二極管和晶體管

1、二極管和晶體管引 言 用于微芯片的電子器件是在襯底上構建的。通用的微芯片器件包括電阻、電容、熔絲、二極管和晶體管。它們在襯底上的集成是集成電路芯片制造技術的基礎。 硅片上電子器件的形成方式被稱為結構。半導體器件結構有成千上萬種。這里只能列舉出其中的一部分。本章將討論器件的實際形成，以了解它們在應用中是怎樣發(fā)揮作用的。同時，本章還將對集成電路產(chǎn)品的不同分類進行回顧。本章要點1.區(qū)別模擬和數(shù)字、有源和無源器件的不同。說明在無源器件中寄生結構的影響；2.對PN結進行描述，討論其重要性，并解釋其反向偏壓和正向偏壓的不同；3.描述雙極技術特征和雙極晶體管的功能、偏壓、結構及應用；4.描述 CMOS 技術

2、的基本特征，包括場效應晶體管、偏壓現(xiàn)象以及CMOS反相器；5.描述 MOSFET 增強型和耗盡型之間的區(qū)別；6.描述寄生晶體管的影響和 CMOS 閂鎖效應的本質(zhì)；7.列舉一些集成電路產(chǎn)品，描述其各自的一些應用。電 路 類 型 模擬電路 在電子技術中，模擬電路是指其電參數(shù)在一定電壓、電流、功耗值范圍內(nèi)變化的一種電路。 模擬電路可以設計成由直流（DC）、交流（AC）或者兩者的混合以及脈沖電流來作為工作電源。 數(shù)字電路 數(shù)字電路在兩種性質(zhì)不同的電平信號高電平和低電平下工作。 數(shù)字電路與數(shù)字(邏輯)器件有關。數(shù)字器件（電路）可用于測量并控制事件結果：要求既有開/關型命令，又能受模擬線性電路分立增量變化

3、的控制。這也正是今天區(qū)別模擬器件和數(shù)字器件如此困難的原因所在。高低電平準確數(shù)值取決于特別的器件技術。下面是兩個邏輯電平的例子： 邏輯類型 高電平1 低電平0 TTL 5 VDC 0.0 VDC CMOS 3.5VDC 0.0 VDC 無源元件結構 在電路中電阻和電容都是無源元件。因為這些元件無論怎樣和電源連接，它們都能傳輸電流。例如，一個電阻無論是與電源的正極還是負極連接，它都能傳輸同樣的電流。 集成電路電阻結構 集成電路中的電阻可以通過金屬膜、摻雜的多晶硅，或者通過雜質(zhì)擴散到襯底的特定區(qū)域產(chǎn)生。這些電阻是微結構，因此它們只占用襯底很小的區(qū)域。電阻和芯片電路的連接是通過與導電金屬（如鋁、鎢等）

4、形成接觸實現(xiàn)的(見下圖）。集成電路中電阻結構示例 n- Substrate Metal contact Film type resistorSiO2, dielectric material Metal contactn-p- Diffused resistorSiO2, dielectric material 寄生電阻結構 寄生電阻是在集成電路元件設計中產(chǎn)生的多余電阻。它存在于器件結構中是因為器件的尺寸、形狀、材料類型、摻雜種類以及摻雜數(shù)量。寄生電阻不是我們所需要的，因為它會降低集成電路或者器件的性能。圖表示了晶體管中寄生電阻的位置。 寄生電阻是可積累的，這意味著一串電阻總的效應比單個電阻大

5、。在集成電路器件中。這些寄生電阻的影響成為能否降低芯片上器件特征尺寸的關鍵因素。隨著集成度的提高，電阻將會增加，使電性能總體下降。為此設計者可選用低電阻金屬作為接觸層和特別工藝設計以減小有源器件的體（bulk）電阻。RECREBRBBRBCRCCRCBMetal contact resistanceBulk resistancen+ n+p- Base Emitter Collectorp- SubstrateFigure 3.2 晶體管中寄生電阻的剖面 集成電路電容結構 大家知道，一個簡單的電容器是由兩個分立的導電層被介質(zhì)（絕緣）材料隔離而形成的。微芯片制造中介質(zhì)材料通常是二氧化硅（SiO2

6、）,平面型電容器的導電層可由金屬薄層、摻雜的多晶硅，或者襯底的擴散區(qū)形成。通常襯底上的電容器由4鐘基本工藝組成（見圖）。SubstrateOxide dielectricMetal contactsSubstrateDielectric material (oxide)2nd dopedpoly layerMetal contactto 1st poly1st doped poly layerSubstrateMetal contact to diffused regionDoped poly layerp- Diffused regionSubstrate1st, n+ poly plate

7、2nd, n+ poly plateDielectric material (oxide)Figure 3.3 集成電路中電容結構nnnSDGp- Substrateoxidedoped polyField effect transistorBipolar junction transistornpnCEBp- SubstrateFigure 3.4 晶體管中寄生電容器有源元件結構pn 結二極管雙極晶體管肖特基二極管雙極集成電路技術CMOS 集成電路技術增強型和耗盡型 MOSFETp- SubstrateCathode Anodepn junction diodeMetal contactHe

8、avily doped p region Heavily doped n regionFigure 3.5 PN結二極管的基本符號和結構p-type Sin-type SiDepletionregionCathodeAnodeMetal contactPotentialhill0BarriervoltageCharge distribution of barrier voltage across a pn Junction.Figure 3.6 PN結二極管的開路情況Figure 3.7 反偏 PN二極管pn3 VLampOpen-circuit condition(high resistan

9、ce)外加電場pn3 VHole flowElectron flowLampFigure 3.8 正偏PN 二極管 外加電場12010080604020.4.81.21.6+ I- V+ V- IBreakdownvoltageLeakagecurrentReverse bias curveForward bias curveJunction voltageFigure 3.9 硅二極管的正偏與反偏電學特性Physical structurepnpEmitterCollectorBaseBCEpnp transistorSchematic symbolPhysical structureBCE

10、EmitterCollectorBasenpnnpn transistorSchematic symbolFigure 3.10 兩種雙極晶體管Lamp1.5 VnpnS1BCE3 VNonconduction modeConduction modeElectronflowe-e-h+1.5 V n p nS1BCE 3 VLampFigure 3.11 NPN 晶體管的偏置電路 Nonconduction mode1.5 VpnpS1BCE3 VLampConduction mode Hole flowh+e-1.5 V p n pS1BCE3 Vh+LampFigure 3.12 PNP

11、晶體管的偏置電路p- substraten+pn+Metal contactCEBFigure 3.13 NPN BJT的剖面圖肖特級二極管 肖特級二極管是由金屬和輕摻雜的n型半導體材料接觸形成的（圖）。這種形式器件的工作原理與普通二極管相似正偏時低電阻，反偏時高電阻。硅肖特級二極管的正向結電壓降（），幾乎是硅pn結二極管（）的一半。肖特級二極管的最大優(yōu)勢是其電導完全取決于電子，這使其從開到關的時間更快。 肖特級二極管的發(fā)明使雙極集成電路技術得以在21世紀繼續(xù)應用。肖特級二極管的概念已用于高速和更高功效的雙極集成電路的發(fā)展中。Schottky contactNormal ohmic conta

12、ctAnodeCathoden-n+Figure 3.14 肖特基二極管的電路符號和結構剖面圖 雙極邏輯的種類 CMOS 集成電路技術The Field Effect TransistorMOSFETsnMOSFETpMOSFETBiasing the nMOSFETBiasing the pMOSFETCMOS TechnologyBiCMOS TechnologyEnhancement and Depletion-ModeCMOS 集成電路技術 場效應晶體管（FET） 場效應晶體管最早是為了解決能源消耗而提出的，誕生于20世紀70年代。后來發(fā)現(xiàn) FET 是既節(jié)省能源又利于提高集成度的電子器

13、件。盡管FET 的早期實驗應回到20世紀30年代，但第一批大量生產(chǎn)的場效應晶體管在60年代成為現(xiàn)實。從第一批改進的 FET一直被使用?，F(xiàn)在最流行的集成電路技術是COMS（互補型金屬氧化物半導體）技術，它是圍繞著 FET 設計和制造的發(fā)展而發(fā)展的。 場效應晶體管的最大優(yōu)勢是它的低電壓和低功耗。它的開啟是輸入電壓加到柵上產(chǎn)生的電場的結果因此稱為場效應晶體管。 FET 在線性/模擬電路中作為放大器以及在數(shù)字電路中作為開關元件使用。它的高輸入阻抗和適中的放大特性使其成為一種卓越的器件被廣泛應用。它的低功耗和可壓縮性使其極適用于一直在縮小尺寸的 ULSI工藝。 FET 有兩種基本類型：結型（JFET）和

14、金屬氧化物型（MOSFET）半導體。區(qū)別在于MOSFET作為場效應晶體管輸入端的柵極由一層薄介質(zhì)（SiO2）與其他兩極絕緣。JFET的柵極實際上同晶體管其他電極形成物理的pn結。nMOSFET(n-channel)GateSourceDrainp-type silicon substraten+n+SourceGateDrainSubstratepMOSFET(p-channel)SourceGateDrainp+p+n-type silicon substrateSourceGateDrainSubstrateFigure 3.15 Two Types of MOSFETs VDD = +

15、3.0 VOpen gate (no charge)Lamp(no conduction)SourceDrainp-type silicon substraten+n+Gate VGG = + 0.7 VS1Figure 3.16 Biasing Circuit for an NMOS Transistor S1IDSVDD = + 3.0 VPositive chargeLampe-e-e-+ + + + + + + + + + + + + + + +SourceDrainp-type silicon substrateGate n+n+HolesVGG = + 0.7 VFigure 3.

16、17 NMOS Transistor in Conduction Mode Figure 3.18 N MOSFET的特性曲線6005004003002001000VGS = +5VVGS = +4VVGS = +3VVGS = +2VVGS = +1V0 1 2 3 4 5 6Drain-Source Voltage, VDS (volts)Drain Current, IDS (ma)Saturation RegionLinear RegionVDD = -3.0 VOpen gate (no charge)Lamp(no conduction)SourceGateDrainp+p+n-t

17、ype silicon substrateVGG = - 0.7 VS1Figure 3.19 P MOSFET的偏置電路IDSVDD = - 3.0 VLampe-e-e-Gate SourceDrain- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - n-type silicon substrateElectronsp+p+Negative chargeVGG = - 0.7 VS1Figure 3.20 PMOS Transistor in Conduction Mode COMS技術 以MOSFET為基礎的IC制造，多年來都集中在單一的n溝道M

18、OSFET技術為基礎的產(chǎn)品制造和開發(fā)上。盡管分立的pMOS 晶體管在特定電子應用方面適合很多適用的功能，但是通常nMOS集成電路器件替代了pMOS技術。因此，nMOS成為絕大多數(shù)集成電路制造商的選擇。 COMS是在同一集成電路上nMOS和pMOS混合。功耗、設計等比縮放技術和制造工藝的改進相結合使CMOS技術在20世紀80年代就成了一種最普遍的器件技術。 等比縮放用于描述綜合尺寸和現(xiàn)有的IC工作電壓的縮小過程。所有尺寸和電壓都必須在通過設計模型應用時統(tǒng)一縮小，這些模型是IC設計者們在電路設計和版圖設計階段使用的。SGInputD+ VDDDSGOutputpMOSFETnMOSFET- VSS

19、Figure 3.21 CMOS 反相器的電路圖 CMOS反相器 CMOS反相器電路的功效產(chǎn)生于輸入信號為零的轉(zhuǎn)換期，當輸入信號為零時晶體管沒有功耗。nMOS、TTL和ECL電路與CMOS的不同在于即使是沒有輸入信號，這些邏輯器件也會消耗功耗。這也是現(xiàn)在愿意在諸如計算器、時鐘、移動 和筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品的制造中使用COMS集成電路技術的主要原因。 簡單CMOS反相器的物理結構如下面的頂視圖和截面圖所示。pMOSFETnMOSFET VDD-VSS SDDSGGn-type silicon substratep-wellp+p+n+n+n-wellPolysiliconMetalFigu

20、re 3.22 CMOS 反向器的頂視圖+VDD-VSSSDDSGGp+p+p-welln+n+n-type silicon substraten+p+pMOSFETnMOSFETField oxideInterlayer OxideMetalFigure 3.23 Cross-section of CMOS Inverter BiCOMS BiCOMS技術就是將CMOS和雙極技術的優(yōu)良性能集中在同一集成電路中。 BiCOMS綜合了COMS結構的低功耗、高集成度和TTL或ECL器件結構的高電流驅(qū)動能力。 BiCOMS產(chǎn)品的應用能在所有需要高功耗負載的數(shù)字控制中。在這種情況下，數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器芯片可以用來提供用作電子機械設備的控制模擬驅(qū)動信號。在測試儀器端口，模/ 數(shù)（A/D）芯片可以用于測量模擬驅(qū)動信號的輸出。下圖表示了一個BiCOMS芯片用于使用儀器和控制應用的基本例子。 BiCOMS芯片的其他應用包括汽車電子設備、航空航天、機器人技術和工業(yè)設備。用在簡單加熱系統(tǒng)控制中的BiCMOSmV Measured signalCPUOutputInputBiCMOSBiCMOSDACADCDigital sideSetpointFeedback0-5 V0-5 VAMPAMPDrive signalAnalog sideHe