(fā)等）時，價

14、帶中的電子能夠被激發(fā)進入空帶。在外電場作用下，這時，價帶中的電子能夠被激發(fā)進入空帶。在外電場作用下，這些電子的轉(zhuǎn)移同樣可以形成電流。所以，空帶也是導帶的一種。些電子的轉(zhuǎn)移同樣可以形成電流。所以，空帶也是導帶的一種。 v禁帶禁帶在能帶之間的能量間隙區(qū)，由于量子力學限制電子不能填充，在能帶之間的能量間隙區(qū)，由于量子力學限制電子不能填充，這段能級區(qū)域稱為禁帶。導帶和價帶之間的禁帶寬度對晶體的這段能級區(qū)域稱為禁帶。導帶和價帶之間的禁帶寬度對晶體的導電性有重要的作用。禁帶不是一定存在的，如果上下能帶重導電性有重要的作用。禁帶不是一定存在的，如果上下能帶重疊，其間的禁帶就不存在疊，其間的禁帶就不存在 。2

15、.3.2.2 導體、絕緣體和半導體的能帶結(jié)構(gòu)導體、絕緣體和半導體的能帶結(jié)構(gòu) 它們的導電性能不同，是因為它們的能它們的導電性能不同，是因為它們的能帶結(jié)構(gòu)不同。帶結(jié)構(gòu)不同。固體按導電性能的高低可以分為固體按導電性能的高低可以分為導體導體半導體半導體絕緣體絕緣體v導體導體由于導帶不滿或者滿帶與空帶（或?qū)В┲丿B，在外加電場的作用由于導帶不滿或者滿帶與空帶（或?qū)В┲丿B，在外加電場的作用下電子很容易從能帶內(nèi)或者交疊的能帶中的較低能級向較高能級躍下電子很容易從能帶內(nèi)或者交疊的能帶中的較低能級向較高能級躍遷轉(zhuǎn)移而形成定向移動，從而形成電流。遷轉(zhuǎn)移而形成定向移動，從而形成電流。(作業(yè)作業(yè)5：把下列元素按照：

16、把下列元素按照原子核電子排列的方式畫出來原子核電子排列的方式畫出來)v絕緣體絕緣體絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)通常下圖。最頂層的滿帶之上是沒有電子填絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)通常下圖。最頂層的滿帶之上是沒有電子填充的空帶，并且空帶與滿帶之間的禁帶非常大（通常大于充的空帶，并且空帶與滿帶之間的禁帶非常大（通常大于3電電子伏特（子伏特（eV），例如二氧化硅），滿帶中的電子很難從外界），例如二氧化硅），滿帶中的電子很難從外界的光、電、熱激發(fā)中獲得足夠的能量而跳躍到空帶上來。的光、電、熱激發(fā)中獲得足夠的能量而跳躍到空帶上來。 由于滿帶中的電子對導電沒有貢由于滿帶中的電子對導電沒有貢獻，而空帶中又沒有電子參與導獻，而空帶中又

17、沒有電子參與導電，因此絕緣體的導電能力非常電，因此絕緣體的導電能力非常微弱。微弱。 v半導體半導體半導體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體類似。不同的是半導體的禁帶寬度半導體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體類似。不同的是半導體的禁帶寬度較窄，一般小于較窄，一般小于3eV，如圖。由于半導體禁帶寬度小，在外電，如圖。由于半導體禁帶寬度小，在外電場、光、熱等能量的激發(fā)下，滿帶（通常該滿帶稱為價帶）頂場、光、熱等能量的激發(fā)下，滿帶（通常該滿帶稱為價帶）頂部的電子比較容易獲得足夠的能量越過禁帶躍遷到空帶（通常部的電子比較容易獲得足夠的能量越過禁帶躍遷到空帶（通常 稱為導帶），從而使得導帶中存稱為導帶），從而使得導帶中存在少量的自由電

18、子，而價帶中由在少量的自由電子，而價帶中由于少了一部分的電子而形成了具于少了一部分的電子而形成了具有正電性質(zhì)的有正電性質(zhì)的“空穴空穴”。導帶中。導帶中的自由電子與價帶中的空穴都能的自由電子與價帶中的空穴都能參與導電。參與導電。() 絕緣體與半導體的擊穿絕緣體與半導體的擊穿 當外電場非常強時，絕緣體與半導體的大量的當外電場非常強時，絕緣體與半導體的大量的共有化電子（價帶電子）還是能越過禁帶躍遷到共有化電子（價帶電子）還是能越過禁帶躍遷到上面的空帶中。通常稱為半導體與絕緣體被擊穿。上面的空帶中。通常稱為半導體與絕緣體被擊穿。絕緣體絕緣體半導體半導體導體導體2.3.3 本征半導體與雜質(zhì)半導體本征半導

19、體與雜質(zhì)半導體v本征半導體本征半導體 本征半導體是指純凈的半導體。本征半導體是指純凈的半導體。本征半導體的導電性能在導體與絕緣體之間。本征半導體的導電性能在導體與絕緣體之間。當半導體價帶（是一個滿帶）中一個電子被外界的能量當半導體價帶（是一個滿帶）中一個電子被外界的能量激發(fā)到導帶（是一個空帶）上，則在導帶中出現(xiàn)一個電激發(fā)到導帶（是一個空帶）上，則在導帶中出現(xiàn)一個電子，相應地，價帶中留下一個沒有電子填充的子，相應地，價帶中留下一個沒有電子填充的“空位空位”, 稱為稱為“空穴空穴”滿帶滿帶 (價帶價帶)空帶空帶 (導帶導帶)h Eg電子離開后留下的空穴相當于產(chǎn)生了一個帶正電的粒子。電子離開后留下的

20、空穴相當于產(chǎn)生了一個帶正電的粒子。空穴與導帶中的電子帶電相反，使得半導體處于電中性?？昭ㄅc導帶中的電子帶電相反，使得半導體處于電中性。導帶導帶價帶價帶空穴下面能級上空穴下面能級上的電子可以躍遷的電子可以躍遷到空穴上來到空穴上來,這相當于空穴這相當于空穴向下躍遷。向下躍遷。價帶上帶正電的價帶上帶正電的空穴向下躍遷也空穴向下躍遷也是形成電流是形成電流,這稱為空穴導電。這稱為空穴導電。 Eg在外電場作用下在外電場作用下,v電子和空穴都參與導電。電子和空穴都參與導電。v價帶中的電子獲得能量，越過禁帶，躍遷到導帶，成為自由電價帶中的電子獲得能量，越過禁帶，躍遷到導帶，成為自由電子。同時，在價帶中留下相同

21、數(shù)量的空穴。我們將這種激發(fā)產(chǎn)子。同時，在價帶中留下相同數(shù)量的空穴。我們將這種激發(fā)產(chǎn)生的躍遷過程稱為半導體的生的躍遷過程稱為半導體的本征激發(fā)本征激發(fā)，所產(chǎn)生的自由電子和空，所產(chǎn)生的自由電子和空穴稱為穴稱為本征載流子本征載流子。v本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)目是相同的。本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)目是相同的。v僅僅有本征激發(fā)的半導體是僅僅有本征激發(fā)的半導體是本征半導體本征半導體。 v事實上，當半導體中有少量缺陷和雜質(zhì)，但是半導體中電子和事實上，當半導體中有少量缺陷和雜質(zhì)，但是半導體中電子和空穴主要是由本征激發(fā)產(chǎn)生的，我們也稱之為本征半導體。空穴主要是由本征激發(fā)產(chǎn)生的，我們也稱之為本征半導體

22、。v雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體 v由于特定雜質(zhì)的摻入半導體，自由電子和空穴的數(shù)量（或者濃由于特定雜質(zhì)的摻入半導體，自由電子和空穴的數(shù)量（或者濃度）不再完全相同，而是根據(jù)雜質(zhì)的性質(zhì)不同，半導體中自由度）不再完全相同，而是根據(jù)雜質(zhì)的性質(zhì)不同，半導體中自由電子濃度會遠大于或者遠小于半導體中的空穴濃度。電子濃度會遠大于或者遠小于半導體中的空穴濃度。v相應于本征半導體，相應于本征半導體，雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體也被稱為也被稱為非本征半導體非本征半導體。v根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導體可以分為根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導體可以分為P型半導體型半導體和和N型半導體型半導體。v在在P型半導體中空穴濃度遠大于自由

23、電子濃度，型半導體中空穴濃度遠大于自由電子濃度，v在在N型半導體中自由電子濃度遠大于空穴濃度。型半導體中自由電子濃度遠大于空穴濃度。vP型半導體型半導體四價的本征半導體四價的本征半導體Si、e等，摻入少量三價的等，摻入少量三價的雜質(zhì)雜質(zhì)元素（如、元素（如、Ga、n等）形成空穴型半導等）形成空穴型半導體，稱體，稱 p 型半導體。型半導體。量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠滿帶處，禁帶中緊靠滿帶處， ED10-2eV，極易產(chǎn)生空穴，極易產(chǎn)生空穴導電。導電。該能級稱該能級稱受主受主（acceptor）能級。能級。vP型半導體型半導體空穴空穴

24、是多數(shù)載流子是多數(shù)載流子多子多子電子電子是少數(shù)載流子是少數(shù)載流子少子少子Ec : conduction bandEv : valence bandEf : Fermi level四價的本征半導體四價的本征半導體 Si、等，摻入少量五價的、等，摻入少量五價的雜雜質(zhì)質(zhì)（impurity）元素（如元素（如P、As等）形成電子型半等）形成電子型半導體導體,稱稱 n 型半導體。型半導體。量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能級在量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處禁帶中緊靠空帶處, ED10-2eV，極易形成電子，極易形成電子導電。導電。該能級稱為該能級稱為施主施主（donor）能

25、級。能級。vN型雜質(zhì)半導體型雜質(zhì)半導體 vN型半導體型半導體電子電子是多數(shù)載流子是多數(shù)載流子多子多子空穴空穴是少數(shù)載流子是少數(shù)載流子少子少子2.3.4 半導體的特性半導體的特性v半導體材料具有以下特性：半導體材料具有以下特性：通過摻入雜質(zhì)可明顯改變半導體的電導率。通過摻入雜質(zhì)可明顯改變半導體的電導率。當半導體受到外界光電熱等激發(fā)時，其導電能力將發(fā)生顯著的當半導體受到外界光電熱等激發(fā)時，其導電能力將發(fā)生顯著的變化。變化。利用金屬與摻雜的半導體材料接觸，可以形成肖特基二極管和利用金屬與摻雜的半導體材料接觸，可以形成肖特基二極管和金屬金屬-半導體場效應晶體管（半導體場效應晶體管（MESFET）與高電

26、子遷移率晶體）與高電子遷移率晶體管（管（HEMT）等器件。）等器件。對不同區(qū)域的半導體材料進行不同類型和濃度的摻雜，可以形對不同區(qū)域的半導體材料進行不同類型和濃度的摻雜，可以形成不同類型，不同功能的晶體管。成不同類型，不同功能的晶體管。利用金屬利用金屬-氧化物氧化物-半導體結(jié)構(gòu)，可以形成半導體結(jié)構(gòu)，可以形成PMOS、NMOS和和CMOS場效應晶體管。場效應晶體管。v總之，正是由于這些獨特的特性使得半導體材料在微電總之，正是由于這些獨特的特性使得半導體材料在微電子方面具有十分重要的作用。子方面具有十分重要的作用。 2.4 PN結(jié)與結(jié)型二極管結(jié)與結(jié)型二極管2.4.1 PN結(jié)的形成結(jié)的形成 在一塊在

27、一塊 n 型半導體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主型半導體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補償作用，該區(qū)就成為型半導體。雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補償作用，該區(qū)就成為型半導體。 由于區(qū)的電子向區(qū)擴散，區(qū)的空穴向區(qū)擴由于區(qū)的電子向區(qū)擴散，區(qū)的空穴向區(qū)擴散，在散，在P型半導體和型半導體的交界面附近產(chǎn)生了型半導體和型半導體的交界面附近產(chǎn)生了一個電場一個電場, 稱為內(nèi)建場。稱為內(nèi)建場。v內(nèi)建場阻止電子和空穴進一步擴散內(nèi)建場阻止電子和空穴進一步擴散v內(nèi)建場大到一定程度內(nèi)建場大到一定程度,不再有凈電荷的流動，達到了新的不再有凈電荷的流動，達到了新的平衡。平衡。v在型在型 n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為

28、型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為PN結(jié)結(jié)P-N結(jié)處存在電勢差結(jié)處存在電勢差Uo 也阻止也阻止 N區(qū)帶負電區(qū)帶負電的電子進一步向的電子進一步向P區(qū)區(qū)擴散。擴散。 它阻止它阻止 P區(qū)帶正電區(qū)帶正電的空穴進一步向的空穴進一步向N區(qū)區(qū)擴散；擴散；U00eU電子能級電子能級電勢曲線電勢曲線電子電勢能曲線電子電勢能曲線PN結(jié)結(jié)考慮到考慮到P-結(jié)的存在，在討論半導體中電子的能結(jié)的存在，在討論半導體中電子的能量時候應考慮進這內(nèi)建場帶來的電子附加勢能。量時候應考慮進這內(nèi)建場帶來的電子附加勢能。 電子的能帶出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象電子的能帶出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。導帶導帶導帶導帶PN結(jié)結(jié)0eU 施主能級施主能級受主能級受主能級價帶價

29、帶價帶價帶2.4.2 PN結(jié)型二極管特性結(jié)型二極管特性零偏壓零偏壓PN結(jié)兩端不加偏壓時稱為零偏壓結(jié)兩端不加偏壓時稱為零偏壓情況情況零偏壓時，零偏壓時，P區(qū)和區(qū)和N區(qū)費米能級持區(qū)費米能級持平，電子占據(jù)水平相當，沒有載平，電子占據(jù)水平相當，沒有載流子流動，處于平衡狀態(tài)。流子流動，處于平衡狀態(tài)。u正向偏壓正向偏壓在結(jié)的在結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。外加電場與內(nèi)建場方向外加電場與內(nèi)建場方向相反，相反，PN結(jié)總的電場減結(jié)總的電場減弱，弱，阻擋層勢壘被削弱、阻擋層勢壘被削弱、變窄，有利于空穴向變窄，有利于空穴向N區(qū)區(qū)運動，電子向運動，電子向P區(qū)運動，區(qū)運動，形成正向電流。

30、形成正向電流。外Ep型型n型型IEv從能帶角度來說阻擋層勢壘被從能帶角度來說阻擋層勢壘被削弱，阻擋層的總電場強度降削弱，阻擋層的總電場強度降低，低，PN結(jié)兩端的結(jié)兩端的能帶彎曲變小能帶彎曲變小。N區(qū)的費米能級高于區(qū)的費米能級高于P區(qū)的費米區(qū)的費米能級，電子和空穴容易獲得足能級，電子和空穴容易獲得足夠的能量越過勢壘區(qū)到達對方夠的能量越過勢壘區(qū)到達對方區(qū)域。從而有電流流過勢壘區(qū)。區(qū)域。從而有電流流過勢壘區(qū)。v反向偏壓反向偏壓外Ep型型n型型IE在結(jié)的在結(jié)的p型區(qū)接電源負極，叫反向偏壓。型區(qū)接電源負極，叫反向偏壓。外加電場與內(nèi)建場方向相外加電場與內(nèi)建場方向相相同，阻擋層勢壘被加強、相同，阻擋層勢壘被

31、加強、變寬，阻礙了空穴向變寬，阻礙了空穴向N區(qū)區(qū)運動，也阻礙了電子向運動，也阻礙了電子向P區(qū)運動，只有反向漏電流區(qū)運動，只有反向漏電流流過。流過。v從能帶角度來說阻擋層勢壘從能帶角度來說阻擋層勢壘被加強，阻擋層的總電場強被加強，阻擋層的總電場強度增大，度增大，PN結(jié)兩端的能帶彎結(jié)兩端的能帶彎曲變大。曲變大。P區(qū)的費米能級高區(qū)的費米能級高于于N區(qū)的費米能級，電子和區(qū)的費米能級，電子和空穴不能越過勢壘區(qū)到達對空穴不能越過勢壘區(qū)到達對方區(qū)域。只有漏電流流過勢方區(qū)域。只有漏電流流過勢壘區(qū)。壘區(qū)。v根據(jù)根據(jù)PN結(jié)的載流子濃度的分布和電流連續(xù)性方程，可結(jié)的載流子濃度的分布和電流連續(xù)性方程，可得出理想得出理

32、想PN結(jié)半導體二極管方程為：結(jié)半導體二極管方程為： （2.2）) 1(DSDkTqVeIIID為二極管的電流，為二極管的電流，IS為為二極管的反向飽和電流，二極管的反向飽和電流，q為電子電荷，為電子電荷，VD為二極管為二極管外加電壓，外加電壓，k為波爾茲曼常為波爾茲曼常數(shù)，數(shù)，T為絕對溫度。為絕對溫度。2.4.3 肖特基接觸和肖特基結(jié)二極管肖特基接觸和肖特基結(jié)二極管 v金屬與半導體接觸時，由于金屬費米能級與半導體的費金屬與半導體接觸時，由于金屬費米能級與半導體的費米能級不同，將導致電子從金屬流向半導體或者半導體米能級不同，將導致電子從金屬流向半導體或者半導體流向金屬。從而形成肖特基接觸。流向金

33、屬。從而形成肖特基接觸。v理論上當金屬的費米能級高于理論上當金屬的費米能級高于P型半導體的費米能級時，型半導體的費米能級時，或者金屬費米能級低于或者金屬費米能級低于N型半導體的費米能級時，由于型半導體的費米能級時，由于電子或空穴的流動將在半導體表面附近產(chǎn)生勢壘區(qū)形成電子或空穴的流動將在半導體表面附近產(chǎn)生勢壘區(qū)形成肖特基接觸。其他情況不形成肖特基接觸肖特基接觸。其他情況不形成肖特基接觸v事實上由于半導體表面態(tài)的存在，金屬與輕摻雜的半導事實上由于半導體表面態(tài)的存在，金屬與輕摻雜的半導體接觸都能形成肖特基接觸。體接觸都能形成肖特基接觸。v肖特基結(jié)形成過程肖特基結(jié)形成過程v金屬與金屬與N型半導體接觸，

34、由于型半導體接觸，由于N型型半導體的費米能級高于金屬費米半導體的費米能級高于金屬費米能級，電子將從半導體流向金屬，能級，電子將從半導體流向金屬，從而使得金屬中電子增多而半導從而使得金屬中電子增多而半導體中電子減少而留有帶正電的施體中電子減少而留有帶正電的施主能級。結(jié)果金屬中帶負電，半主能級。結(jié)果金屬中帶負電，半導體帶正電。在接觸界面存在內(nèi)導體帶正電。在接觸界面存在內(nèi)建電場，從建電場，從N型半導體指向金屬。型半導體指向金屬。接觸界面附近的半導體能帶發(fā)生接觸界面附近的半導體能帶發(fā)生完全，形成載流子阻擋層。具有完全，形成載流子阻擋層。具有跟跟PN結(jié)類似的整流特性。結(jié)類似的整流特性。v金屬與金屬與P型

35、半導體接觸具有類似過型半導體接觸具有類似過程。程。v同同PN結(jié)類似，它具有在正向偏壓下電流增大，方向偏結(jié)類似，它具有在正向偏壓下電流增大，方向偏壓電流很小的整流特性。壓電流很小的整流特性。2.4.4歐姆接觸歐姆接觸v當金屬與重摻雜的半導體接觸時，由于半導體中的多當金屬與重摻雜的半導體接觸時，由于半導體中的多子濃度大，形成的勢壘區(qū)將非常薄。這導致金屬中的子濃度大，形成的勢壘區(qū)將非常薄。這導致金屬中的電子不用越過接觸勢壘就能夠通過電子不用越過接觸勢壘就能夠通過隧穿效應隧穿效應達到半導達到半導體中。半導體中的載流子同樣如此。此時勢壘對載流體中。半導體中的載流子同樣如此。此時勢壘對載流子的阻礙作用幾乎

36、可以忽略，載流子能夠子的阻礙作用幾乎可以忽略，載流子能夠 “自由自由”通過金屬與半導體的接觸區(qū)。這樣的金屬與半導體接通過金屬與半導體的接觸區(qū)。這樣的金屬與半導體接觸稱為歐姆接觸。（實際為重摻雜）觸稱為歐姆接觸。（實際為重摻雜）2.5 雙極型晶體管雙極型晶體管2.5.1 雙極型晶體管的基本結(jié)構(gòu)雙極型晶體管的基本結(jié)構(gòu) v在半導體晶體中形成兩個靠得很近的在半導體晶體中形成兩個靠得很近的PN結(jié)即可構(gòu)成雙結(jié)即可構(gòu)成雙極型晶體管。極型晶體管。v它們的排列順序可以是它們的排列順序可以是N-P-N或者或者P-N-P。前者我們稱。前者我們稱之為之為NPN晶體管，后者稱之為晶體管，后者稱之為PNP晶體管。晶體管。

37、v三個區(qū)域分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，對應引出的三個區(qū)域分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，對應引出的電極分別稱為發(fā)射極電極分別稱為發(fā)射極E、基極、基極B和集電極和集電極C。E-B之間的之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，C-B之間的之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。結(jié)稱為集電結(jié)。NPN 三極管剖面圖三極管剖面圖v一般在制作時，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠遠高于基區(qū)和集電區(qū)；基區(qū)做一般在制作時，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠遠高于基區(qū)和集電區(qū)；基區(qū)做的很?。ㄒ晕⒚咨踔良{米計）；集電結(jié)的面積大于發(fā)射結(jié)的面積。的很薄（以微米甚至納米計）；集電結(jié)的面積大于發(fā)射結(jié)的面積。因此，在使用時，因此，在使用時，E、C兩個電極是不能交換的。電路

38、符號中兩個電極是不能交換的。電路符號中E電極電極的箭頭，表示正向電流的方向。的箭頭，表示正向電流的方向。 NPN和和PNP晶體管的結(jié)構(gòu)構(gòu)成示意圖、能帶結(jié)構(gòu)示意圖和它們的晶體管符號。晶體管的結(jié)構(gòu)構(gòu)成示意圖、能帶結(jié)構(gòu)示意圖和它們的晶體管符號。 2.5.2 雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理v由于晶體管有兩個由于晶體管有兩個PN結(jié)，所以它有四種不同的運用狀結(jié)，所以它有四種不同的運用狀態(tài)。態(tài)。（1）發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏時，為放大工作狀態(tài)；）發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏時，為放大工作狀態(tài)；（2）發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏時，為飽和工作狀態(tài)；）發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏時，為飽和工作狀態(tài)；（3）發(fā)射結(jié)反

39、偏，集電結(jié)也反偏時，為截止工作狀態(tài)；）發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)也反偏時，為截止工作狀態(tài)；（4）發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏時，為反向工作狀態(tài)。）發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏時，為反向工作狀態(tài)。v在放大電路中，主要應用其放大工作狀態(tài)。在放大電路中，主要應用其放大工作狀態(tài)。 v雙極型晶體管的電流放大作用雙極型晶體管的電流放大作用 v共基極連接共基極連接v發(fā)射結(jié)正偏，結(jié)內(nèi)電場減弱，發(fā)射發(fā)射結(jié)正偏，結(jié)內(nèi)電場減弱，發(fā)射結(jié)寬度變窄，發(fā)射結(jié)中多子電子的結(jié)寬度變窄，發(fā)射結(jié)中多子電子的擴散運動占優(yōu)勢。發(fā)射區(qū)的大量電擴散運動占優(yōu)勢。發(fā)射區(qū)的大量電子注入到基區(qū)，形成電子電流子注入到基區(qū)，形成電子電流IE。v集電結(jié)反偏，大的電場從集電

40、結(jié)指集電結(jié)反偏，大的電場從集電結(jié)指向基區(qū)，流到薄的基區(qū)中的大量電向基區(qū)，流到薄的基區(qū)中的大量電子子(非平衡少子非平衡少子)在該大電場的作用在該大電場的作用下迅速漂移到集電區(qū)，形成集電電下迅速漂移到集電區(qū)，形成集電電流流IC。 v從能帶結(jié)構(gòu)來看，從能帶結(jié)構(gòu)來看，基區(qū)導帶最高基區(qū)導帶最高，從發(fā)射區(qū)過來的電子不能待在基區(qū)從發(fā)射區(qū)過來的電子不能待在基區(qū)而是迅速向勢能更低的集電區(qū)流動。而是迅速向勢能更低的集電區(qū)流動。v雙極型晶體管的放大作用就用正向電流放大倍數(shù)雙極型晶體管的放大作用就用正向電流放大倍數(shù)F來描述，來描述， F定定義為：義為：vv也稱為共基極電流放大系數(shù)，其含義為基極不變，通過改變發(fā)射也稱為

41、共基極電流放大系數(shù)，其含義為基極不變，通過改變發(fā)射極電流極電流IE來控制來控制IC以實現(xiàn)電流放大。以實現(xiàn)電流放大。 F遠遠大于遠遠大于1（通常大于（通常大于100）。）。v如果將發(fā)射極和集電極對換，從原理上講沒有本質(zhì)上的不同。但如果將發(fā)射極和集電極對換，從原理上講沒有本質(zhì)上的不同。但由于晶體管的實際結(jié)構(gòu)不對稱，特別是在由于晶體管的實際結(jié)構(gòu)不對稱，特別是在集成電路中，發(fā)射區(qū)嵌集成電路中，發(fā)射區(qū)嵌套在基區(qū)內(nèi)，基區(qū)嵌套又在集電區(qū)內(nèi)套在基區(qū)內(nèi)，基區(qū)嵌套又在集電區(qū)內(nèi)，發(fā)射結(jié)比集電結(jié)小得多，發(fā)射結(jié)比集電結(jié)小得多，反向電流放大倍數(shù)反向電流放大倍數(shù)R比比F小得多，故這種工作狀態(tài)基本不用。小得多，故這種工作狀態(tài)

42、基本不用。BCFII2.6 MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理晶體管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理2.6.1MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)晶體管的基本結(jié)構(gòu)v金屬氧化物半導體場效應晶體管，簡稱為金屬氧化物半導體場效應晶體管，簡稱為MOS器件器件vMOS是由導體、絕緣體與構(gòu)成是由導體、絕緣體與構(gòu)成MOS器件襯底的摻雜半導體這器件襯底的摻雜半導體這三層材料疊在一起組成的，絕緣體介于導體和摻雜半導體之間。三層材料疊在一起組成的，絕緣體介于導體和摻雜半導體之間。vMOS的基本原理：在半導體靠近絕緣體界面感應出與原摻雜的基本原理：在半導體靠近絕緣體界面感應出與原摻雜類型相反的載流子，形成一條導電溝道，從而導通兩側(cè)的摻雜類型相

43、反的載流子，形成一條導電溝道，從而導通兩側(cè)的摻雜半導體電極。半導體電極。v根據(jù)形成導電溝道的載流子的類型，根據(jù)形成導電溝道的載流子的類型，MOS管被分為管被分為NMOS和和PMOS。 NMOS和和PMOS結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖2.6.2 MOS晶體管的基本工作原理晶體管的基本工作原理v以以NMOS晶體管為例，如果沒有任何外加偏置電壓，從漏到源是兩個背對晶體管為例，如果沒有任何外加偏置電壓，從漏到源是兩個背對背的二極管結(jié)構(gòu)。它們之間所能流過的電流就是二極管的反向漏電流。背的二極管結(jié)構(gòu)。它們之間所能流過的電流就是二極管的反向漏電流。v如果把源漏和襯底接地，在柵上加一足夠高的正電壓，正的柵壓將要排斥如

44、果把源漏和襯底接地，在柵上加一足夠高的正電壓，正的柵壓將要排斥柵下的柵下的P型襯底中的空穴而吸引電子。電子在表面聚集到一定濃度時，柵型襯底中的空穴而吸引電子。電子在表面聚集到一定濃度時，柵下的下的P型層將變成型層將變成N型層，即呈現(xiàn)反型。型層，即呈現(xiàn)反型。N反型層與源漏兩端的反型層與源漏兩端的N型擴散層型擴散層連通，就形成以電子為載流子的連通，就形成以電子為載流子的導電溝道導電溝道。v如果漏源之間有電位差，將有電流流過。如果漏源之間有電位差，將有電流流過。v如果加在柵上的正電壓比較小，不足以引起溝道區(qū)反型，器件仍處在不導如果加在柵上的正電壓比較小，不足以引起溝道區(qū)反型，器件仍處在不導通狀態(tài)。引

45、起溝道區(qū)產(chǎn)生強表面反型的最小柵電壓，稱為閾值電壓通狀態(tài)。引起溝道區(qū)產(chǎn)生強表面反型的最小柵電壓，稱為閾值電壓VT。2.6.3MOS晶體管性能分析晶體管性能分析v導通區(qū)導通區(qū)：當：當VgsVT, Vds=0V時，柵下溝道以縱向時，柵下溝道以縱向電場為主，并且由于柵壓大于閾值電壓，溝道反電場為主，并且由于柵壓大于閾值電壓，溝道反型，形成導電溝道型，形成導電溝道v線性區(qū)線性區(qū)：當：當VgsVT, VdsVT ,溝道還是處于開啟狀態(tài)，只溝道還是處于開啟狀態(tài)，只是導電溝道變窄。是導電溝道變窄。v夾斷區(qū)夾斷區(qū)：當：當VgsVT, VdsVgsVT，由于，由于Vds增大，增大，使得柵漏之間的電壓差到使得柵漏之

46、間的電壓差到(VgsVds )VT ,溝道從溝道從強反型變?yōu)楹谋M狀態(tài)，柵漏之間的溝道斷開。但強反型變?yōu)楹谋M狀態(tài)，柵漏之間的溝道斷開。但是柵源之間電壓還是大于是柵源之間電壓還是大于VT，此處仍然保持導電，此處仍然保持導電溝道狀態(tài)。源漏之間由于一處斷開而截止。溝道狀態(tài)。源漏之間由于一處斷開而截止。v一個一個MOS管的正常導電特性可分為以下幾個區(qū)域：管的正常導電特性可分為以下幾個區(qū)域：（1）“截止截止”區(qū)：這時的電流是源漏間的泄漏電流；區(qū)：這時的電流是源漏間的泄漏電流；（2）“線性線性”區(qū)：弱反型區(qū)，這時漏極電流隨柵壓線性增加；區(qū)：弱反型區(qū)，這時漏極電流隨柵壓線性增加；（3）“飽和飽和”區(qū)：溝道強反

47、型（變?yōu)楹谋M），漏極電流與漏極電壓無關(guān)。區(qū)：溝道強反型（變?yōu)楹谋M），漏極電流與漏極電壓無關(guān)。v當漏極電壓太高時，會發(fā)生稱為雪崩擊穿或穿通的非正常導電情況。當漏極電壓太高時，會發(fā)生稱為雪崩擊穿或穿通的非正常導電情況。v描述描述NMOS器件在三個區(qū)域中性能的理想表達式為器件在三個區(qū)域中性能的理想表達式為dsTgsTgsNTgsdsdsdsTgsNTgsdsVVVVVKVVVVVVVKVVI0)(202)(0022截止區(qū) 線性區(qū) 飽和區(qū) 漏極電流漏極電流DIoxoxndtoxnDSDSTGSLWkDdydVndyvdyTGSoxIIdtdQDCkVVVVIyEyEyvdtVyVVCyQWdyQdQI)(2)(, )()(, )()(22)(TGSVV當當 時，產(chǎn)生反型現(xiàn)象，導電溝道形成時，產(chǎn)生反型現(xiàn)象，導電溝道形成-場效應場效應 ，水平電場強度為，水平電場強度為0，漏源電流也為，漏源電流也為0 ，產(chǎn)生水平電場，產(chǎn)生漏電流，產(chǎn)生水平電場，產(chǎn)生漏電流0DSV0DSVvKN是是NMOS晶體管