集成電路設(shè)計(jì)二

1、第二章第二章 ICIC制造材料結(jié)構(gòu)與理論制造材料結(jié)構(gòu)與理論2.1 2.1 了解集成電路材料了解集成電路材料 2.2 2.2 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 2.3 PN2.3 PN結(jié)與結(jié)型二極管結(jié)與結(jié)型二極管2.4 2.4 雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理 2.5 MOS2.5 MOS晶體管基本晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理表表2.1 2.1 集成電路制造所應(yīng)用到的材料分類集成電路制造所應(yīng)用到的材料分類10-2210-14 Scm-1SiO2、SiON、Si3N4等絕絕 緣緣 體體10-910-2Scm-1硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體105 Scm

2、-1鋁、金、鎢、銅等導(dǎo)導(dǎo) 體體電 導(dǎo) 率材 料分 類2.1 2.1 了解集成電路材料了解集成電路材料半導(dǎo)體材料在集成電路的制造中起著根本性的作半導(dǎo)體材料在集成電路的制造中起著根本性的作用用 摻入雜質(zhì)可改變電導(dǎo)率摻入雜質(zhì)可改變電導(dǎo)率/ /熱敏效應(yīng)熱敏效應(yīng)/ /光電效應(yīng)光電效應(yīng) 硅，砷化鎵和磷化銦是最基本的三種半導(dǎo)體材料硅，砷化鎵和磷化銦是最基本的三種半導(dǎo)體材料2.1.1 2.1.1 硅硅 (Si)(Si)基于硅的多種工藝技術(shù)：基于硅的多種工藝技術(shù)：雙極型晶體管（雙極型晶體管（BJTBJT）結(jié)型場效應(yīng)管（結(jié)型場效應(yīng)管（J-FETJ-FET）P P型、型、N N型型MOSMOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管雙極雙

3、極 CMOSCMOS（BiCMOSBiCMOS）價(jià)格低廉，占領(lǐng)了價(jià)格低廉，占領(lǐng)了9090的的 ICIC市場市場6inch:$400(GaAs); $25(Si)6inch:$400(GaAs); $25(Si)2.1.2 2.1.2 砷化鎵砷化鎵 (GaAs(GaAs) )l能工作在能工作在超高速超高頻超高速超高頻，其原因在于這些，其原因在于這些材料具有更高的載流子遷移率，和近乎半材料具有更高的載流子遷移率，和近乎半絕緣的電阻率絕緣的電阻率lGaAsGaAs的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn): f: fT T可達(dá)可達(dá)150GHz/150GHz/可制作發(fā)光可制作發(fā)光器件器件/ /工作在更高的溫度工作在更高的溫度/ /

4、更好的抗輻射性更好的抗輻射性能能lGaAsGaAs IC IC 的三種有源器件的三種有源器件: MESFET, HEMT : MESFET, HEMT 和和 HBT HBT 2.1.3 2.1.3 磷化銦磷化銦 (InP(InP) )l能工作在超高速超高頻能工作在超高速超高頻l三種有源器件三種有源器件: MESFET, HEMT: MESFET, HEMT和和HBT HBT l廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中 覆蓋了玻璃光纖的最小色散（覆蓋了玻璃光纖的最小色散（1.3um1.3um）和最）和最小衰減（小衰減（1.55um1.55um）的兩個(gè)窗口）的兩個(gè)窗口2.1.4 2.1.4

5、 絕緣材料絕緣材料lSiOSiO2 2 、SiONSiON和和SiSi3 3N N4 4是是 IC IC 系統(tǒng)中常用的幾系統(tǒng)中常用的幾種絕緣材料種絕緣材料 功能包括：功能包括： l充當(dāng)離子注入及熱擴(kuò)散的掩膜充當(dāng)離子注入及熱擴(kuò)散的掩膜l器件表面的鈍化層器件表面的鈍化層 l電隔離電隔離 l金屬材料有三個(gè)功能：金屬材料有三個(gè)功能： 1. 1. 形成器件本身的接觸線形成器件本身的接觸線 2. 2. 形成器件間的互連線形成器件間的互連線 3. 3. 形成焊盤形成焊盤2.1.5 2.1.5 金屬材料金屬材料l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

6、雜濃度的不同，可形成摻雜濃度的不同，可形成肖特基型接觸或歐姆接觸肖特基型接觸或歐姆接觸如果摻雜濃度較低，金屬和半導(dǎo)體結(jié)合面形成如果摻雜濃度較低，金屬和半導(dǎo)體結(jié)合面形成肖特肖特基型接觸基型接觸，構(gòu)成，構(gòu)成肖特基二極管肖特基二極管。如果摻雜濃度足夠高，以致于隧道效應(yīng)可以抵消勢如果摻雜濃度足夠高，以致于隧道效應(yīng)可以抵消勢壘的影響，那么就形成了壘的影響，那么就形成了歐姆接觸歐姆接觸( (雙向低歐姆電阻雙向低歐姆電阻值值) )。l器件互連材料包括器件互連材料包括金屬，合金，多晶硅，金屬硅化物金屬，合金，多晶硅，金屬硅化物ICIC制造用金屬材料制造用金屬材料l鋁，鉻，鈦，鉬，鉈，鎢等純金屬和合金薄層在鋁，

7、鉻，鈦，鉬，鉈，鎢等純金屬和合金薄層在VLSIVLSI制造中起著重要作用。這是由于這些金屬及合金有著制造中起著重要作用。這是由于這些金屬及合金有著獨(dú)特的屬性。如對獨(dú)特的屬性。如對SiSi及絕緣材料有良好的附著力，高及絕緣材料有良好的附著力，高導(dǎo)電率，可塑性，容易制造，并容易與外部連線相連。導(dǎo)電率，可塑性，容易制造，并容易與外部連線相連。l純金屬薄層用于制作與工作區(qū)的連線，器件間的互聯(lián)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，柵及電容、電感、傳輸線的電極等。線，柵及電容、電感、傳輸線的電極等。鋁（鋁（AlAl）l在在SiSi基基VLSIVLSI技術(shù)中，由于技術(shù)中，由于AlAl幾乎可滿足金

8、屬連接的所有幾乎可滿足金屬連接的所有要求，被廣泛用于制作歐姆接觸及導(dǎo)線。要求，被廣泛用于制作歐姆接觸及導(dǎo)線。l隨著器件尺寸的日益減小，金屬化區(qū)域的寬度也越來越隨著器件尺寸的日益減小，金屬化區(qū)域的寬度也越來越小，故連線電阻越來越高，其小，故連線電阻越來越高，其RCRC常數(shù)是限制電路速度的常數(shù)是限制電路速度的重要因素。重要因素。l要減小連線電阻，采用低電阻率的金屬或合金是一個(gè)值要減小連線電阻，采用低電阻率的金屬或合金是一個(gè)值得優(yōu)先考慮的方法。得優(yōu)先考慮的方法。鋁合金鋁合金l在純金屬不能滿足一些重要的電學(xué)參數(shù)、達(dá)不到可靠度在純金屬不能滿足一些重要的電學(xué)參數(shù)、達(dá)不到可靠度的情況下，的情況下，ICIC金

9、屬化工藝中采用金屬化工藝中采用合金合金。l硅鋁、鋁銅、鋁硅銅等合金已用于減小峰值、增大電子硅鋁、鋁銅、鋁硅銅等合金已用于減小峰值、增大電子遷移率、增強(qiáng)擴(kuò)散屏蔽，改進(jìn)附著特性等。或用于形成遷移率、增強(qiáng)擴(kuò)散屏蔽，改進(jìn)附著特性等?；蛴糜谛纬商囟ǖ男ぬ鼗鶆輭?。例如特定的肖特基勢壘。例如, ,稍微在稍微在AlAl中多加中多加1wt%1wt%的的SiSi即可即可使使AlAl導(dǎo)線上的缺陷減至最少，而在導(dǎo)線上的缺陷減至最少，而在AlAl中加入少量中加入少量CuCu，則，則可使可使電子遷移率提高電子遷移率提高1010 10001000倍；倍；l通過金屬之間或與通過金屬之間或與SiSi的互相摻雜可以增強(qiáng)的互相摻雜

10、可以增強(qiáng)熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性。銅銅(Cu)(Cu)金與金合金金與金合金l由于由于GaAsGaAs與與III/VIII/V器件及器件及ICIC被應(yīng)用于對速度與可靠性要求很被應(yīng)用于對速度與可靠性要求很高的行業(yè)，如電腦、通訊、軍事、航空等。故對形成金屬高的行業(yè)，如電腦、通訊、軍事、航空等。故對形成金屬層所使用的金屬有一定的限制。層所使用的金屬有一定的限制。l而而GaAsGaAs、InPInP襯底的半絕緣性質(zhì)及化學(xué)計(jì)量法是挑選金屬時(shí)襯底的半絕緣性質(zhì)及化學(xué)計(jì)量法是挑選金屬時(shí)的附加考慮因素。由于離子注入技術(shù)的最大摻雜濃度為的附加考慮因素。由于離子注入技術(shù)的最大摻雜濃度為3 310101818cmcm-3-3

11、，故不能用金屬與高摻雜的半導(dǎo)體（，故不能用金屬與高摻雜的半導(dǎo)體（3310101919cmcm-3-3）形成歐姆接觸（受到最大摻雜濃度的限制）。這個(gè)限制促形成歐姆接觸（受到最大摻雜濃度的限制）。這個(gè)限制促使人們在使人們在GaAsGaAs及及InPInP芯片中采用芯片中采用合金合金（摻雜濃度低）作為接（摻雜濃度低）作為接觸和連接材料。在制作觸和連接材料。在制作N N型型GaAsGaAs歐姆接觸時(shí)采用金與鍺歐姆接觸時(shí)采用金與鍺( (合合金金) )形成的低共熔混合物。所以第一第二層金屬必須和金鍺形成的低共熔混合物。所以第一第二層金屬必須和金鍺歐姆接觸相容，因此有許多金合金系統(tǒng)得到應(yīng)用。歐姆接觸相容，因

12、此有許多金合金系統(tǒng)得到應(yīng)用。金與金合金金與金合金( (續(xù)續(xù)) )l基于金的金屬化工藝和半絕緣襯底及多層布線系基于金的金屬化工藝和半絕緣襯底及多層布線系統(tǒng)的組合有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即芯片上傳輸線和電感有統(tǒng)的組合有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即芯片上傳輸線和電感有更高的更高的Q Q值。值。l在大部分在大部分GaAsGaAs IC IC工藝中有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工序：即工藝中有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工序：即把第一層金屬布線與形成肖特基勢壘與柵極形成把第一層金屬布線與形成肖特基勢壘與柵極形成結(jié)合起來。（結(jié)合起來。（MESFET)MESFET)兩層與多層金屬布線兩層與多層金屬布線lVLSIVLSI至少采用兩層金屬布線。第一層金屬主要至少采用兩層金屬

13、布線。第一層金屬主要用于器件各個(gè)極的接觸點(diǎn)及器件間的部分連線，用于器件各個(gè)極的接觸點(diǎn)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。的隔離層形成。l多數(shù)多數(shù)VLSIVLSI工藝中使用工藝中使用3 3層以上的金屬。最上面層以上的金屬。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。高的幾層用于提高密

14、度及方便自動化布線。0.35um CMOS0.35um CMOS工藝的多層互聯(lián)線工藝的多層互聯(lián)線ICIC設(shè)計(jì)與金屬布線設(shè)計(jì)與金屬布線l多數(shù)情況下，多數(shù)情況下，ICIC特別是特別是VLSIVLSI版圖設(shè)計(jì)者的版圖設(shè)計(jì)者的基本任務(wù)是完成金屬布線。因?yàn)榛酒骷救蝿?wù)是完成金屬布線。因?yàn)榛酒骷渌鲗拥陌鎴D通常已經(jīng)事先做好，存放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)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。的布線也已經(jīng)完成。l對于電路設(shè)計(jì)者而言，布線的技巧包含合對于電路設(shè)計(jì)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理使用金屬層，減少寄

15、生電容或在可能的情況下合理利用寄生電容等。情況下合理利用寄生電容等。2.1.6 2.1.6 多晶硅多晶硅l多晶硅與單晶硅都是硅原子的集合體。多晶硅與單晶硅都是硅原子的集合體。l多晶硅特性隨結(jié)晶度與雜質(zhì)原子而改變。多晶硅特性隨結(jié)晶度與雜質(zhì)原子而改變。 非摻雜的多晶硅薄層實(shí)質(zhì)上是半絕緣的，電阻率為非摻雜的多晶硅薄層實(shí)質(zhì)上是半絕緣的，電阻率為300 300 cmcm-1-1 。 通過不同雜質(zhì)的組合，多晶硅的電阻率可被控制在通過不同雜質(zhì)的組合，多晶硅的電阻率可被控制在5005000.005 0.005 cmcm-1-1l多晶硅被廣泛用于電子工業(yè)。在多晶硅被廣泛用于電子工業(yè)。在MOSMOS及雙極器件中，

16、多及雙極器件中，多晶硅用制作柵極、形成源極與漏極（或雙極器件的基區(qū)晶硅用制作柵極、形成源極與漏極（或雙極器件的基區(qū)與發(fā)射區(qū)）的歐姆接觸、基本連線、薄與發(fā)射區(qū)）的歐姆接觸、基本連線、薄PNPN結(jié)的擴(kuò)散源、結(jié)的擴(kuò)散源、高值電阻等（例）。高值電阻等（例）。多晶硅的制造技術(shù)多晶硅的制造技術(shù)l多晶硅層可用濺射法，蒸發(fā)或多晶硅層可用濺射法，蒸發(fā)或CVDCVD法法( (一種外延生長技術(shù)）一種外延生長技術(shù)）沉淀。沉淀。l多晶硅可用擴(kuò)散法、注入法摻雜，也可在沉淀多晶硅的同多晶硅可用擴(kuò)散法、注入法摻雜，也可在沉淀多晶硅的同時(shí)通入雜質(zhì)氣體（時(shí)通入雜質(zhì)氣體（In-SituIn-Situ法）來摻雜。法）來摻雜。擴(kuò)散法形

17、成的雜質(zhì)濃度很高（擴(kuò)散法形成的雜質(zhì)濃度很高（=10=102121cmcm-3-3），故電阻率），故電阻率很小。很小。注入法的雜質(zhì)濃度為注入法的雜質(zhì)濃度為 10102020cmcm-3-3，電阻率約是它的，電阻率約是它的1010倍。倍。而而In-SituIn-Situ法的濃度為法的濃度為10102020-10-102121cmcm-3-3。三種摻雜工藝中，后兩種由于可在較低的工藝溫度下進(jìn)行三種摻雜工藝中，后兩種由于可在較低的工藝溫度下進(jìn)行而在而在VLSIVLSI工藝中被優(yōu)先采用。工藝中被優(yōu)先采用。2.1.7 2.1.7 材料系統(tǒng)材料系統(tǒng)l材料系統(tǒng)指的是在由一些基本材料，如材料系統(tǒng)指的是在由一些基

18、本材料，如Si, Si, GaAsGaAs或或InPInP制成的襯底上或襯底內(nèi)，用其它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。物質(zhì)再生成一層或幾層材料。 l材料系統(tǒng)與摻雜過的材料之間的區(qū)別材料系統(tǒng)與摻雜過的材料之間的區(qū)別 : : 在摻雜材料中在摻雜材料中, , 摻雜原子很少摻雜原子很少 在材料系統(tǒng)中在材料系統(tǒng)中, ,外來原子的比率較高外來原子的比率較高半導(dǎo)體材料系統(tǒng)半導(dǎo)體材料系統(tǒng)l半導(dǎo)體材料系統(tǒng)是指不同質(zhì)（異質(zhì)）的幾半導(dǎo)體材料系統(tǒng)是指不同質(zhì)（異質(zhì)）的幾種半導(dǎo)體種半導(dǎo)體(GaAs(GaAs與與AlGaAs, InPAlGaAs, InP與與InGaAsInGaAs和和SiSi與與S

19、iGeSiGe等等) )組成的層結(jié)構(gòu)。組成的層結(jié)構(gòu)。 l應(yīng)用應(yīng)用 : : 制作異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管制作異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管HBTHBT。 制作高電子遷移率晶體管制作高電子遷移率晶體管HEMTHEMT。 制作高性能的制作高性能的LEDLED及及LDLD。半導(dǎo)體半導(dǎo)體/ /絕緣體材料系統(tǒng)絕緣體材料系統(tǒng)l半導(dǎo)體半導(dǎo)體/ /絕緣體材料系統(tǒng)是半導(dǎo)體與絕緣體絕緣體材料系統(tǒng)是半導(dǎo)體與絕緣體相結(jié)合的材料系統(tǒng)。其典型代表是相結(jié)合的材料系統(tǒng)。其典型代表是絕緣體絕緣體上硅上硅(SOI: Silicon On Insulator)(SOI: Silicon On Insulator)。l注入氧隔離（注入氧隔離（SIMOX

20、SIMOX）和晶片粘接兩種）和晶片粘接兩種SOISOI制造技術(shù)（制造技術(shù)（P.21P.21）lSOI: SOI: 由于在器件的有源層和襯底之間的隔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離層厚，電極與襯底之間的寄生電容大大的減少。器件的的減少。器件的速度更快，功率更低速度更快，功率更低。2.1 2.1 了解集成電路材料了解集成電路材料 2.2 2.2 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 2.3 PN2.3 PN結(jié)與結(jié)型二極管結(jié)與結(jié)型二極管2.4 2.4 雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理 2.5 MOS2.5 MOS晶體管基本晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作

21、原理結(jié)構(gòu)與工作原理 2.2.1 2.2.1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)l固體材料分為兩類：晶體和非晶體。從外觀固體材料分為兩類：晶體和非晶體。從外觀看晶體有一定的幾何外形，非晶體沒有一定看晶體有一定的幾何外形，非晶體沒有一定的形狀。用來制作集成電路的硅、鍺等都是的形狀。用來制作集成電路的硅、鍺等都是晶體，而玻璃、橡膠等都是非晶體。晶體，而玻璃、橡膠等都是非晶體。2.2.2 2.2.2 本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體l本征半導(dǎo)體是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)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。但是，當(dāng)半導(dǎo)體的溫度升高（例如室溫體晶體。但是，當(dāng)半導(dǎo)體的溫度升高（

22、例如室溫300K300K）或受到光照等外界因素的影響時(shí)，本征激）或受到光照等外界因素的影響時(shí)，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)目是相同的。在外發(fā)所產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)目是相同的。在外加電場作用下，電子和空穴的運(yùn)動方向相反，但加電場作用下，電子和空穴的運(yùn)動方向相反，但由于電子和空穴所帶電荷相反，因而形成的電流由于電子和空穴所帶電荷相反，因而形成的電流是相加的，即順著電場方向形成電子和空穴兩種是相加的，即順著電場方向形成電子和空穴兩種漂移電流。漂移電流。雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體l根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可以分為以分為N N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)

23、體。型半導(dǎo)體。P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體l摻入少量的摻入少量的3 3價(jià)元素，如硼、鋁或銦，有價(jià)元素，如硼、鋁或銦，有3 3個(gè)價(jià)電子，形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少個(gè)價(jià)電子，形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少1 1個(gè)電子，個(gè)電子，產(chǎn)生產(chǎn)生1 1個(gè)空位。個(gè)空位。l空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。l3 3價(jià)雜質(zhì)的原子很容易接受價(jià)電子，稱為價(jià)雜質(zhì)的原子很容易接受價(jià)電子，稱為“受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)”。N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體l摻入少量的摻入少量的5 5價(jià)元素，如磷、砷或銻，有價(jià)元素，如磷、砷或銻，有5 5個(gè)價(jià)電子，形成共價(jià)鍵時(shí)，多余個(gè)價(jià)電子，形成共價(jià)鍵時(shí)，多余1 1個(gè)電子。個(gè)電子。l電子為多數(shù)載流子，

24、空穴為少數(shù)載流子。電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。l在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生多余的電子，稱為在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生多余的電子，稱為“施主施主雜質(zhì)雜質(zhì)”。2.1 2.1 了解集成電路材料了解集成電路材料 2.2 2.2 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 2.3 PN2.3 PN結(jié)與結(jié)型二極管結(jié)與結(jié)型二極管2.4 2.4 雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理 2.5 MOS2.5 MOS晶體管基本晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 2.3.1 PN2.3.1 PN結(jié)的擴(kuò)散與漂移結(jié)的擴(kuò)散與漂移由于兩種半導(dǎo)體內(nèi)帶電粒子的正、負(fù)電荷由于兩種半導(dǎo)體內(nèi)帶電粒子的正、負(fù)電荷相等，所以半導(dǎo)體內(nèi)呈電中性

25、。相等，所以半導(dǎo)體內(nèi)呈電中性。圖圖2.2 PN2.2 PN結(jié)的形成結(jié)的形成圖圖2.3 2.3 平衡狀態(tài)下平衡狀態(tài)下的的PNPN結(jié)結(jié) 在耗盡區(qū)中正負(fù)離子形成了一個(gè)電場在耗盡區(qū)中正負(fù)離子形成了一個(gè)電場，其方向是從帶，其方向是從帶正電的正電的N N區(qū)指向帶負(fù)電的區(qū)指向帶負(fù)電的P P區(qū)的。這個(gè)電場一方面阻止擴(kuò)散運(yùn)區(qū)的。這個(gè)電場一方面阻止擴(kuò)散運(yùn)動的繼續(xù)進(jìn)行，另一方面，將產(chǎn)生漂移運(yùn)動，即進(jìn)入空間電動的繼續(xù)進(jìn)行，另一方面，將產(chǎn)生漂移運(yùn)動，即進(jìn)入空間電荷區(qū)的空穴在內(nèi)建電場荷區(qū)的空穴在內(nèi)建電場作用下向作用下向P P區(qū)漂移，自由電子向區(qū)漂移，自由電子向N N區(qū)區(qū)漂移。漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動方向相反。動態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電

26、漂移。漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動方向相反。動態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流和漂移電流大小相等、方向相反，流過流和漂移電流大小相等、方向相反，流過PNPN結(jié)的總電流為零結(jié)的總電流為零。 擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流漂移電流漂移電流2.3.2 PN2.3.2 PN結(jié)型二極管結(jié)型二極管 (b) (c) (b) (c)圖圖2.42.4 PN PN結(jié)二極管原理性結(jié)構(gòu)結(jié)二極管原理性結(jié)構(gòu)(a), (a), 符號符號(b)(b)與與I-VI-V特性曲線特性曲線(c)(c) 1(DSDkTqVeII2.3.3 2.3.3 肖特基結(jié)二極管肖特基結(jié)二極管圖圖2.52.5 金屬與半導(dǎo)體接觸金屬與半導(dǎo)體接觸金屬金屬與摻雜半導(dǎo)體接觸形成的肖特基二極管的

27、工作原理與摻雜半導(dǎo)體接觸形成的肖特基二極管的工作原理 基于基于GaAsGaAs和和InPInP的的MESFETMESFET和和HEMTHEMT器件中，其金屬柵極與器件中，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電路中通常至少包含柵- -源和柵源和柵- -漏兩個(gè)肖特基結(jié)二極管。漏兩個(gè)肖特基結(jié)二極管。2.3.4 2.3.4 歐姆型接觸歐姆型接觸l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出電極與半導(dǎo)體材料的接觸也是

28、一種金屬- -半導(dǎo)體結(jié)。半導(dǎo)體結(jié)。但是我們希望這些結(jié)具有但是我們希望這些結(jié)具有雙向低歐姆電阻值雙向低歐姆電阻值的導(dǎo)電特性，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(yùn)動的應(yīng)存在阻擋載流子運(yùn)動的“結(jié)結(jié)”。工程中，這種歐姆接。工程中，這種歐姆接觸通過對接觸區(qū)半導(dǎo)體的重?fù)诫s來實(shí)現(xiàn)。理論根據(jù)是：觸通過對接觸區(qū)半導(dǎo)體的重?fù)诫s來實(shí)現(xiàn)。理論根據(jù)是：通過對半導(dǎo)體材料重?fù)诫s，使集中于半導(dǎo)體一側(cè)的結(jié)通過對半導(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（金屬中有更大量的自由電子）變得如此之薄，

29、以至于載流子可以容易地利用量子隧穿效應(yīng)相對載流子可以容易地利用量子隧穿效應(yīng)相對自由地傳輸自由地傳輸。2.1 2.1 了解集成電路材料了解集成電路材料 2.2 2.2 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 2.3 PN2.3 PN結(jié)與結(jié)型二極管結(jié)與結(jié)型二極管2.4 2.4 雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理 2.5 MOS2.5 MOS晶體管基本晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 2.4 2.4 雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理l由于晶體管有兩個(gè)由于晶體管有兩個(gè)PNPN結(jié)，所以它有四種不同的運(yùn)用狀態(tài)。結(jié)，所以它有四種不同的運(yùn)用狀態(tài)。（1 1）發(fā)射

30、結(jié)正偏，集電結(jié)反偏時(shí)，為放大工作狀態(tài)；）發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏時(shí)，為放大工作狀態(tài)；（2 2）發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏時(shí)，為飽和工作狀態(tài)；）發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏時(shí)，為飽和工作狀態(tài)；（3 3）發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)也反偏時(shí)，為截止工作狀態(tài)；）發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)也反偏時(shí)，為截止工作狀態(tài)；（4 4）發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏時(shí)，為反向工作狀態(tài)。）發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏時(shí)，為反向工作狀態(tài)。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 F來描述來描述,F F定義為：定義為： F F =I =IC C/I/IB B 電流放大作用電流放大作用 發(fā)射結(jié)的注入發(fā)射結(jié)的注入基區(qū)

31、中的輸運(yùn)與復(fù)合基區(qū)中的輸運(yùn)與復(fù)合和集電區(qū)的收集和集電區(qū)的收集 電子電流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)雙極型晶體管的放大作用就用正向電流放大倍數(shù)F F來描述來描述,F F定義為：定義為： F F =I =IC C/I/IB B 2.5 MOS2.5 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)與工作原理圖2.8MOS管的物理結(jié)構(gòu)與電路符號歐姆接觸l工作原理：工作原理：如果沒有任何外加偏置電壓，這時(shí)，從漏到源如果沒有任何外加偏置電壓，這時(shí)，從漏到源是兩個(gè)背對背的二極管。它們之間所能流過的電流就是二是兩個(gè)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

32、沒有導(dǎo)電溝道形成。如果極管的反向漏電流。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(diǎn)看，這一正的柵電壓將要排斥柵下的學(xué)的觀點(diǎn)看，這一正的柵電壓將要排斥柵下的P P型襯底中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(shí)，度時(shí)，柵下的柵下的P P型層將變成型層將變成N N型層，即呈現(xiàn)反型型層，即呈現(xiàn)反型。N N反型層反型層與源漏兩端的與源漏兩端的N N型擴(kuò)散層連通，就形成以電子為載流子的型擴(kuò)散層連通，就形成以電子為載流子的導(dǎo)電溝道。導(dǎo)電溝

33、道。 l引起溝道區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)表面反型的最小柵電壓，引起溝道區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)表面反型的最小柵電壓，稱為閾值電壓稱為閾值電壓V VT T。l往往用離子注入技術(shù)改變溝道區(qū)的摻雜濃度，往往用離子注入技術(shù)改變溝道區(qū)的摻雜濃度，從而改變閾值電壓。從而改變閾值電壓。閾值電壓閾值電壓 V VT T改變閾值電壓改變閾值電壓 l對對NMOSNMOS晶體管而言，注入晶體管而言，注入P P型雜質(zhì)，將使閾型雜質(zhì)，將使閾值電壓增加。反之，注入值電壓增加。反之，注入N N型雜質(zhì)將使閾值型雜質(zhì)將使閾值電壓降低。電壓降低。l如果注入劑量足夠大，可使器件溝道區(qū)反型如果注入劑量足夠大，可使器件溝道區(qū)反型變成變成N N型的。這時(shí)，要在柵上加負(fù)電

34、壓，才型的。這時(shí)，要在柵上加負(fù)電壓，才能減少溝道中電子濃度，或消除溝道，使器能減少溝道中電子濃度，或消除溝道，使器件截止。在這種情況下，閾值電壓變成負(fù)的件截止。在這種情況下，閾值電壓變成負(fù)的電壓，稱其為夾斷電壓。電壓，稱其為夾斷電壓。 l根據(jù)閾值電壓不同，常把根據(jù)閾值電壓不同，常把MOSMOS器件分成增強(qiáng)器件分成增強(qiáng)型和耗盡型兩種器件。對于型和耗盡型兩種器件。對于N N溝溝MOSMOS器件而器件而言，將閾值電壓言，將閾值電壓V VT T0 0的器件稱為增強(qiáng)型器的器件稱為增強(qiáng)型器件，閾值電壓件，閾值電壓V VT T0 0的器件，稱為耗盡型器的器件，稱為耗盡型器件。件。 l在在CMOSCMOS電路里，全部采用增強(qiáng)型的電路里，全部采用增強(qiáng)型的NMOSNMOS和和PMOSPMOS。(a) VgsVT, Vds=0V(b) VgsVT, VdsVT,