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集成電路材料、結(jié)構(gòu)與理論上次第1章 集成電路設(shè)計(jì)概述 §1. 集成電路的概念及分類(lèi) §2. 微電子科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷史 §3. 描述集成電路工藝水平的五個(gè)指標(biāo) §4. 集成電路設(shè)計(jì)與制造的主要流程框架第2章 集成電路材料、結(jié)構(gòu)與理論 §1. 集成電路材料 §2. 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) §3. PN結(jié)與結(jié)型二極管 §4. 雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理 §5. MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理集成電路材料—導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體電氣系統(tǒng) 主要應(yīng)用導(dǎo)體絕緣體集成電路 制造應(yīng)用導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體 集成電路制造所應(yīng)用到的材料分類(lèi)鋁、金、鎢、銅等金屬和鎳鉻等合金 在集成電路工藝中的功能（1）構(gòu)成低值電阻；（2）構(gòu)成電容元件的極板；（3）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(dǎo)）的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；（5）與輕摻雜半導(dǎo)體構(gòu)成肖特基結(jié)接觸；（6）與重?fù)诫s半導(dǎo)體構(gòu)成半導(dǎo)體器件的電極的歐姆接觸；（7）構(gòu)成元器件之間的互連；（8）構(gòu)成與外界焊接用的焊盤(pán)。絕緣體SiO2、SiON、Si3N4等硅的氧化物和氮化物在集成電路工藝中的功能（1）構(gòu)成電容的介質(zhì)；（2）構(gòu)成MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）器件的柵絕緣層；（3）構(gòu)成元件和互連線之間的橫向隔離；（4）構(gòu)成工藝層面之間的垂直向隔離；（5）構(gòu)成防止表面機(jī)械損傷和化學(xué)污染的鈍化層。材料系統(tǒng)半導(dǎo)體材料系統(tǒng) 不同質(zhì)的幾種半導(dǎo)體材料: GaAs/AlGaAs、InP/InGaAs和Si/SiGe等半導(dǎo)體/絕緣體材料系統(tǒng) 半導(dǎo)體與絕緣體相結(jié)合的材料： SOI（Silicon on Insulate）半導(dǎo)體材料系統(tǒng)半導(dǎo)體/絕緣體材料系統(tǒng) §2.半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)－半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體的特性（1）（1）摻雜特性 摻雜可明顯改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。如室溫30℃時(shí)，在純凈鍺中摻入億分之一的雜質(zhì)，電導(dǎo)率會(huì)增加幾百倍。摻雜可控制半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，制造出各種不同的半導(dǎo)體器件。（2）熱敏特性 半導(dǎo)體受熱時(shí)，其導(dǎo)電能力發(fā)生顯著的變化。利用這種效應(yīng)可制成熱敏器件。另一方面熱敏效應(yīng)會(huì)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(bǔ)償?shù)却胧�。�?）光敏特性 光照也可改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，通常稱(chēng)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。 半導(dǎo)體的特性（2）（4）利用金屬與摻雜的半導(dǎo)體材料接觸，可以形成肖特基二極管和MESFET（金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）與HEMT（高電子遷移率晶體管）等器件。（5）對(duì)不同區(qū)域的半導(dǎo)體材料進(jìn)行不同類(lèi)型和濃度摻雜，可以形成PN結(jié)二極管、PIN型二極管（這里I表示本征半導(dǎo)體）和PNP、NPN等各類(lèi)結(jié)型晶體管。（6）利用金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可以形成PMOS、NMOS和CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 §3. PN結(jié)與結(jié)型二極管－PN結(jié)的形成 在完整的晶體上，利用摻雜方法使晶體內(nèi)部形成相鄰的P型半導(dǎo)體 區(qū)和 N型半導(dǎo)體 區(qū)，在這兩個(gè)區(qū)的交界面處就形成了下圖所示的 PN結(jié)。平衡狀態(tài)下的PN結(jié) P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在P區(qū)中留下帶負(fù)電荷的受主雜質(zhì)離子；而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在N區(qū)中留下帶正電荷的施主雜質(zhì)離子。 漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（1）在耗盡區(qū)中正負(fù)離子形成了一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)ε，方向從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。這個(gè)電場(chǎng)阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行，另方面將產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，即進(jìn)入空間電荷區(qū)的空穴在內(nèi)建電場(chǎng)ε作用下向P區(qū)漂移，自由電子向N區(qū)漂移。 漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（2）漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反。在開(kāi)始擴(kuò)散時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)較小，阻止擴(kuò)散的作用較小，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)。隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，內(nèi)建電場(chǎng)不斷增加，漂移運(yùn)動(dòng)不斷增強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不斷減弱，最后擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度相對(duì)穩(wěn)定下來(lái)，不再擴(kuò)大，一般只有零點(diǎn)幾微米至幾微米。動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流和漂移電流大小相等、方向相反，流過(guò)PN結(jié)的總電流為零。 集成電路中的二極管結(jié)型半導(dǎo)體二極管方程 ID 二極管的電流 IS 二極管的反向飽和電流， Q 電子電荷， VD 二極管外加電壓， 方向定義為P電極為正， N電極為負(fù)。 K 波爾茲曼常數(shù)， T 絕對(duì)溫度。 PN結(jié)與二極管、雙極型、MOS三極管的關(guān)系 PN結(jié) 是半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu) PN結(jié)存在于幾乎所有種類(lèi)的二極管、雙極型三極管和 MOS器件之中。 肖特基結(jié)二極管 金屬與摻雜半導(dǎo)體接觸形成的肖特基結(jié)二極管金屬與半導(dǎo)體在交界處形成阻擋層，處于平衡態(tài)的阻擋層對(duì)外電路呈中性 肖特基結(jié)阻擋層具有類(lèi)似PN結(jié)的伏-安特性歐姆型接觸 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)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(shuō)，這些結(jié)應(yīng)當(dāng)是歐姆型接觸 歐姆接觸通過(guò)對(duì)接觸區(qū)半導(dǎo)體的重?fù)诫s來(lái)實(shí)現(xiàn)。理論根據(jù)是：通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料重?fù)诫s，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(duì)自由地傳輸。 §4 雙極型晶體管的基本結(jié)構(gòu) 在半導(dǎo)體的晶體中形成兩個(gè)靠得很近的PN結(jié)可構(gòu)成雙極型晶體管。這兩個(gè)PN結(jié)將半導(dǎo)體分成三個(gè)區(qū)域，它們的排列順序可以是N-P-N或者P-N-P。前者我們稱(chēng)之為NPN晶體管，后者稱(chēng)之為 PNP晶體管。三個(gè)區(qū)域分別稱(chēng)為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，對(duì)應(yīng)引出的電極分別稱(chēng)為發(fā)射極E、基極B和集電極C。E-B之間的PN結(jié)稱(chēng)為發(fā)射結(jié)，C-B之間的PN結(jié)稱(chēng)為集電結(jié)。 雙極型晶體管的使用特點(diǎn)一般在制作時(shí)， 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基區(qū)和集電區(qū)；基區(qū)做的很�。ㄒ晕⒚咨踔良{米計(jì)）； 集電結(jié)的面積大于發(fā)射結(jié)的面積。 因此，在使用時(shí)E、C兩個(gè)電極是不能交換的。 雙極型晶體管原理圖及符號(hào) 雙極型晶體管的四種運(yùn)用狀態(tài)放大工作狀態(tài)下雙極型晶體管的電流分配 高摻雜發(fā)射區(qū)的大量電子注入到基區(qū)，形成電子電流IE 注入到基區(qū)的電子，成為基區(qū)的非平衡少子，繼續(xù)向集電結(jié)方向擴(kuò)散 在擴(kuò)散的過(guò)程中，有少部分的電子與基區(qū)中的多子空穴復(fù)合、形成基極復(fù)合電流IB 大部分電子到達(dá)集電結(jié)邊界，并在集電結(jié)電場(chǎng)吸引作用下，漂移到集電區(qū)形成集電極電子電流IC 電流放大倍數(shù)：F=IC/IB §5. MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu) MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)為MOS管，其核心結(jié)構(gòu)是由導(dǎo)體、絕緣體與構(gòu)成管子襯底的摻雜半導(dǎo)體這三層材料疊在一起形成的三明治結(jié)構(gòu) 這一結(jié)構(gòu)的基本作用是：在半導(dǎo)體的表面感應(yīng)出與原摻雜類(lèi)型相反的載流子，形成一條導(dǎo)電溝道。根據(jù)形成導(dǎo)電溝道的載流子的類(lèi)型，MOS管被分為NMOS和PMOS。 集成電路中的MOS晶體管結(jié)構(gòu) NMOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與電路符號(hào) PMOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與電路符號(hào) CMOS工藝所謂的CMOS則表示這樣一種工藝和電路，其中NMOS和PMOS兩種類(lèi)型的MOS管制作在同一芯片上形成的電路結(jié)構(gòu)。 NMOS晶體管的基本工作原理增強(qiáng)型和耗盡型MOS器件根據(jù)閾值電壓不同，常把MOS器件分成增強(qiáng)型和耗盡型兩種器件。對(duì)于N溝MOS器件而言，將閾值電壓VT＞0 的器件稱(chēng)為增強(qiáng)型器件，閾值電壓VT＜0 的器件，稱(chēng)為耗盡型器件。 PMOS器件和NMOS器件在結(jié)構(gòu)上是一樣的，只是源漏襯底的材料類(lèi)型和NMOS相反，工作電壓的極性也正好相反。在CMOS電路里，全部采用增強(qiáng)型的NMOS和PMOS。 影響漏極電流Ids大小的因素 （1）源、漏之間的距離；（2）溝道寬度；（3）開(kāi)啟電壓VT；（4）柵絕緣氧化層的厚度；（5）柵絕緣層的介電常數(shù)；（6）載流子（電子或空穴）的遷移率μ。 MOS管的正常導(dǎo)電的三個(gè)區(qū)域 (1) “夾斷”區(qū)：這時(shí)的電流是源－漏間的泄漏電流； (2) “線性”區(qū)：弱反型區(qū)，這時(shí)漏極電流隨柵壓線性增加； (3) “飽和”區(qū)：溝道強(qiáng)反型，漏極電流與漏極電壓無(wú)關(guān)。 MOS晶體管性能分析 MOS器件電壓-電流特性 Thanks！ Question？下次預(yù)習(xí)：第3章 集成電路工藝簡(jiǎn)介BaB紅軟基地

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