晶體管結(jié)構(gòu)與作用

微電子制造原理與技術(shù)第二部分芯片制造原理與技術(shù)李明材料科學(xué)與工程學(xué)院芯片發(fā)展歷程與莫爾定律晶體管結(jié)構(gòu)與作用芯片微納制造技術(shù)主要內(nèi)容半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)MOSFET晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理晶體管應(yīng)用舉例導(dǎo)體（金屬）半導(dǎo)體絕緣體銅鐵硅鍺大理石玻璃橡膠電阻率導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體單元素半導(dǎo)體：Si、Ge、Sn等，外殼電子數(shù)為4的C族元素化合物半導(dǎo)體：GaAs、GaP、InAs、ZnSe等，一般由B和N族組成的化合物。氧化物半導(dǎo)體：ZnO、MnO2、MnO、Cr2O3、NiO、TiO2、Cu2O、SnO2等電阻率的影響因素：雜質(zhì)、溫度、光、結(jié)構(gòu)缺陷本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：純凈的單元素半導(dǎo)體硅、鍺，以及等價(jià)化合物半導(dǎo)體GaAs、GaN等。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理：

在溫度非常低的條件下，最外層價(jià)電子被束縛得很緊，幾乎無(wú)自由電子或空穴存在。故本征半導(dǎo)體在低溫下的電阻率很高，變?yōu)榻^緣體。

在受熱或光照射的條件下，價(jià)電子被激發(fā)而成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生等數(shù)量的帶正電荷的空穴。這些自由電子和空穴在外界電場(chǎng)的作用下移動(dòng)而形成電流。

●

—束縛電子，●—自由電子，●

—電子空穴摻雜物半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體：向本征半導(dǎo)體中摻雜少量的價(jià)電子數(shù)為5的N族元素，則可獲得自由電子，而成為N（Negative）型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要靠自由電子的移動(dòng)來(lái)完成。P型半導(dǎo)體：向本征半導(dǎo)體中摻雜少量的價(jià)電子數(shù)為3的B族元素，則可產(chǎn)生空穴，而成為P（Positive）型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要靠空孔的的移動(dòng)來(lái)完成?！?/p>

—束縛電子，●—自由電子，●

—電子空穴PN結(jié)與二極管的特性與構(gòu)造整流特性：當(dāng)向PN結(jié)由P向N方向施加反向電壓時(shí)，PN結(jié)合部位將出現(xiàn)空乏層，電流無(wú)法導(dǎo)通（圖左）。但施加正向電壓時(shí)，自由電子和空穴會(huì)順利移動(dòng)而形成電流。這就是PN結(jié)二極管重要的整流特性。電子的移動(dòng)方向空穴的移動(dòng)方向

PN結(jié)：PNJunction,二極管：Diode電子空穴電子空穴PN結(jié)的電流特性降伏電壓降伏電流逆向電壓逆向電流正向電流正向電壓二極管的標(biāo)記芯片上二極管的構(gòu)造負(fù)極正極N-SiP-Si正極負(fù)極電至光轉(zhuǎn)換電發(fā)光原理：正負(fù)電在半導(dǎo)體P-N節(jié)處相遇，產(chǎn)生光子而發(fā)光光至電轉(zhuǎn)換LED照明光伏太陽(yáng)能電池光發(fā)電原理：光子照射到P-N節(jié)，產(chǎn)生電流，產(chǎn)生電力PN結(jié)的應(yīng)用電流整流器偏置隔離場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）

場(chǎng)效應(yīng)晶體管低電壓和低功耗。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）和金屬-氧化物型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）NMOS型場(chǎng)效應(yīng)三極管特

性Vg=0：源極與漏極間，由于NPN結(jié)的作用無(wú)電流通過(guò)。Vg>

0：且較高時(shí)，柵極與P-Si的界面間形成電子富集層（電子隧道），源極與漏極連通，電流通過(guò)。引出漏極（Vd）drainP-Si多晶體-Si柵極SiO2絕緣膜引出柵極（Vg）gateN-Si漏極N-Si源極基極（Vsub）substrate引出源極（Vs）sourceN型隧道（電子隧道）VgVsVsubVd特

性與NMOS動(dòng)作相反，當(dāng)Vg＜0，且絕對(duì)值較大時(shí)，柵極與N-Si的界面間形成空孔富集層（空孔隧道），源極與漏極連通，電流才能通過(guò)。由于空孔的移動(dòng)速度低于電子，故動(dòng)作速度比NMOS慢，應(yīng)用較少。電子遷移率=1350cm2/V·S，空孔遷移率=480cm2/V·S

VgVsVsubVd引出漏極（Vd）drainN-Si多晶體-Si柵極SiO2絕緣膜引出柵極（Vg）gateP-Si漏極P-Si源極基極（Vsub）substrate引出源極（Vs）sourceP型隧道（空孔隧道）PMOS型場(chǎng)效應(yīng)三極管兩個(gè)pn結(jié)偏置狀態(tài)相反溝道由反型層構(gòu)成，與源漏形成通路場(chǎng)效應(yīng)晶體管——NMOS的結(jié)構(gòu)芯片上的實(shí)際NMOS結(jié)構(gòu)PN+N+3voltsVds0.7voltsVgs+++++++++-----------場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理NMOSNMOS電流電壓特性線性區(qū)，MOSFET象電阻，電阻受柵電壓控制飽和區(qū)，MOSFE象電流源，電流大小與VG2有關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理柵的作用類似與水閘的閘門(mén)場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理CMOS：ComplemetaryMetal-OxideSemiconductorCMOS型晶體管—并聯(lián)式MOS型場(chǎng)效應(yīng)管5VVs輸出輸入VsPMOSNMOS3245132451CMOS的輸入輸出特性輸入電壓輸出電壓當(dāng)輸入電壓低時(shí)，NMOS不導(dǎo)通，PMOS導(dǎo)通，輸出電壓為高5V，表現(xiàn)為[1]。當(dāng)輸入電壓高時(shí)，NMOS導(dǎo)通，PMOS不導(dǎo)通，輸出電壓為低0V，表現(xiàn)為[0]。將PMOS和NMOS做在同一集成電路上就形成了互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)，也就是CMOS技術(shù)主要特點(diǎn)為功耗低，是集成電路中被廣泛采用的基本回路CMOS型晶體管—并聯(lián)式MOS型場(chǎng)效應(yīng)管Metal1,AlCuP-EpiP-WaferN-WellP-WellPMDp+p+n+n+WMetal1P-well

PolycidegateandlocalinterconnectionSTIN-wellCMOSInverterCMOS應(yīng)用例1：反相器5VVs輸入VdPMOSNMOS10Offononoff5VVs輸入VdPMOSNMOS01onoffoffon靜態(tài)無(wú)電流CMOS應(yīng)用例2：乘法邏輯電路輸出輸入BYAYBAABY000100010111Y=A·BCMOS應(yīng)用例3：存儲(chǔ)器掩模ROM可編程ROM(PROM--ProgrammableROM)可擦除可編程ROM(EPROM--ErasablePROM)隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM(RandomAccessMemory)靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM(StaticRAM)主要用于高速緩存和服務(wù)器內(nèi)存動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM(DynamicRAM)按功能特點(diǎn)EEPROM(ElectricallyEPROM)/E2PROM只讀存儲(chǔ)器ROM(Read-OnlyMemory)FlashMemory(快閃存儲(chǔ)器，如U盤(pán))FRAM(Ferro-electricRAM鐵電存儲(chǔ)器)SDRAM,DDR-RAM等非揮發(fā)存儲(chǔ)器（Non-VolatileMemory--NVM）揮發(fā)存儲(chǔ)器（VolatileMemory--VM）或者稱易失存儲(chǔ)器DRAM:四管動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)CMOS應(yīng)用例3：存儲(chǔ)器CMOS應(yīng)用例4：圖像傳感器（CIS）CCDCMOS20世紀(jì)80年代，英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)成功地制造出了世界上第一塊單片CMOS圖像傳感器件將圖像采集單元和信號(hào)處理單元集成到同一塊芯片上適合大規(guī)模批量生產(chǎn)首先，外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選擇邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號(hào)通過(guò)各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)輸出。CMOS應(yīng)用例4：圖像傳感器（CIS）首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，此時(shí)打開(kāi)門(mén)管M。電容被充電至V，二極管處于反向狀態(tài)；然后進(jìn)人“取樣狀態(tài)”。這時(shí)關(guān)閉門(mén)管M,在光照下二極管產(chǎn)生光電流，使電容上存貯的電荷放電，經(jīng)過(guò)一個(gè)固定時(shí)間間隔后，電容C上存留的電荷量就與光照成正比例，這時(shí)就將一幅圖像