集成电路导论 Lesson_2

1、华南理工大学华南理工大学 殷瑞祥殷瑞祥Lesson 2Lesson 2集成电路导论集成电路导论Introduction to Integrated Circuits华南理工大学华南理工大学 殷瑞祥殷瑞祥第第2 2章章 半导体基本特性与晶体管工作原理半导体基本特性与晶体管工作原理集成电路导论集成电路导论Introduction to Integrated CircuitsProfessor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits2.3 二

2、极管二极管2.3.1二极管的电流与电压特性二极管的电流与电压特性2.3.2二极管工作时管内二极管工作时管内少数载流子的分布情况少数载流子的分布情况2.3.3扩散电容扩散电容3Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits二极管的电流与电压特性二极管的电流与电压特性uPN结二极管是一种最简单的半导体器件。结二极管是一种最简单的半导体器件。u二极管处于正向（二极管处于正向（P型区接正电压，型区接正电压，N型区接负电压型区接负电压

3、或者零电压）时，有正向电流从或者零电压）时，有正向电流从P区流向区流向N区，电流区，电流大小与外加正电压呈指数关系。大小与外加正电压呈指数关系。u二极管处于反向（二极管处于反向（P型区接负电压，型区接负电压，N型区接正电压型区接正电压或者零电压）时，有反向电流从或者零电压）时，有反向电流从N区流向区流向P区，但这区，但这个反向电流非常小，以至可以忽略。个反向电流非常小，以至可以忽略。uPN结二极管是一种单向导电器件！结二极管是一种单向导电器件！4Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出I

4、ntroduction to Integrated Circuits二极管的电流与电压特性二极管的电流与电压特性uIs饱和电流饱和电流un 发射系数（用于描发射系数（用于描述空间电荷区中的产生复述空间电荷区中的产生复合效应，常规数值为合效应，常规数值为1)。(1)DqunkTDsII euDiD0DiD+uDProfessor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits二极管工作时管内少数载流子的分布情况二极管工作时管内少数载流子的分布情况

5、u正向偏置：正向偏置：外电场驱动少数载流子离开空间电荷区外电场驱动少数载流子离开空间电荷区u方向偏置方向偏置外电场驱动少数载流子向空间电荷区运动外电场驱动少数载流子向空间电荷区运动6NP正向偏置外电场正向偏置外电场NP反向偏置外电场反向偏置外电场Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits扩散电容扩散电容u正向偏置时，由于外电场作用，将正向偏置时，由于外电场作用，将P（N）区多数载）区多数载流子驱动越过空间电荷区注入流子驱

6、动越过空间电荷区注入N（P）区，形成过剩）区，形成过剩少数载流子分布。少数载流子分布。u体现为电容效应体现为电容效应扩散电容（其作用比扩散电容（其作用比PN结电容结电容大得多）大得多）722NNdDpPNPDpWqCIkTDWDI 区长度少数载流子空穴的扩散系数少数载流子空穴的扩散电流分量Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits2.4 双极型晶体管双极型晶体管u双极型晶体管简称三极管，由两个双极型晶体管简称三极管，由两

7、个PN结组合构成。结组合构成。u三极管的特点是具有电流放大作用。三极管的特点是具有电流放大作用。u双极型晶体管由两种载流子（空穴与电子）同时参双极型晶体管由两种载流子（空穴与电子）同时参与导电。与导电。u双极晶体管的两个双极晶体管的两个PN结背靠背离得很近，实际上它结背靠背离得很近，实际上它们共用一层非常薄的半导体（基区）。们共用一层非常薄的半导体（基区）。u双极型晶体管有两种类型：双极型晶体管有两种类型：PNP型型基区为基区为N型半导体型半导体NPN型型基区为基区为P型半导体型半导体8Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Techn

8、ology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits2.5 场效应晶体管场效应晶体管u场效应晶体管（场效应晶体管（Field Effect Transistor）包括）包括结型场效应管（结型场效应管（Junction FET）金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管（半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor FET）u场效应管导电不同于双极型三极管，只有一种载流场效应管导电不同于双极型三极管，只有一种载流子参与导电（又称单极性晶体管）子参与导电（又称单极性晶体管）u场效应晶体管场效应晶体管通过电压改变内部电场，实

9、现对载流通过电压改变内部电场，实现对载流子运动的控制，是一种电压控制型器件。子运动的控制，是一种电压控制型器件。9华南理工大学华南理工大学 殷瑞祥殷瑞祥第第3 3章章 集成电路中的器件结构集成电路中的器件结构集成电路导论集成电路导论Introduction to Integrated CircuitsProfessor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits本章教学内容本章教学内容3.1 电学隔离的必要性和方法电学隔离的必要性和方法3.

10、2 二极管的结构二极管的结构3.3 双极型晶体管的结构双极型晶体管的结构3.4 MOS场效应晶体管的结构场效应晶体管的结构3.5 电阻的结构电阻的结构 3.6 电容的结构电容的结构3.7 接触孔、通孔和互连线接触孔、通孔和互连线11Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits3.1 电学隔离的必要性和方法电学隔离的必要性和方法u必要性：必要性： 一块集成电路中含有百万以至千万个二极管、一块集成电路中含有百万以至千万个二极管

11、、晶体管以及电阻、电容等器件，而且它们都是做在晶体管以及电阻、电容等器件，而且它们都是做在一个硅芯片上，即共有同一个硅片衬底。因此，如一个硅芯片上，即共有同一个硅片衬底。因此，如果不把它们在电学上一一隔离起来，那么各个元器果不把它们在电学上一一隔离起来，那么各个元器件就会通过半导体衬底件就会通过半导体衬底相互影响和干扰相互影响和干扰，以至整个，以至整个芯片芯片无法正常工作无法正常工作，这是集成电路设计和制造时首，这是集成电路设计和制造时首先要考虑的问题。为此要引入隔离技术，然后在隔先要考虑的问题。为此要引入隔离技术，然后在隔离的基础上根据电路要求把相关的各元器件端口连离的基础上根据电路要求把相

12、关的各元器件端口连接起来，以实现电路的功能。接起来，以实现电路的功能。12Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits3.1 电学隔离的必要性和方法电学隔离的必要性和方法u电学隔离的方法：电学隔离的方法： 在现代集成电路技术中，通常采用以下两种电在现代集成电路技术中，通常采用以下两种电学隔离方法：学隔离方法： 通过反向通过反向PN结进行隔离；结进行隔离； 采用氧化物（二氧化硅）加以隔离。采用氧化物（二氧化硅）加以隔离。 优

13、点：优点： 能较好的实现直流隔离。能较好的实现直流隔离。 缺点：缺点： 增加芯片面积并引入附加的电容。增加芯片面积并引入附加的电容。 13Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits3.1 电学隔离的必要性和方法电学隔离的必要性和方法14Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Inte

14、grated Circuits15Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits3.2 二极管的结构二极管的结构u二极管的两个引出端（二极管的两个引出端（P端和端和N端）必须在芯片的上端）必须在芯片的上方引出，二极管须与芯片中其他元器件隔离。方引出，二极管须与芯片中其他元器件隔离。1. 在在P型衬底上外延生长得到一层很薄的型衬底上外延生长得到一层很薄的N型外延层型外延层2. 在指定区域进行在指定区域进行P型杂质扩散，形成型杂

15、质扩散，形成N型型“岛岛”，同，同时形成时形成PN结隔离区。结隔离区。3. 在在N型型“岛岛”内形成内形成P型区，型区，P型区与型区与N型外延层形型外延层形成成PN结。结。4. 重掺杂形成重掺杂形成N+区，得到与区，得到与N型外延层的欧姆连接，型外延层的欧姆连接，由金属铝作为引出端。由金属铝作为引出端。16Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits二极管制作步骤和实际结构二极管制作步骤和实际结构17Professor R

16、ui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits3.3 双极型晶体管的结构双极型晶体管的结构18在三极管下方形成一在三极管下方形成一PN结，集电极与衬底隔离结，集电极与衬底隔离Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits三极管之间的隔离三极管之间的隔离19用氧化物（二氧化硅）把

17、每一个三极管包围用氧化物（二氧化硅）把每一个三极管包围起来，将各个三极管在横向上相互隔离起来。起来，将各个三极管在横向上相互隔离起来。Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits采用掩埋层结构采用掩埋层结构20氧化层隔离氧化层隔离PN结环隔离结环隔离Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction t

18、o Integrated Circuits先进双极型三极管工艺结构先进双极型三极管工艺结构21OxideOxide华南理工大学华南理工大学 殷瑞祥殷瑞祥3.4 MOS3.4 MOS场效应晶体管的结构场效应晶体管的结构第第3 3章章 集成电路中的器件结构集成电路中的器件结构Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits寄生MOS管23当两个当两个MOS管之间存在金属走线，会形成寄生管之间存在金属走线，会形成寄生MOS管，一旦该

19、管，一旦该管导通，将使电路工作出现混乱。管导通，将使电路工作出现混乱。Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits厚场氧化层提高寄生管阈值电压厚场氧化层提高寄生管阈值电压24在在MOS管之间生成厚氧化层，这样寄生管的阈值电压大大提管之间生成厚氧化层，这样寄生管的阈值电压大大提高，一般比电源电压高出许多！从而保证寄生高，一般比电源电压高出许多！从而保证寄生MOS管永远不管永远不会导通，起到横向隔离作用。会导通，起到横向隔离作

20、用。Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated CircuitsCMOS电路的结构电路的结构u 一种既包含一种既包含N沟沟MOS管又包含管又包含P沟的沟的MOS管的电路管的电路成为互补型成为互补型MOS电路（电路（complementary MOS）简）简称称CMOS电路。电路。u 为了使两种不同类型的为了使两种不同类型的MOS管做在同一个硅片衬管做在同一个硅片衬底上，就先要在硅衬底上形成一底上，就先要在硅衬底上形成一N阱（阱（N-wel

21、l）或）或P阱（阱（P-well）。）。25Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated CircuitsP阱阱CMOS芯片剖面示意图芯片剖面示意图26Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated CircuitsN阱阱CMOS芯片剖面示意图芯片剖面示意图27Professor Rui-

22、Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits（1） （2）（3） （4）P阱注入阱注入N阱注入阱注入衬底准备衬底准备光刻光刻P阱阱去光刻胶去光刻胶,生长生长SiO2双阱双阱CMOS工艺工艺 28（5） （6）（7） （8）生长生长Si3N4有源区有源区场区注入场区注入形成厚氧形成厚氧多晶硅淀积多晶硅淀积29（9） （10）（11） （12）N+注入注入P+注入注入表面生长表面生长SiO2薄膜薄膜接触孔光刻接触孔光刻30Professor Rui-Xi

23、ang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits（13）淀积铝形成铝连线淀积铝形成铝连线双阱双阱CMOS工艺工艺31Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits3.5 电阻的结构电阻的结构集成电路中实现电阻有多种方式：集成电路中实现电阻有多种方式： 1. 晶体管结构中不同材料层的片式电阻

24、（不准确）晶体管结构中不同材料层的片式电阻（不准确）2. 专门加工制造的高质量高精度电阻专门加工制造的高质量高精度电阻 3. 互连线的传导电阻互连线的传导电阻 4. 采用特殊连接的晶体管，构成有源电阻采用特殊连接的晶体管，构成有源电阻32Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits单线和单线和U-型电阻型电阻33Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technol

25、ogy上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits34GSox2noxTN2()on VtVLVRIW VV )(11TNoxnoxmDSGSDSDSdsGSGSVVWLtgIVIVrVVVVds栅、漏短接并工作在饱和区的栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻有源电阻 NMOSPMOSProfessor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits35ds条件：条件：VGS保持不变保持

26、不变VGS保持不变的饱和区有源电阻保持不变的饱和区有源电阻Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits36( a ) ( d ) 和和 ( c ) 直流电阻直流电阻 Ron交流电阻交流电阻 rds有源电阻的几种形式有源电阻的几种形式Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integra

27、ted Circuits3.6 电容的结构电容的结构在高速集成电路中，有多种实现电容的方法：在高速集成电路中，有多种实现电容的方法：1. 二极管或三极管的结电容二极管或三极管的结电容2. 叉指金属结构电容叉指金属结构电容3. 金属金属-绝缘体绝缘体-金属金属(MIM)电容电容4. 多晶硅多晶硅/金属金属-绝缘体绝缘体-多晶硅电容多晶硅电容37Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integrated Circuits叉指结构电容叉指结构电容38Professor Rui-Xiang YinSouth China University of Technology上一页下一页目 录返 回退 出Introduction to Integra