集成电路材料与器件物理基础PPT课件

第2章 集成电路材料与器件物理基础,2.1 集成电路材料2.2 PN结及二极管2.3 双极型晶体管2.4 场效应晶体管,2.1 集成电路材料,2.1.1 集成电路材料及其分类2.1.2 半导体材料的特性,2.1.1 集成电路材料及其分类,材料按导电性能分为导体、半导体和绝缘体三类。集成电路制造中，应用到的材料分类有： 导体铝、金、钙、铜等； 半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟等； 绝缘体SiO2、SiON、Si3N4等。,2.1.2 半导体材料的特性,半导体材料是集成电路制造的主要材料，它具有以下特性：（1）掺入杂质后，可以明显改变半导体的电导率；（2）受到外界热刺激时，其导电能力发生显著变化；（3）光照可以改变其电导率，称为半导体的光电效应；（4）多种半导体注入电流时会发光，可制成发光二极管和激光二极管。,集成电路材料作用,半导体：集成电路衬底， 基本元件导体：器件本身的接触线，器件间的互连线，焊盘绝缘体：生成器件表面的钝化层，掩膜,2.2 PN结及二极管,2.2.1 N型材料和P型材料2.2.2 PN结工作原理2.2.3 PN结二极管及其应用2.2.4 肖特基二极管,2.2.1 N型材料和P型材料,图1 用比硅原子多一个电子的原子替代 硅原子，可以看到这个额外电子 不会形成共价键。,图2 用比硅原子少一个电子的原子替代硅原子，就因缺少一个电子而形成空穴。,2.2.1 N型材料和P型材料,图3 在没有外加能量的情况下，N型材料的自由电子无法进入P型材料。,2.2.2 PN结工作原理,图4 PN结二极管原理图及电路符号。,2.2.2 PN结工作原理,图5 达到正偏压之后，电流线性增加直到饱和。,2.2.3 PN结二极管及其应用,图6 二极管中电流单向流动，因此可以用于检波。,2.2.4 肖特基二极管,2.2.4 肖特基二极管,肖特基二极管,欧姆接触,金属+重掺杂半导体,2.3 双极型晶体管,2.3.1 BJT工作原理2.3.2 纵向工艺,2.3.1 BJT工作原理,图7 双极晶体管原理图及电路符号,2.3.1 BJT工作原理,由于晶体管有两个PN结，所以它有四种不同运用状态（1）发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态；（2）发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态；（3）发射结反偏，集电结也反偏时，为截止工作状态；（4）发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。,2.3.2 纵向工艺,图8 因为需要接管脚，横向NPN版图迫使P区变大。纵向晶体管中P区的宽度比FET中两个N区之间栅长要短得多。,2.3.3 纵向工艺,2.4 场效应晶体管,2.4.1 增强型器件和耗尽型器件2.4.2 MOSFET工作原理2.4.3 互补型开关2.4.4 CMOS逻辑电路2.4.5 MOSFET和NPN晶体管的特性比较,2.4.1 增强型器件和耗尽型器件,图9 如果半导体材料中到处都是自由电子，那么电流就可以从源端流到漏端。如果一个区域的空穴被吸引到了半导体材料的中间部位，那么PN结将阻止电流流过。,2.4.1 增强型器件和耗尽型器件,图10 耗尽型场效应管在开态和关态的情况及其电路符号,2.4.1 增强型器件和耗尽型器件,图11 增强型场效应管的开态和关态情况,2.4.2 MOSFET工作原理,2.4.2 MOSFET工作原理,2.4.2 MOSFET工作原理,，,预夹断,2.4.3 互补型开关,2.4.4 CMOS逻辑电路,栅加正