集成電路材料與器件物理基礎(chǔ)PPT課件

1、集成電路材料集成電路材料分類材料電導(dǎo)率（S/cm）導(dǎo)體鋁、金、鎢、銅等，鎳鉻等合金，重?fù)蕉嗑Ч?05半導(dǎo)體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵10-9 102絕緣體SiO2、Si3N410-22 10-14第1頁/共24頁2.4 PN結(jié)結(jié) pn結(jié)-多數(shù)半導(dǎo)體器件的核心單元u電子器件：整流器 (rectifier) 檢波器 (radiodetector)雙極晶體管 (BJT)u光電器件：太陽能電池 (solar cell) 發(fā)光二極管（LED）半導(dǎo)體激光器 （LD）光電二極管(PD)第2頁/共24頁u 突變結(jié)u 線形緩變結(jié)pn根據(jù)雜質(zhì)濃度的分布，可以劃分為：u 同質(zhì)pn結(jié)u 異質(zhì)pn結(jié)根據(jù)結(jié)兩邊的材料

2、不同，可劃分為：通過控制施主與受主濃度的辦法，形成分別以電子和空穴為主的兩種導(dǎo)電區(qū)域，其交界處即被稱為p-n結(jié)。pn 結(jié)的結(jié)構(gòu)結(jié)的結(jié)構(gòu)第3頁/共24頁在接觸前分立的P型和N型硅的能帶圖 pn 結(jié)形成的物理過程結(jié)形成的物理過程電子電子 空穴空穴擴(kuò)散擴(kuò)散eVbi 第4頁/共24頁（b）接觸后的能帶圖平衡態(tài)的pn結(jié) CE FE iE VE eVbi 漂移電漂移電流流 擴(kuò)散電擴(kuò)散電流流 內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng) E E 接觸電勢(shì)差接觸電勢(shì)差 Vbi 漂移 漂移 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)擴(kuò)散擴(kuò)散p n E第5頁/共24頁+-0pn電壓表反向偏壓下的反向偏壓下的PN結(jié)結(jié)隨著反向偏壓的增加，隨著反向偏壓的增加，PN結(jié)的

3、耗盡區(qū)加寬。結(jié)的耗盡區(qū)加寬。第6頁/共24頁+-0pn電壓表正向偏壓下的正向偏壓下的PN結(jié)結(jié)隨著正向偏壓的增加，隨著正向偏壓的增加，PN結(jié)的耗盡區(qū)變窄。結(jié)的耗盡區(qū)變窄。第7頁/共24頁EvEcEipEinEFnq(Vbi VD)EFpEvEcEipEinEFqVD平衡態(tài)下理想平衡態(tài)下理想PN結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖正向偏壓下理想正向偏壓下理想PN結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖EvEcEipEinEFnq(Vbi VD)EFp反向偏壓下理想反向偏壓下理想PN結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖第8頁/共24頁理想理想PN結(jié)半導(dǎo)體二極管電流方程結(jié)半導(dǎo)體二極管電流方程) 1(/kTqVSDDeIIPN結(jié)符號(hào)結(jié)符號(hào)第9頁/共24頁

4、PN結(jié)的基本應(yīng)用結(jié)的基本應(yīng)用 整流整流：使一個(gè)正弦波流經(jīng)二極管，則只有大于零的正向部分會(huì)到達(dá)后面的電路，這種濾除負(fù)向信號(hào)的過程稱為整流 電流隔離：電流隔離：電流單向流動(dòng)第10頁/共24頁2.4 結(jié)型二極管結(jié)型二極管內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)EEFEvEcqVDE0EFmE0EFnEvEcqVD金屬與金屬與N型材料接觸型材料接觸內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)EE0EFmE0EFpEvEcqVD金屬與金屬與P型材料接觸型材料接觸EFEvEcqVD第11頁/共24頁反向偏壓，墊壘提高，無電流通過肖特基接觸肖特基接觸 肖特基接觸肖特基接觸是指金屬和半導(dǎo)體材料相接觸的時(shí)候，在界面處半導(dǎo)體的能帶彎曲，形成肖特基勢(shì)壘。勢(shì)壘的存在才

5、導(dǎo)致了大的界面電阻。具有肖特基接觸的金屬與半導(dǎo)體界面形成結(jié)二極管，符號(hào)正向偏壓，墊壘降低，有電流通過第12頁/共24頁歐姆接觸歐姆接觸 歐姆接觸歐姆接觸是指金屬與半導(dǎo)體的接觸，而其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻。金屬作為半導(dǎo)體器件的電極，要求具有歐姆接觸。E0EFmE0EFnEvEcE0EFmE0EFpEvEc歐姆接觸的金屬與N型材料的選擇歐姆接觸的金屬與P型材料的選擇實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸：(1) 選擇金屬與半導(dǎo)體材料，使其結(jié)區(qū)勢(shì)壘較低(2) 半導(dǎo)體材料高摻雜第13頁/共24頁雙極型晶體管雙極型晶體管 第一個(gè)PN結(jié)須正偏，才能正常工作，閥值電壓為0.8V。 整個(gè)器件上跨接5V的電壓，已經(jīng)進(jìn)

6、入P區(qū)的電子會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)。 P區(qū)要很薄，才能保證跨接的5V的電壓對(duì)電子的控制。 底部的N型半導(dǎo)體提供電子，叫發(fā)射極（Emitter） P型半導(dǎo)體作為PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，叫基區(qū) （Base） 頂部的N型半導(dǎo)體收集另一個(gè)N型半導(dǎo)體提供的電子，叫集電極（Collector)第14頁/共24頁 發(fā)射結(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)也正偏時(shí)，為飽和工作狀態(tài)。 發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)也反偏時(shí)，為載斷工作狀態(tài)。 發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏時(shí)，為反向工作狀態(tài)。雙極型晶體管雙極型晶體管發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)NPN工作狀態(tài)：工作狀態(tài)：BCFII /第15頁/共24頁2.6 MOS晶體管晶體管場(chǎng)

7、效應(yīng)晶體管（場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）由于附近電壓作用而形成電子或空穴聚積的效應(yīng)稱為場(chǎng)效應(yīng)。由于附近電壓作用而形成電子或空穴聚積的效應(yīng)稱為場(chǎng)效應(yīng)。源漏源漏附近正電壓所產(chǎn)生的場(chǎng)效應(yīng)附近正電壓所產(chǎn)生的場(chǎng)效應(yīng)有效提高半導(dǎo)體材料表面電有效提高半導(dǎo)體材料表面電子數(shù)目，從而獲得更大電流子數(shù)目，從而獲得更大電流負(fù)電壓使越來越多的電穴聚負(fù)電壓使越來越多的電穴聚積起來，源漏電流越來越小，積起來，源漏電流越來越小，最終形成最終形成NPN結(jié)構(gòu)，無源漏結(jié)構(gòu)，無源漏電流電流第16頁/共24頁夾斷夾斷第17頁/共24頁MOS 晶體管晶體管常開型，也稱常開型，也稱耗盡型晶體管耗盡型晶體管源漏柵常關(guān)型，也稱常關(guān)型，也稱增強(qiáng)型晶體

8、管增強(qiáng)型晶體管第18頁/共24頁MOS 晶體管晶體管 柵極多采用摻雜多晶硅，絕緣層采用二氧化硅。柵極多采用摻雜多晶硅，絕緣層采用二氧化硅。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS晶體管柵區(qū)較小且形狀不隨電場(chǎng)變化。晶體管柵區(qū)較小且形狀不隨電場(chǎng)變化。 CMOS電路里，全部采用增強(qiáng)型的電路里，全部采用增強(qiáng)型的NMOS和和PMOS。Complementary Metal Oxide Semiconductor （CMOS）第19頁/共24頁MOS 晶體管晶體管源漏GNDVGS+VDS+N載止區(qū)：VGSVT，無電流通過VT為引起溝通區(qū)表面反型的最小柵電壓，也稱閥值電壓。源漏GNDVGS+VDS+飽和區(qū)：0(VGS-VT）V

9、DS0，電流與VDS ，VGS有關(guān)N第20頁/共24頁MOS 晶體管晶體管DSTGSTGSNTGSDSDSDSTGSNTGSDSVVVVVKVVVVVVVKVVI0,)(20,2)(0,022載止區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)LWtKoxnN其中 為跨導(dǎo)系數(shù)IDS和哪些參數(shù)有關(guān)？GSDSmVIg引入跨導(dǎo) 衡量MOS器件的增益)()()(TGSNmDSNmVVKgVKg飽和線性線性區(qū) 飽和區(qū)第21頁/共24頁JFET（junction gate field-effect transistor ）pnn源漏柵耗盡層IDSVDS按VGS=0時(shí)，溝道的開啟情況，JFET同樣可分為常開型（耗盡型）和常關(guān)型（增強(qiáng)型）第22頁/共24頁MESFET（metal semiconductor field effect transist