集成电路分析与设计基础 第二章 集成电路材料与器件物理基础

Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 第二章第二章 集成电路材料与器件物理基础集成电路材料与器件物理基础 2.12.1- -2.3 2.3 略略 2.4 PN2.4 PN结及结型二极管结及结型二极管 2.5 2.5 双极型晶体管双极型晶体管 2.6 MOS2.6 MOS晶体管晶体管 2.7 MESFET2.7 MESFET Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 集成电路材料集成电路材料 分类材料电导率（S/cm） 导体 铝(Al)、金(Au)、钨(W)、铜(Cu)等 ，镍铬(NiCr)等合金，重掺多晶硅 105 半导体 硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷 化铟(InP)、氮化镓(GaN) 10-9 102 绝缘体 SiO2、Si3N4、HfO2、Al2O3 10-22 10-14 按导电能力按导电能力 划分划分 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 2.4 PN结结了解PN结的意义 PN结 多数半导体器件的核心单元 电子器件： 整流器 (Rectifier) 检波器 (Radio detector) 双极晶体管 (BJT) 光电器件： 太阳能电池 (Solar cell) 发光二极管 (LED) 半导体激光器 (Laser diode, LD) 光电二极管 (Photodiode, PD) Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 突变结 线形缓变结 pn 根据杂质浓度的分布，可以划分为： 同质PN结 异质PN结 根据结两边的材料不同，可划分为： 通过控制施主(donor)与受主(acceptor)浓度的办法，形成 分别以电子和空穴为主的两种导电区域，其交界处即被 称为P-N结。 PN结的结构结的结构 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 在接触前分立的P型和N型硅的能带图 PN结形成的物理过程结形成的物理过程 电子电子空穴空穴 扩散扩散 eVbi Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 （b）接触后的能带图 平衡态的PN结 C E F E i E V E eVbi 漂移电流漂移电流 扩散电扩散电流流 内建电场内建电场E E 接触电势差接触电势差V Vbi bi 漂移 漂移 空间电荷区空间电荷区 扩散 扩散 pn E Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 +- 0 pn 电压表 反向偏压下的反向偏压下的PN结结 随着反向偏压的增加，随着反向偏压的增加，PN结的耗尽区加宽。结的耗尽区加宽。 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 +- 0 pn 电压表 正向偏压下的正向偏压下的PN结结 随着正向偏压的增加，随着正向偏压的增加，PN结的耗尽区变窄。结的耗尽区变窄。 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 Ev Ec Eip Ein EFn q(Vbi VD) EFp Ev Ec Eip Ein EF qVbi 平衡态下理想平衡态下理想PN结的能带图结的能带图 正向偏压下理想正向偏压下理想PN结的能带图结的能带图 Ev Ec Eip Ein EF n q(Vbi +VD) EFp 反向偏压下理想反向偏压下理想PN结的能带图结的能带图 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 理想理想PN结半导体二极管电流方程结半导体二极管电流方程 ) 1( / = kTqV SD D eII PN结符号结符号 最大特点最大特点: : 单向导电性单向导电性 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 PN结的基本应用结的基本应用 整流整流：使一个正弦波流经二极管，则只有大于零的正向 部分会到达后面的电路，这种滤除负向信号的过程称为整 流 电流隔离：电流隔离：电流单向流动 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 2.4 结型二极管结型二极管 内建电场内建电场E EF Ev Ec qVD E0 EFm E0 EFN Ev Ec qVD 金属与金属与N型材料接触型材料接触 内建电场内建电场E E0 EFm E0 EFP Ev Ec qVD 金属与金属与P型材料接触型材料接触 EF Ev Ec qVD Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 反向偏压，垫垒提高，无电流通过 肖特基接触肖特基接触 (Schottky contact) 肖特基接触肖特基接触是指金属和半导体材料相接触的时候，在界 面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒。势垒的存在才 导致了大的界面电阻。具有肖特基接触的金属与半导体 界面形成结二极管，符号 正向偏压，垫垒降低，有电流通过 金属与金属与N型材料接触为例型材料接触为例 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 欧姆接触欧姆接触 (Ohmic contact) 欧姆接触欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻 值远小于半导体本身的电阻。金属作为半导体器件的电极 ，要求具有欧姆接触。 E0 EFm E0 EFn Ev Ec E0 EFm E0 EFp Ev Ec 欧姆接触的金属与N型材料的选择 欧姆接触的金属与P型材料的选择 实现良好的欧姆接触： (1) 选择金属与半导体材料，使其结区势垒较低 (2) 半导体材料高掺杂 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 双极型晶体管双极型晶体管 底部的N型半导体提供电子，叫发射极（Emitter） P型半导体作为PN结的基本结构，叫基区 （Base） 顶部的N型半导体收集另一个N型半导体提供的电子，叫集电极 (Collector) 第一个PN结须正偏，才能正常工作，阀值电压为0.8V。 整个器件上跨接5V的电压，已经进入P区的电子会继续向上运动。 P区（基区）要很薄，才能保证跨接的5V的电压对电子的控制。 发射结发射结 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态。（放大电路） 发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态。 发射结反偏，集电结也反偏时，为截止工作状态。 发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。 双极型晶体管双极型晶体管 发射结发射结 集电结集电结 N P N 工作状态：工作状态： BCF II /= （脉冲和数字电路） （通常大于100） Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 2.6 MOS晶体管晶体管 场效应晶体管（场效应晶体管（FET） 由于附近电压作用而形成电子或空穴聚积的效应称为场效应。由于附近电压作用而形成电子或空穴聚积的效应称为场效应。 源 漏 源漏 附近正电压所产生的场效应附近正电压所产生的场效应 有效提高半导体材料表面电有效提高半导体材料表面电 子数目，从而获得更大电流子数目，从而获得更大电流 负电压使越来越多的空穴聚负电压使越来越多的空穴聚 积起来，源漏电流越来越小积起来，源漏电流越来越小 ，最终形成，最终形成NPN结构，无源结构，无源 漏电流漏电流 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 夹断夹断 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 MOS 晶体管晶体管 常开型，也称常开型，也称 耗尽型晶体管耗尽型晶体管 (Depletion mode) 源漏 栅 常关型，也称常关型，也称 增强型晶体管增强型晶体管 (Enhancement mode) Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 MOS 晶体管晶体管 栅极多采用掺杂多晶硅，绝缘层采用二氧化硅。栅极多采用掺杂多晶硅，绝缘层采用二氧化硅。 增强型增强型MOS晶体管栅区较小且形状不随电场变化。晶体管栅区较小且形状不随电场变化。 CMOS电路里，全部采用增强型的电路里，全部采用增强型的NMOS和和PMOS。 Complementary Metal Oxide Semiconductor （CMOS） Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 MOS 晶体管晶体管 源漏 GND VGS + VDS + N 载止区：VGSVDS0， 电流与VDS ，VGS有关 N Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 MOS 晶体管晶体管 = DSTGSTGS N TGSDS DS DSTGSN TGS DS VVVVV K VVV V VVVK VV I 0,)( 2 0, 2 )( 0,0 2 2 载止区 线性区 饱和区 = L W t K ox n N 其中为跨导系数 IDS和哪些参数有关？ GS DS m V I g = 引入跨导衡量MOS器件的 增益 )()( )( TGSNm DSNm VVKg VKg = = 饱和 线性 线性区 饱和区 Fundamentals of IC Analysis and Design(2) 材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 JFET（junction gate field-effect transistor ） p nn源漏 栅 耗尽层 IDS VDS 按VGS=0时，沟道的开启情况，JFET同样可分为常开型（耗尽型）和常关型