第2章微電子概論IC制造材料

第2章IC制造材料

2.1集成電路材料2.2半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.3PN結(jié)與結(jié)型二極管2.4雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理2.5MOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理2.1集成電路材料表2.1集成電路制造所應(yīng)用到的材料分類集成電路雖然是導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三種材料有機組合形成的系統(tǒng)。但相對于其他系統(tǒng)，半導(dǎo)體材料在集成電路的制造中起著根本性的作用。集成電路通常是制作在半導(dǎo)體襯底材料之上的。同時，集成電路中的基本元件是依據(jù)半導(dǎo)體的特性構(gòu)成的。通過摻入雜質(zhì)可明顯改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。例如，在室溫30℃時，在純凈鍺中摻入億分之一的雜質(zhì)，電導(dǎo)率會增加幾百倍。正是因為摻雜可控制半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，才能利用它制造出各種不同的半導(dǎo)體器件。

當(dāng)半導(dǎo)體受到外界熱的刺激時，其導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著變化。利用這種熱敏效應(yīng)可制成熱敏器件，另一方面熱敏效應(yīng)會使半導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性下降，所以由半導(dǎo)體構(gòu)成的電路中常采用溫度補償?shù)却胧?/p>

光照也可改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，通常稱之為半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。利用光電效應(yīng)可以制成光敏電阻、光電晶體管、光電耦合器等。

多種由半導(dǎo)體形成的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)注入電流時，會發(fā)射出光，從而可制造出發(fā)光二極管和激光二極管。最基本的材料最基本的三種材料：硅（Si，Silicon），砷化鉀（GaAs，Galliumarsenide）和磷化銦（InP，Indiumphosphide）。材料系統(tǒng)：以這些材料為襯底，可以做出復(fù)雜的材料系統(tǒng)，不同的固態(tài)器件(分立)和集成電路。

2.1.1硅（Si）

鍺和硅都是半導(dǎo)體材料。上世紀六十年代剛有半導(dǎo)體器件時，都是用的鍺（第一個transistor和第一個IC

）材料，因為單晶鍺的制備比硅要容易。鍺材料電子遷移率高，適合制作低電壓器件。但鍺器件的高溫特性差，而且不能制作MOS集成電路。所以目前最主要的半導(dǎo)體材料是硅?；诠璧亩喾N工藝技術(shù)：雙極型晶體管（BJT）、結(jié)型場效應(yīng)管（J-FET）、P型、N型MOS場效應(yīng)管、雙極CMOS（BiCMOS） 價格低廉，占領(lǐng)了90％的IC市場。2.1.2砷化鎵（GaAs）

超高速：原因在于這些材料具有更高的載流子遷移率和近乎半絕緣的電阻率。GaAs和其他III/IV族化合物器件高的載流子遷移率和近乎半絕緣的電阻率等特性為提高器件速度提供了可能。超高頻：

fT可達150GHz

GaAsIC的三種有源器件：MESFET（金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管），HEMT（高電子遷移率晶體管）和HBT。2.1.3磷化銦（InP）

能工作在超高速超高頻三種有源器件：MESFET,HEMT和HBT廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中覆蓋了玻璃光纖的最小色散（1.3um）和最小衰減（1.55um）的兩個窗口。基于GaAs和InP基的半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展得很成熟，廣泛地應(yīng)用于光通信、移動通訊、微波通訊的領(lǐng)域。2.1.4絕緣材料SiO2、Si0N和Si3N4是IC系統(tǒng)中常用的幾種絕緣材料。

功能包括：（1）

充當(dāng)離子注入及熱擴散的掩膜。（2）作為生成器件表面的鈍化層，以保護器件不受外界影響。（3）電隔離：器件之間、有源層及導(dǎo)線層之間的絕緣層；在MOS器件里，柵極與溝道之間的絕緣。2.1.4絕緣材料隨著連線的幾何尺寸持續(xù)地縮小，需要低介電常數(shù)的層間絕緣介質(zhì)，以減小連線間的寄生電容和串?dāng)_。對于250nm技術(shù)的產(chǎn)品，人們采用介電常數(shù)為3.6的SiOF介質(zhì)材料；對于180nm技術(shù)的產(chǎn)品，人們則采用介電常數(shù)小于3.0的介質(zhì)材料。另一方面，對大容量動態(tài)隨機存儲器（DRAM）的要求，推動了低漏電、高介電常數(shù)介質(zhì)材料的發(fā)展。同時，高介電常數(shù)介質(zhì)材料還可以在邏輯電路、混合信號電路中用于濾波電容、隔離電容和數(shù)模轉(zhuǎn)換用電容的制造。C=εS/4πkd2.1.5金屬材料金屬材料有三個功能：①形成器件本身的接觸線：②形成器件間的互聯(lián)線；納米管+石墨烯③形成焊盤。2.1.5金屬材料

半導(dǎo)體表面制作了金屬層后，根據(jù)金屬的種類及半導(dǎo)體摻雜濃度的不同，可形成歐姆接觸或肖特基型接觸。如果摻雜濃度足夠高，隧道效應(yīng)就可以抵消勢壘的影響，那么就形成了歐姆接觸（雙向低歐姆電阻值）。如果摻雜濃度較低，金屬和半導(dǎo)體結(jié)合面形成肖特基型接觸，構(gòu)成肖特基二極管。隧道效應(yīng)：在粒子總能量低于勢壘的情況下，粒子能穿過勢壁甚至穿透一定寬度的勢壘而逃逸出來的現(xiàn)象稱為。器件互連材料包括金屬，合金，多晶硅，金屬硅化物鋁，鉻，鈦，鉬(mu)，鉈(ta)，鎢等純金屬薄層在VLSI制造中正逐步引起人們的興趣。這是由于這些金屬及合金有著獨特的屬性。如對Si及絕緣材料有良好的附著力，高電導(dǎo)率，可塑性，容易制造，并容易與外部連線相連。純金屬薄層用于制作與工作區(qū)的連線，器件間的互聯(lián)線、柵極電容、電感傳輸線的電極等。2.1.5金屬材料鋁（Al）在硅基VLSI技術(shù)中，由于鋁幾乎可滿足金屬連接的所有要求，所以被廣泛用于制作歐姆接觸及導(dǎo)線。隨著器件尺寸的日益減小，金屬連線的寬度越來越小，導(dǎo)致連線電阻越來越高，其RC常數(shù)成為限制電路速度的重要因素。要減小連線電阻，采用低電阻率的金屬或合金成為值得優(yōu)先考慮的方法。

鋁合金只有在純金屬不能滿足一些重要的電學(xué)參數(shù)、達不到可靠度的情況下，IC金屬工藝中才采用合金。硅鋁、鋁銅、鋁硅銅及鎢銻等合金已用于增大電子遷移率、改進附著特性等，或用于形成特定的肖特基勢壘。例如，在鋁中多加1％的重量的硅便可使鋁導(dǎo)線上的缺陷減至最少，而在鋁中加入少量的銅，則可使電子遷移率提高10-1000倍；通過金屬之間或與硅的互相摻雜可以增強熱穩(wěn)定性。

銅(Cu）因為銅的電阻率為1.7/cm，比鋁3.1/cm的電阻率低，從而可以在相同條件下減少約40％的功耗，能輕易實現(xiàn)更快的主頻，并能減小現(xiàn)有管芯的體積。今后，以銅代替鋁將成為半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的趨勢。IBM公司最早推出銅布線的CMOS工藝，并開始銷售采用銅布線的400MHzPowerPC芯片。IBM公司為蘋果公司的新型iBook提供經(jīng)過特殊設(shè)計的銅工藝芯片，這種耗能很低的芯片可以使iBook能夠用一塊電池工作一整天。

0.18m的CMOS工藝中幾乎都引入了銅連線工藝。兩層與多層金屬布線VLSI至少采用兩層金屬布線。第一層金屬主要用于器件各個極的接觸點及器件間的部分連線，這層金屬通常較薄，較窄，間距較小。第二層主要用于器件間及器件與焊盤間的互聯(lián)，并形成傳輸線。寄生電容大部分由兩層金屬及其間的隔離層形成。多數(shù)VLSI工藝中使用3層以上的金屬。最上面一層通常用于供電及形成牢固的接地。其它較高的幾層用于提高密度及方便自動化布線。0.35umCMOS工藝的多層互聯(lián)線IC設(shè)計與金屬布線多數(shù)情況下，IC特別是VLSI版圖設(shè)計者的基本任務(wù)是完成金屬布線。因為基本器件其它各層的版圖通常已經(jīng)事先做好，存放在元件庫中。門陣列電路中，單元電路內(nèi)的布線也已經(jīng)完成。對于電路設(shè)計者而言，布線的技巧包含合理使用金屬層，減少寄生電容或在可能的情況下合理利用寄生電容等。2.1.6多晶硅多晶硅與單晶硅都是硅原子的集合體。且其特性都隨結(jié)晶度與雜質(zhì)原子而改變。非摻雜的多晶硅薄層實質(zhì)上是半絕緣的，電阻率為300W·cm。通過不同雜質(zhì)的組合，多晶硅的電阻率可被控制在500—0.005W·cm多晶硅被廣泛用于電子工業(yè)。在MOS及雙極器件中，多晶硅用于制作柵極、形成源極與漏極（雙極器件的基區(qū)與發(fā)射區(qū)）的歐姆接觸、基本連線、高值電阻等。多晶硅的制造技術(shù)多層硅層可用濺射法，蒸發(fā)或CVD法（一種外延生長技術(shù)）沉淀。多晶硅可用擴散法、注入法摻雜，也可在沉淀多晶硅的同時通入雜質(zhì)氣體（In-Situ法）來摻雜。擴散法形成的雜質(zhì)濃度很高（>=1021cm-3），故電阻率很小。注入法的電阻率約是它的10倍。雜質(zhì)濃度為1020cm-3。而In-Situ法的濃度為1020---1021cm-3。三種摻雜工藝中，后兩種由于可在較低的工藝溫度下進行而在VLSI工藝中被優(yōu)先采用。2.1.7材料系統(tǒng)

材料系統(tǒng)：在由一些基本材料，如Si,GaAs或InP制成的襯底上或襯底內(nèi)，用其它物質(zhì)再生成一層或幾層材料。

材料系統(tǒng)與摻雜過的材料之間的區(qū)別：

在摻雜材料中，摻雜原子很少。 在材料系統(tǒng)中，外來原子的比率較高。半導(dǎo)體材料系統(tǒng)

指不同質(zhì)（異質(zhì)）的幾種半導(dǎo)體（GaAs與AlGaAs，InP與InGaAs和Si與SiGe等）組成的層結(jié)構(gòu)。應(yīng)用：制作異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管HBT。制作高電子遷移率晶體管HEMT。制作高性能的LED及LD（激光二極管）。半導(dǎo)體/絕緣體材料系統(tǒng)

半導(dǎo)體/絕緣體材料系統(tǒng)是半導(dǎo)體與絕緣體相結(jié)合的材料系統(tǒng)。其典型代表是絕緣體上硅（SOI：SiliconOnInsulator）。在SOI襯底上，可以形成MOS和雙極性晶體管。由于在器件的有源層和襯底之間的隔離層厚，電極與襯底之間的寄生電容大大的減少。器件的速度更快，功率更低。

2.1集成電路材料2.2半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.3PN結(jié)與結(jié)型二極管2.4雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理2.5MOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理固體材料分為兩類：晶體和非晶體。晶體：從外觀看晶體有對稱的幾何外形，微觀上原子或離子在空間中呈現(xiàn)出有規(guī)則的周期性排列。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(dǎo)致電子共有化運動。2.2.1半導(dǎo)體（固體）的晶體結(jié)構(gòu)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。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)。用來制作集成電路的硅、鍺和砷化鎵等都是晶體。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)。而玻璃、橡膠等都是非晶體。晶格（a）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)電子共有化晶體中大量原子有規(guī)則排列，晶體中形成了如圖所示的周期性勢場，電子在這種周期性的勢場中運動，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。對于能量低于勢壘高度的電子,也有一定的貫穿概率。晶體中周期性的勢場a價電子不再為單個原子所有，而為整個晶體所共有的現(xiàn)象稱為電子共有化。電子共有化與能帶形成能帶的形成：晶體中電子共有化的結(jié)果，使得晶體內(nèi)電子的能量狀態(tài)不同于孤立原子中的電子，晶體內(nèi)電子的能量可以處于一些允許的范圍之內(nèi)，這些允許的范圍稱為能帶，而不能處于兩個能帶之間的區(qū)域，此區(qū)域稱為禁帶。2.2.2能帶形成（的另一種解釋）對孤立原子而言，電子在原子核外運動的軌跡是分立能級。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，以滿足泡利不相容原理。泡利不相容原理：原子中不能容納運動狀態(tài)完全相同的電子，每個能級可容納2個自旋相反的電子。四個量子數(shù)分別是主量子數(shù)（n）、角量子數(shù)（l）、磁量子數(shù)（ml）、自旋量子數(shù)（ms）。孤立氫原子中電子在核外空間某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率當(dāng)大量相同原子靠近并按照周期性排列后，它們相互作用并形成周期勢場，導(dǎo)致能級發(fā)生分裂。能帶重疊示意圖能帶量子力學(xué)計算表明，固體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的每一個能級,變成了N條靠得很近的能級，稱為能帶。能帶的寬度記作E，數(shù)量級為E～eV。若N~1023，則能帶中兩能級的間距約10-23eV。能帶的一般規(guī)律外層電子共有化程度顯著，能帶寬度較寬；內(nèi)層電子相應(yīng)的能帶較窄。原子（離子）間距越小，能帶越寬，E越大。兩能帶有可能重疊。原子的殼層結(jié)構(gòu)主量子數(shù)：n=1，2，3，…,n決定原子中電子的能量；角量子數(shù)：l=0，1，2，…(n－1)，l決定電子的軌道角動量，并對能量稍有影響；磁量子數(shù)ml：可以決定軌道角動量在外磁場方向上的分量；自旋量子數(shù)ms：決定電子自旋角動量在外磁場方向上的分量。確定復(fù)雜原子內(nèi)層結(jié)構(gòu)的原則：泡利不相容原理和能量最小原理。原子的殼層結(jié)構(gòu)泡利原理：在一個原子系統(tǒng)內(nèi)，不可能有兩個或兩個以上的電子具有相同的狀態(tài)，亦即不可能具有相同的四個量子數(shù)n,l,ml,ms。能量最小原理：原子系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時，每個電子趨向占有最低的能級?？氯麪枺?916）多電子原子中電子分布主殼層模型：主量子數(shù)相同的電子處于同一主殼層中。n=1，2，3，4，…的主殼層分別表示為K，L，M，N，…。分殼層模型：在同一主殼層中，不同的角量子數(shù)l又分成幾個不同的分殼層，常用s，p，d，f，…表示l=0,1,2,3,…的各種轉(zhuǎn)動態(tài)。原子的殼層結(jié)構(gòu)對于一個確定的n，l

可取0，1，2，…(n－1)共n個值，對于一個確定的l可以有(2l+1)不同的ml

，對每個ml，又有2個ms

。根據(jù)泡利原理，可以算出原子中具有相同主量子數(shù)n的電子數(shù)目最多為當(dāng)n=1，l=0時K殼層上可能有2個電子，這個組態(tài)用1s2表示。當(dāng)n=2，l=0時（L殼層，s分殼層），可能有兩個電子，組態(tài)以2s2表示；當(dāng)n=2，l=1時（L殼層，p分殼層），可能有6個電子，組態(tài)以2p6表示。元素的電子組態(tài)KLMNO1s2s2p3p3s3d4s4p4d4f……5s5p5d5f5g12345678910BN11121315141716181920…PSA37382122HHeLiBeCOFNeNaMgAlSiClKCaScTi3940…RbSrYZr12222222222222222222222222122222222222222222222222266262662126661222123456666666661222222266661234562222666610101010222266662112221s22s22

p63s23p64s2

3

d10

4

p65s11s22s22

p63s23p64s21s11s21s22s22

p21s22s22

p51s22s22

p63s23p11s22s22

p63s23p4元素的電子組態(tài)1s22s22

p63s23p64s2

3

d105s2

4

p6

4

d11s22s22

p63s23p64s13d1兩個原子的情況.Mg.

Mg根據(jù)泡利不相容原理，原來的能級已填滿不能再填充電子1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p—分裂為兩條原子的殼層結(jié)構(gòu)能帶中電子的排布固體中的一個電子只能處在某個能帶中的某一能級上。（但可較自由地在能帶中改變所處能級）排布原則：1、服從泡利不相容原理2、服從能量最小原理設(shè)孤立原子的一個能級Enl

，它最多能容納2(2l+1)個電子，這一能級分裂成由N條能級組成的能帶后，能帶最多能容納2N(2l+1)個電子。如，1s、2s能帶，最多容納2Ｎ個電子2p、3p能帶，最多容納6Ｎ個電子電子排布時，應(yīng)從最低的能級排起原子內(nèi)各主殼層和分殼層上可容納的最多電子數(shù)

ln0(s)1(p)2(d)3(f)4(g)5(h)6(i)Zn1(K)2(1s)

22(L)2(2s)6(2p)

83(M)2(3s)6(3p)10(3d)

184(N)2(4s)6(4p)10(4d)14(4f)

325(O)2(5s)6(5p)10(5d)14(5f)18(5g)

506(P)2(6s)6(6p)10(6d)14(6f)18(6g)22(6h)

727(Q)2(7s)6(7p)10(7d)14(7f)18(7g)22(7h)26(7i)98角量子數(shù)為l的分殼層中最多容納的電子數(shù)為2(2l+1)主量子數(shù)為n的主殼層中最多容納的電子數(shù)為2n2（a）導(dǎo)帶部分填充情況 （b）導(dǎo)帶為空帶價帶為滿帶，且禁帶較窄的情況能帶出現(xiàn)的五種情況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（電子能量較低）。滿帶中的電子不能起導(dǎo)電作用。價帶共價電子所在能級分裂后形成的能帶。在半導(dǎo)體中，價帶就是能帶最高的滿帶。理想情況下，在價帶之上能帶是空的，沒有電子，在價帶之下的能帶則是全部填滿的。導(dǎo)帶電子部分填充的能帶。對半導(dǎo)體而言，導(dǎo)帶則是緊鄰價帶的那個“空帶”。導(dǎo)帶中的電子容易在外場下運動而形成電流，所以稱為導(dǎo)帶。有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個名詞空帶所有能級均未被電子填充的能帶。由原子的激發(fā)態(tài)能級分裂而成，正常情況下是空的。當(dāng)有激發(fā)因素（熱激發(fā)、光激發(fā)等）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(dǎo)帶的一種。禁帶在能帶之間的能量間隙區(qū)，由于量子力學(xué)限制電子不能填充，這段能級區(qū)域稱為禁帶。導(dǎo)帶和價帶之間的禁帶寬度對晶體的導(dǎo)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。有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個名詞2.2.3導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)體由于導(dǎo)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遷轉(zhuǎn)移而形成定向移動，從而形成電流。良導(dǎo)體1s2s2p3s鈉(1s22s22p63s1)晶體能帶滿帶半滿帶空帶3p半金屬1s2s2p3s鎂(1s22s22p63s2)晶體能帶3s電子可分布在3s和3p能帶中滿帶滿帶空帶3p能帶重疊絕緣體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3電子伏特（eV），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。由于滿帶中的電子對導(dǎo)電沒有貢獻，而空帶中又沒有電子參與導(dǎo)電，因此絕緣體的導(dǎo)電能力非常微弱。半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體類似。不同的是半導(dǎo)體的禁帶寬度較窄，一般小于3eV。由于半導(dǎo)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(dǎo)帶），從而使得導(dǎo)帶中存在少量的自由電子，而價帶中由于少了一部分的電子而形成了具有正電性質(zhì)的“空穴”。導(dǎo)帶中的自由電子與價帶中的空穴都能參與導(dǎo)電。能隙絕緣體金鋼石氧化鋅氯化銀硫化鈣

eV5.333.23.22.42半導(dǎo)體硅鍺碲銻化錮

eV1.140.670.330.23能隙(eV)導(dǎo)帶和價帶之間的能量差絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿

當(dāng)外電場非常強時，絕緣體與半導(dǎo)體的大量的共有化電子（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(dǎo)體與絕緣體被擊穿。絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體2.2.4本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。當(dāng)半導(dǎo)體價帶（是一個滿帶）中一個電子被外界的能量激發(fā)到導(dǎo)帶（是一個空帶）上，則在導(dǎo)帶中出現(xiàn)一個電子，相應(yīng)地，價帶中留下一個沒有電子填充的“空位”,稱為“空穴”。滿帶(價帶)空帶(導(dǎo)帶)hEg電子離開后留下的空穴相當(dāng)于產(chǎn)生了一個帶正電的粒子。空穴與導(dǎo)帶中的電子帶電相反，使得半導(dǎo)體處于電中性。導(dǎo)帶價帶空穴下面能級上的電子可以躍遷到空穴上來,這相當(dāng)于空穴向下躍遷。價帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流,這稱為空穴導(dǎo)電。Eg在外電場作用下,電子和空穴都參與導(dǎo)電。價帶中的電子獲得能量，越過禁帶，躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子。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(dǎo)體的本征激發(fā)，所產(chǎn)生的自由電子和空穴稱為本征載流子。本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)目是相同的。僅僅有本征激發(fā)的半導(dǎo)體是本征半導(dǎo)體。事實上，當(dāng)半導(dǎo)體中僅有少量缺陷和雜質(zhì)，但半導(dǎo)體中電子和空穴主要是由本征激發(fā)產(chǎn)生時，我們也稱之為本征半導(dǎo)體。本征激發(fā)雜質(zhì)半導(dǎo)體根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可以分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體摻入少量的3價元素，如硼、鋁或銦，有3個價電子，形成共價鍵時，缺少1個電子，產(chǎn)生1個空位?？昭槎鄶?shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。3價雜質(zhì)的原子很容易接受價電子，稱為“受主雜質(zhì)”。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠滿帶處，ED～10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級稱受主（acceptor）能級。P型半導(dǎo)體空穴——是多數(shù)載流子——多子電子——是少數(shù)載流子——少子

P型半導(dǎo)體中的能帶價帶(滿)導(dǎo)帶(空)能隙較小雜質(zhì)能級++++N型半導(dǎo)體摻入少量的5價元素，如磷、砷或銻，有5個價電子，形成共價鍵時，多余1個電子。電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生多余的電子，稱為“施主雜質(zhì)”。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處,ED～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。該能級稱為施主（donor）能級。N型半導(dǎo)體電子——是多數(shù)載流子——多子空穴——是少數(shù)載流子——少子

N型半導(dǎo)體中的能帶價帶(滿)導(dǎo)帶(空)能隙較小雜質(zhì)能級2.1集成電路材料2.2半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.3PN結(jié)與結(jié)型二極管2.4雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理2.5MOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理2.3.1PN結(jié)的擴散與漂移由于兩種半導(dǎo)體內(nèi)帶電粒子的正、負電荷相等，所以半導(dǎo)體內(nèi)呈電中性。擴散運動由于PN結(jié)交界面兩邊的載流子濃度有很大的差別，載流子就要從濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域擴散：P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴散，在P區(qū)中留下帶負電荷的受主雜質(zhì)離子；而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴散，在N區(qū)中留下帶正電荷的施主雜質(zhì)離子。在緊靠接觸面兩邊形成了數(shù)值相等、符號相反的一層很薄的空間電荷區(qū)，稱為耗盡層，這就是PN結(jié)。

在耗盡區(qū)中正負離子形成了一個電場ε，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負電的P區(qū)的。這個電場一方面阻止擴散運動的繼續(xù)進行，另一方面，將產(chǎn)生漂移運動，即進入空間電荷區(qū)的空穴在內(nèi)建電場ε作用下向P區(qū)漂移，自由電子向N區(qū)漂移。漂移運動和擴散運動方向相反。動態(tài)平衡時，擴散電流和漂移電流大小相等、方向相反，流過PN結(jié)的總電流為零。

圖2.3平衡狀態(tài)下的 PN結(jié)擴散：濃度差漂移：電場內(nèi)建場阻止電子和空穴進一步擴散內(nèi)建場大到一定程度,不再有凈電荷的流動，達到了新的平衡。在ｐ型n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為PN結(jié)導(dǎo)帶的底能級表示為Ec價帶的頂能級表示為Ev本征費米能級EiP-N結(jié)處存在電勢差Uo也阻止N區(qū)帶負電的電子進一步向P區(qū)擴散。它阻止P區(qū)帶正電的空穴進一步向N區(qū)擴散；U0電子能級電勢曲線電子電勢能曲線PN結(jié)考慮到P-Ｎ結(jié)的存在，在討論半導(dǎo)體中電子的能量時候應(yīng)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。導(dǎo)帶導(dǎo)帶PN結(jié)施主能級受主能級價帶價帶2.3.2PN結(jié)型二極管(a)

(b)(c)圖2.4PN結(jié)二極管原理性結(jié)構(gòu)(a)符號(b)與I-V特性曲線(c)VD為結(jié)壓降，q為電子電荷，k為波爾茨曼常數(shù)，T為絕對溫度。PN結(jié)電學(xué)特性零偏壓PN結(jié)兩端不加偏壓時稱為零偏壓情況零偏壓時，P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)費米能級持平，電子占據(jù)水平相當(dāng)，沒有載流子流動，處于平衡狀態(tài)。正向偏壓在PN結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。外加電場與內(nèi)建場方向相反，PN結(jié)總的電場減弱，阻擋層勢壘被削弱、變窄，有利于空穴向N區(qū)運動，電子向P區(qū)運動，形成正向電流。p型n型I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低，PN結(jié)兩端的能帶彎曲變小。N區(qū)的費米能級高于P區(qū)的費米能級，電子和空穴容易獲得足夠的能量越過勢壘區(qū)到達對方區(qū)域。從而有電流流過勢壘區(qū)。反向偏壓p型n型I在PN結(jié)的p型區(qū)接電源負極，叫反向偏壓。外加電場與內(nèi)建場方向相相同，阻擋層勢壘被加強、變寬，阻礙了空穴向N區(qū)運動，也阻礙了電子向P區(qū)運動，只有反向漏電流流過。從能帶角度來說阻擋層勢壘被加強，阻擋層的總電場強度增大，PN結(jié)兩端的能帶彎曲變大。P區(qū)的費米能級高于N區(qū)的費米能級，電子和空穴不能越過勢壘區(qū)到達對方區(qū)域。只有漏電流流過勢壘區(qū)。2.3.3肖特基結(jié)二極管圖2.5金屬與半導(dǎo)體接觸金屬與摻雜半導(dǎo)體接觸形成的肖特基二極管的工作原理基于GaAs和InP的MESFET和HEMT器件中，其金屬柵極與溝道材料之間形成的結(jié)就屬于肖特基結(jié)。因此，它們的等效電路中通常至少包含柵-源和柵-漏兩個肖特基結(jié)二極管。在半導(dǎo)體器件與集成電路制造過程中，半導(dǎo)體元器件引出電極與半導(dǎo)體材料的接觸也是一種金屬-半導(dǎo)體結(jié)。但是我們希望這些結(jié)具有雙向低歐姆電阻值的導(dǎo)電特性，也就是說，這些結(jié)應(yīng)當(dāng)是歐姆型接觸，或者說，這里不應(yīng)存在阻擋載流子運動的“結(jié)”。工程中，這種歐姆接觸通過對接觸區(qū)半導(dǎo)體的重摻雜來實現(xiàn)。理論根據(jù)是：通過對半導(dǎo)體材料重摻雜，使集中于半導(dǎo)體一側(cè)的結(jié)（金屬中有更大量的自由電子）變得如此之薄，以至于載流子可以容易地利用量子隧穿效應(yīng)相對自由地傳輸。2.3.4歐姆型接觸2.1集成電路材料2.2半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.3PN結(jié)與結(jié)型二極管2.4雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理2.5MOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理

由于晶體管有兩個PN結(jié)，所以它有四種不同的運用狀態(tài)。（1）發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏時，為放大工作狀態(tài)；（2）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)。2.4雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理電流放大作用發(fā)射結(jié)的注入基區(qū)中的輸運與復(fù)合和集電區(qū)的收集電子電流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，F(xiàn)定義為：F

=IC/IB2.5MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理圖2.8MOS管的物理結(jié)構(gòu)與電路符號如果沒有任何外加偏置電壓，這時，從漏到源是兩個背對背的二極管。它們之間所能流過的電流就是二極管的反向漏電流。在柵電極下沒有導(dǎo)電溝道形成。如果把源漏和襯底接地，在柵上加一足夠高的正電壓，從靜電學(xué)的觀點看，這一正的柵電壓將要排斥柵下的P型襯底中的可動的空穴電荷而吸引電子。電子在表面聚集到一定濃度時，柵下的P型層將變成N型層，即呈現(xiàn)反型。N反型層與源漏兩端的N型擴散