晶体管基础知识.doc

前言集成电路只有在高倍放大的情况下才能看到它的真面目。它的表面到处是错综复杂的细微的连线，而在这下面则是同样错综复杂的掺杂硅的图形，所有这些都是按照一套称作layout的蓝图做出来的。模拟和混合信号集成电路的layout很难做到自动化。每个多边形的shape和placement都需要对器件物理，半导体制造和电路理论的深刻理解。尽管已经有30年的研究了，但仍旧有许多不确定性。这些知识分布在艰涩难懂的期刊文章和未出版的手稿里。本书则把这些知识整体统一串连了起来。原本这本书是打算写给LAYOUT设计师看的，同时它也适合那些希望更好的理解电路和LAYOUT之间关系的电路设计师。由于本书拥有大量的读者，特别是那些对于高等数学和固体物理学不是很精通的人，所以本书尽量降低了数学运算，并使用了最普遍使用的变量和单位。读者只要会基本代数和基本的电子学就可以。书中的练习假定读者能使用LAYOUT编辑软件，不过即使没有，大部分习题还是能用笔和纸完成的。本书有14章和5篇附录。前2章是对器件物理学和半导体工艺的一个整体概括。在这2章里，简单的文字解释和图形模型代替了数学推导。第3章是关于3种原型工艺：标准BIPOLAR, SILICON-GATE CMOS和ANALOG BICOMS。 重点将放在截面图和这些截面图与样品器件的传统layout之间的相互关系。第4章着重讨论了LAYOUT在决定可靠性方面的作用和通常的失效机制。第5和6章则是电阻和电容的LAYOUT。第7章以电阻和电容为例讨论了匹配的原理。第8章到第10章是BIPOLAR器件的LAYOUT，而第11，12章有关场效应管的LAYOUT和匹配。第13，14章讨论了一些更深入的话题，包括器件合并，GUARD RINGS，ESD保护结构和FLOORPLANNING。附录则包含缩写表，MILLER指数的讨论，习题中需要的样例LAYOUT规则和书中使用的公式的推导。 Alan Hastings致谢本书中的信息有赖于许许多多科学家，工程师和技术人员的辛勤工作，但他们大多数并未意识到，因为他们的工作经验并没有被出版。我尽力对书中用到的基本发现和原理做了参考书目，但也有很多情况我不能找到源出处。感谢我的德州仪器同事们给我的数不清的建议。特别感谢KEN BELL, WALTER BUCKSCH, LOU HUTTER, CLIF JONES, JEFF SMITH, FRED TRAFTON, 和JOE TROGOLO，他们都对本书提供了重要的信息。我也同样感谢BOB BORDEN, NICOLAS SALAMINA, 和MING CHIANG，没有他们的鼓励我也不会完成本书。1 器件物理在1960年以前，大多数电子电路需要电子管来完成关键的放大和整流。一个普通的AM收音机需要5个电子管，而一台彩电至少需要20个。电子管很大，易碎而且昂贵。他们发出大量的热量而且不很可靠。只要电子学还在依赖电子管，制造需要成千上百万的主动器件的系统是基本不可能的。1947年BIPOLAR JUNCTION 晶体管的出现标志了固态革命的开始。这些新的器件很小，便宜，强壮且可靠。固态电路使便携晶体管收音机和助听器，石英手表和按键式电话，CD播放机和个人电脑成为了可能。 固态器件由表面掺入杂质的晶体组成。这些杂质改变了晶体的电特性，使它能放大或调制电信号。要想理解这些是怎么发生的，就需要具备一些器件物理方面的知识。本章不止包括基本的器件物理学还包括三种最重要的固态器件的工作方式：JUNCTION二极管，BIPOLAR晶体管和场效应管。第2章阐述了用来生产这些和其他固态器件的生产工艺。1.1半导体本书的内封面是一张完整的元素周期表。其中的元素按照性质的相似性组成行和列。元素周期表的左边的元素被称为金属，而那些在右边的元素被成为非金属。金属通常是热和电的良导体。他们可延展且有金属光泽。非金属是热和电的不良导体，那些固体非金属易碎且没有金属光泽。元素周期表中间的一些元素，比如硅和锗，他们的电气特性介于金属和非金属之间。这些元素被称为半导体。金属，半导体和非金属之间的差别是由他们的原子的电子结构决定的。每一个原子由带正电的原子核和包围核子的电子云组成。电子云中的电子数目等于原子核中的质子数目，也等于该元素的原子序数。因此一个碳原子有6个电子因为碳在元素周期表中的原子序数是6。这些电子占据了一系列的跟洋葱的层有些相似的SHELLS。随着电子的增加，SHELL以从最里面到外面的方向被填充。最外面的或称为valence SHELL可以是不完全填充的。在最外面SHELL中的电子被称为价电子。元素的价电子的数目决定了它的大部分的化学和电特性。元素周期表中的每一行就代表了一个SHELL的填充情况。最左边的元素有一个价电子，而最右边的元素则把valence shell充满了。Valence shell充满的原子有特别的结构。那些valence shell未充满的原子会共用电子，那么他们也就有了完全充满的SHELL。共用电子的原子之间因为静电吸引而形成了一种化学键。根据填充valence shell使用的不同的方法，一共有3种键。金属元素原子，比如钠，他们之间形成的是金属键。想象一下一组靠的很近的钠原子。每一个原子都有一个围绕填充满的内SHELL旋转的价电子。假设所有的钠原子都丢弃了他们的价电子。被丢弃的电子始终被带正电的钠原子吸引着，但由于现在每个原子都有了一个充满的valence shell，没有原子会接收这些电子。图1.1A是简化的钠晶体。静电力使钠原子处于一个常规结构。被丢弃的价电子能在晶体里自由移动。由于金属钠拥有无数的自由电子所以它是极好的电导体。（1 一些金属是用空穴而不是电子来导电的，但本书中的结论仍旧可以应用。）同样也是这些电子导致了他们表现出来的金属光泽和高的热传导率。其他金属也有相似的晶体结构，他们都是靠价电子和带正电的原子核结构之间的金属键保持在一起。图1.1不同化学键的简图：钠晶体的金属键（A），氯化钠的离子键（B），和氯分子的共价键（C）。金属和非金属之间形成的是离子键。想象一下一对靠的很近的钠原子和氯原子。钠原子有一个价电子，而氯原子正好缺一个电子来形成一个充满的valence shell。钠原子可以把自己的一个电子给氯原子，这样大家都有了充满的外层SHELLS。交换之后，钠原子带正电，氯原子带负电。这两个带电的原子（或离子）互相吸引。这样处于结构中的钠离子和氯离子就形成了固体氯化钠晶体（图1.1B）。晶体状的氯化钠是电的不良导体，因为它所有的电子都被束缚在不同原子的SHELLS里了。非金属元素原子之间形成的是共价键。想象一下两个靠的很近的氯原子。每个原子有7个价电子，而充满它的valence shell需要8个电子。假设每个原子都捐献一个价电子形成一对公用电子对，那么每个氯原子就有8个价电子了：6个它自己的，加上2个共用的电子。两个氯原子靠他们之间的共用电子对形成了一个分子（图1.1C）。共用电子对形成了共价键。缺少自由价电子就是非金属元素为什么不导电和没有金属光泽的原因。许多非金属在室温下气体，因为这些电中性的分子不能互相吸引，也因此不能称为液体或固体。半导体原子之间也是共价键。试讨论一下硅原子，一种典型的半导体。每个原子有4个价电子，为了形成valence shell它还需要4个电子。两个硅原子理论上能共用他们的价电子来充满SHELLS。实际上这不会发生，因为8个互相捆在一起的电子会互相排斥。相反，每个硅原子和它周围的4个硅原子共用一个电子对。通过这个方法，价电子分散到4个不同的地方且他们之间互相的排斥最小。图1.2 是简化的硅晶体图。每个小圆圈代表一个硅原子。圆圈之间的每根线代表了一对共用价电子形成的共价键。这样每个硅原子有了8个电子（4对共用电子对），所以每个原子都有了充满的valence shells。这些原子靠他们之间的共价键形成了分子网络。这些无数的格子代表了硅晶体的结构。整个晶体就是一个分子，因此晶体状的硅很坚固很硬，且它的熔点很高。硅通常来说是电的不良导体因为它所有的价电子都用来形成晶体结构。图1.2硅晶体的简化二维图。理论上第4组中的元素，包括碳，硅，锗，锡和铅（2 。第3，4，5和6组的元素在完整的元素周期表的列III-B,IV-B,V-B和 VI-B中。第2组的元素在列II-A或II-B中。A/B数字系统是个历史问题，国际理论和应用化学联合会（IUPAC）已经建议放弃使用；参见J.Hudson, The History of Chemistry(New York: Chapman and Hall,1992),pp.122-137.）都能形成相似的大分子晶体。碳，作为钻石的形式，在第4组元素中有最强的键。钻石晶体以它的强度和硬度而闻名。硅和锗的键稍微弱一点，due to the presence of filled inner shells that partially shield the valence electrons from the nucleus.由于众多的内部SHELLS锡和铅的的键就更弱了；他们通常形成金属键晶体而不是共价键大分子。在第4组元素中，只有硅和锗有中等强度的键。这两种元素才是真正的半导体，而碳是非金属，锡和铅都是金属。1.1.1产生和复合第4组的元素的导电能力随着原子序数的增加而增加。碳在钻石的情况下是一个真正的绝缘体。硅和锗导电能力稍微高一点，但他们相对于金属比如锡和铅仍旧差很多。由于他们的介于中间的导电能力，所以硅和锗被称为半导体。有导电能力就意味着有自有电子。为了能导电，半导体至少要有些价电子能逃逸出来。实验也确实证明在纯硅和锗中有很小但可测量的自由电子浓度。自由电子的存在表示有某种途径提供了打破共价键所需的能量。热力学统计原理认为这个能量来自于晶体结构中的随机热运动。尽管一个电子的平均热能相对来说很小（小于0.1电子伏特）这些能量也是随机分布的，但大量的电子就拥有了大量的能量。价电子脱离晶体结构的所需的能量称为bandgap energy. 有高bandgap energy的物质有强的共价键，应此有更少的自由电子。有低bandgap energy的物质有更多的自由电子相应的有更好的导电能力。（表1.1）。表1.1 第4组元素的部分性质。当电子逃逸出结构时就产生了一个空缺。原来拥有满的OUTER SHELL的原子现在缺了一个价电子，因此带正电。图1.3是这种情况的简单图示。离子化的原子如果能从邻近的原子捕获一个电子的话，那么它又能回到满VALENCE SHELL的状态。这个很容易做到，因为它还和邻近的3个原子共享电子。但这个电子空缺却没有消除；它只不过是移到了邻近的另一个原子。随着空缺在不同的原子之间转移，它就好像在晶体结构中移动一样。这个能移动的电子空缺就被称为空穴。图1.3 本征硅中热运动。假设在晶体上有一个电场。带负电的自有电子向晶体电场上电位高的方向移动。空穴就好像带了正电一样，向电场上电位低的方向移动。空穴的运动能看作为水中的气泡。就好像气泡是没水的地方一样，空穴是没有价电子的地方。气泡向上运动因为水是向下沉的。空穴往电位低的地方移动因为它周围的电子往电位高的地方移动。空穴通常被看作就好像他们是真正的亚原子粒子一样。空穴往电位低的方向移动被解释为空穴是带正电的。同样的，他们穿越晶体结构的移动速度的物理量被称为mobility。空穴的mobility比电子的低；在硅衬底中的典型值是空穴480cm2/V.sec，电子1350cm2/V.sec（4 Streetman，p.443.）。空穴的低mobility使他们成为了低效率的电荷载流子。因此一个器件的表现主要看它的运作是涉及到空穴还是电子。只要有价电子从晶体结构中逃逸出来，就产生一个自由电子和一个空穴。他们都带电且在电场的影响下运动。电子往高电位移动，产生电子流。空穴往低电位移动，产生一个空穴流。总的电流等于电子流和空穴流之和。由于空穴和电子在运送电荷方面的作用，他们都被称为载流子。由于价电子逃逸出晶体结构的同时产生了空穴，所以载流子是成对产生的。只要有能量被晶体结构吸收，就有电子空穴对产生。除了热运动，光，放射性辐射，电子撞击，快速加热，机械摩擦和许许多多其他方法都能产生载流子。举例来说，波长够短的光就能产生电子空穴对。当晶体结构吸收了一个光子后，最终的能量转移就打破了共价键，产生了一个自由电子和一个自由空穴。只有在光子有足够的能量打破键的情况下，这种光学作用才会产生，这反过来要求该光的波长要足够短。可见光可以在大多数的半导体中产生电子空穴对。太阳能电池就是利用这种现象把光转化为电流的。光电池和固态摄像探测器也使用了该光学原理。载流子是成对产生的，同样他们也是成对复合的。载流子复合的真正机制和半导体的本质有关。在direct-bandgap半导体中，复合特别简单。当电子和空穴碰撞时，电子就掉进了空穴里，被打破的共价键也就修好了。电子获得的能量作为光子辐射出去。（图1.4A）.当在合适的激励下，direct-bandgap 半导体能发光。发光二极管(LED)靠电子空穴复合来发光。制作LED的半导体的bandgap energy决定了LED发出的光的颜色。同样的，用来制造黑暗中发光的画和塑料的磷也含有direct-bandgap半导体。磷一遇到光就会产生电子空穴对。渐渐的在磷里面就积累了大量的电子和空穴。这些载流子的缓慢的复合过程就引起了发光。硅和锗是indirect-bandgap半导体。在这些半导体里，电子和空穴的碰撞不会产生复合。电子可能立刻掉进空穴里，但量子机械因素会阻止光子的产生。由于电子不能散发出过剩的能量，它又立刻从晶体结构中被弹了出来，这样一来电子空穴对就又形成了。在indirect-bandgap半导体中，复合只在晶体结构中特定的地方发生，这个地方称为traps，在这个地方，外来的原子破坏了晶体结构。（图1.4B）。Trap能很快地捕捉到一个路过的载流子。被捕捉到的载流子很容易复合，因为trap能吸收被释放的能量。图1.4 复合过程原理图：（A）直接复合中，一个光子产生一个空穴h和一个电子e，他们碰撞后又放射出一个光子；（B）间接复合中载流子被trap，T，捕捉到，在trap site中发生复合，并放射出热，。帮助载流子复合的traps被称为复合中心。半导体中的复合中心越多，载流子产生和复合之间所需的平均时间就越短。这个被称为载流子生命期的量就决定了一个半导体器件开关的速度。有时为了提高开关速度，复合中心就被故意添加到半导体里。金原子在硅里能形成高效的复合中心，所以高速二极管和晶体管有时是使用含有少量金元素的硅制成的。金不是唯一能形成复合中心的元素。许多过渡金属比如铁和镍有相似的（如果没有金有效的话）效果。一些晶体缺陷也能作为复合中心。为了保证稳定的电学性能，固态器件必须由非常纯的单晶物质制造。1.1.2掺杂半导体半导体的导电能力取决于他们的纯度。完全纯净或本征半导体的导电能力很低，因为他们只含有很少的热运动产生的载流子。某种杂质的添加能极大的增加载流子的数目。这些掺杂质的半导体能接近金属的导电能力。轻掺杂的半导体可能在每十亿中只有一小部分。由于在硅中杂质的有限的固体溶解性，即使重掺杂的半导体每百万中也只有几百个杂质而已。由于半导体对于杂质的极度敏感性，很难制造真正的本征物质。因此实际上半导体器件几乎都是由掺杂物质制造的。掺有磷的半导体就是一种掺杂半导体。假设硅晶体中已掺入少量的磷。磷原子进入了原本该由硅原子占有的晶体结构中的位置（图1.5）。磷，作为第5组元素，由5个价电子。磷原子共享了4个价电子给它周围的4个硅原子。4对电子对给了磷原子8个共享的电子。加上还有1个未共享的电子，一共由9个价电子。由于valence shell只能容纳8个电子，再也放不下第9个电子。这个电子就被磷原子抛了出来，自由地游荡在晶体结构中。每个添加进硅晶体结构中的磷原子能产生一个自由电子。图1.5 掺磷硅的简化晶体结构。由于第9个电子的丢失，磷原子带正电。尽管这个原子离子化了，但它没有产生空穴。空穴是由满的valence shell中的电子的离开而产生的电子空缺。尽管磷原子带正电，但它有满的valence shell。因此离子化的磷原子带的电荷是不可移动的。其他第5组的元素有和磷相同的效果。每个加入到晶体结构中的第5组的元素都会产生一个自由电子。因此以这种方式捐赠电子给半导体的元素被称为donors。砷，锑和磷在半导体工艺中被作为硅的donors。在掺入大量的donors的半导体中占有优势的电子作为载流子。由于热运动产生的空穴还是有的，但他们的数量由于有大量的电子而减少。因为大量的电子增加了空穴捕获电子而复合的可能性。在N型硅中的大量的自由电子极大地增加了它的导电能力（并且极大地降低了它的电阻）。掺入donors的半导体称作N型。重掺杂的N型硅有时也被标记为N+，轻掺杂的N型硅被标记为N。加号和减号象征了donors的相对数目，而不是电荷。在N型硅中由于电子的数目非常大，他们被称为多数载流子。相似的，空穴在N型硅中被称为少数载流子。严格来说，本征半导体没有多数载流子也没有少数载流子，因为他们两种的数目是相等的。掺硼的硅形成了另一种掺杂半导体。假设硅晶体结构中掺入了少量的硼原子（图1.6）。作为第3组的元素，硼有3个价电子。硼原子和它周围的4个硅原子共享价电子，但，由于它只有3个，它不能形成第4个键。结果，硼原子只有7个价电子。由此而形成的电子空缺就变成了一个空穴。这个空穴是可移动的，很快它就离开了硼原子。一旦空穴离开后，硼原子就由于在valence shell中多出来的一个电子而带负电。跟磷的情况一样，这个电荷是不可移动的，而且对导电能力没有影响。每个加入到硅中的硼原子能产生一个可移动的空穴。图1.6掺硼硅的简化晶体结构。其他的第3组的元素也能接受电子并产生空穴。技术困难阻止了其他第3组元素在硅的生产中的应用。但是，铟有时用来掺入锗。用作杂质的任何第3组元素都会从邻近的原子那里接受电子，所以这些元素被称为acceptors。掺有acceptors的半导体是P型的。重掺杂的P型硅有时被标记为P+，轻掺杂的P型硅被标记为P。在P型硅中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。表1.2总结了一些描述掺杂半导体的术语。表1.2 半导体术语。半导体能同时掺入acceptors和donors。量大的杂质决定了硅的型号和载流子的浓度。因此能通过加入更多的donors来把P型半导体转换为N型半导体。同样的，也能通过加入更多的acceptors来把N型半导体转换为P型半导体。故意添加对立极性的杂质来转换半导体的型号被称为counterdoping。大多数现代的半导体是用有选择性的counterdoping硅来制作的，来形成一系列的P-和N-型区域。下一章会更多的讨论这些实际操作。如果采用极端的couterdoping，整个晶体结构将由相同比例的acceptor和donor原子组成。这两种原子的数目将会完全相等。最终的晶体只有很少的载流子，并表现为一个本征半导体。这种复合半导体确实存在。最熟悉的例子就是砷化镓，它是一种镓（第3组元素）和砷（第5组元素）的化合物。这种物质被称为III-V复合半导体。他们不仅有砷化镓，还有磷化镓，锑化铟和其他许多。许多III-V化合物是direct-bandgap半导体，有些被用来生产发光二极管和半导体激光。砷化镓也被用来生产非常高速的固态器件，包括集成电路。II-VI复合半导体由第2组和第6组元素的同比列混合物组成。硫化镉就是一种典型的用来生产光敏元件的II-VI化合物。其他II-VI化合物被用作阴极射线管中的磷。最后一种半导体包括IV-IV化合物，比如碳化硅，最近被小范围用来生产蓝光LEDs。在所有的半导体中，只有硅有大批量，低成本生产集成电路的所需的物理特性。绝大多数固态器件是用硅生产的，其他半导体则只有很小的市场份额。因此本章的剩余部分将集中于硅集成电路。1.1.3. 扩散和漂移载流子在硅晶体中的运动最终形成了两种单独的过程：扩散和漂移。扩散是载流子在任何时候任何地点都会发生的一种随机运动，而漂移是载流子在电场作用下的一种单向运动。这两种过程形成了半导体中的传导。扩散很像布朗运动。单独的载流子在半导体中运动直到他们撞上晶体结构中的原子。碰撞的过程把载流子抛向不可预测的角度。经过几次碰撞后，载流子的运动成为了完完全全的随机状态。载流子漫无目的地到处乱逛，就像喝醉了的人走路（图1.7A）。图1.7 电子导电机制的比较：扩散（A）和扩散形成后的漂移（B）。注意电子是往正电位移动的。载流子在半导体中的扩散类似于染料分子在静水中的扩散。当一滴很浓的颜料掉进水里时，起初所有的颜料分子只占有一小部分液体。渐渐的分子从高浓度的地方扩散到低浓度的地方。最终颜料均匀地扩散到了溶液的每一个地方。类似的，载流子在浓度梯度上的扩散产生了一个扩散电流。除非通过某种方法不停的加入更多的载流子，最终扩散将均匀地遍布到硅中的每一个地方，扩散电流也衰减了。载流子在电场的作用下的运动叫做漂移。尽管载流子还是会和晶体结构中的原子碰撞并像个醉汉一样随机运动，它渐渐地往一个方向漂移(图1.7B)。这个微小的偏向是电场作用的效果。不管载流子往什么方向运动，电场总是不屈不挠地作用在它上面。如果载流子往电场相反地方向运动，它的运动就会被减速；如果它是顺着电场运动，它会被加速。频繁的碰撞阻止了载流子的高速运动，但形成了一个总体上很微小的运动。电子往高电位运动即使它很慢又不规律。空穴往低电位运动。类似于钢球在pinball机器里的漂移运动。尽管缓冲器和钉子会使球转向任何方向，板子的倾斜最终使它向下运动。同样的，电场使载流子往一个特定的方向运动，产生了一个漂移电流。1.2 PN结均匀掺杂的半导体只有很少的应用。几乎所有的固态器件都是由多个P型和N型区域组合而成。P型和N型区域之间的交界面就被称为PN结，或简单的称为结。图1.8A中是两片硅。左边是一块P型硅，右边则是一块N型硅。只要他们之间没有接触就没有结。每块硅里都有均匀分布的载流子。P型硅里有大量的多数载流子空穴和一些电子，而N型硅里有大量的多数载流子电子和一些空穴。图1.8 硅中载流子在结形成前（A）和形成后（B）的分布。现在，假设这两块硅互相接触而形成一个结。连接之后没有对载流子运动有影响的物理障碍。在P型硅中就有大量过剩的空穴，而在N型硅中有大量过剩的电子。一些空穴就从P型硅中扩散到了N型硅中。一样的，也有一些电子从N型硅中扩散到了P型硅中。图1.8B就是扩散后的结果。许多载流子沿着结往两个方向扩散。两边的少数载流子的浓度都上升到超过靠单独掺杂能达到的水平。沿着结由扩散所造成的过剩的少数载流子被称为过剩少数载流子浓度。1.2.1.耗尽区结两边过剩的少数载流子有2个效应。第一个，载流子建立了一个电场。N型硅中过剩的空穴使它带正电，P型硅中过剩的电子则使它带负电。这样就沿着PN结建立了一个N区高电位，P区低电位的电场。当载流子沿着结扩散时，同时产生了同等数量的离子化的杂质原子。这些原子都固定在晶体结构中，不能移动。在结的P区都是离子化后带负电的acceptors。在结的N区都是离子化后带正电的donors。这样就又建立了一个N区高电位，P区低电位的电场。这个电场会和由载流子建立的电场叠加起来。载流子在电场里有漂移的趋势。空穴被吸引到结的低电位的P区。同样的，电子被吸引到结的高电位的N区。载流子的漂移和它的扩散形成了对立。从结的P区扩散到N区的空穴又被漂移了回去。从结的N区扩散到P区的电子也被漂移了回去。当扩散电流和漂移电流大小相等，方向相反时，平衡就建立了。随着沿着结的电压达到平衡，结两边的过剩少数载流子浓度也达到了一个平衡值。平衡时沿着PN结的电压差就是它的内电压，或接触电压。在一个典型的硅PN结中，内电压的值从零点几伏到1伏。重掺杂的结的内电压比轻掺杂的结的大。由于重掺杂时，会有更多的载流子沿着重掺杂的结扩散，所以扩散电流就更大。为了能达到平衡，就需要一个更大的漂移电流，这样就形成了一个更强的电场。所以重掺杂的结的内电压比轻掺杂的大。尽管内电压是真实存在的，但用电压表是测量不到的。这个难题能通过一个含有PN结和电压表的电路（图1.9）来解释。电压表的两个探针是金属，不是硅。金属探针和硅之间的接触点也能形成结，每个结也有它自己的接触电压。由于两个探针下的硅有不同的掺杂程度，因此两个接触点的接触电压是不同的。这两个接触电压之间的差值正好抵消掉了PN结的内电压，因此在外电路中没有电流。这个情况是注定的，不然的话只要有任何电流就意味着有一个免费的能量源，或某种永动机。内电场的抵消保证了在一个平衡的PN结中不会有能量泄漏出来，也就不可能违反热力学定律。图1.9不可能直接测量内电场的说明。接触电压V1和V3正好抵消了内电场V2。内电场有两个起因：分散的离子化的杂质原子和分散的带电荷的载流子。载流子可以自由移动，但杂质原子是固定在晶体结构中的。如果杂质原子能够移动的话，他们就会因为和载流子带相反的电荷而互相吸引。他们互相分开就是因为他们是被固定在晶体结构中的。被这些带电的原子占据的区域就形成了一个强电场。任何进入这个区域的载流子都必须快速通过，不然的话它会被电场清除出去。结果，这个区域就在任何时候都只有很少的载流子。因为有带电的杂质原子，这个区域有时也被叫做space charge layer。但通常，由于这里相对较低的载流子浓度，都叫它为耗尽区。如果耗尽区只有很少的载流子，那么过剩的少数载流子必定会在它两边堆积。图1.10图形化的表示了过剩少数载流子的分布情况。浓度梯度使得载流子扩散到超过结的电中性区。带电的载流子建立的电场又把他们推回到结。很快平衡就建立了，形成了像图1.10中的少数载流子的固定分布状态。图1.10 过剩少数载流子在PN结两边浓度是平衡的。PN结的特性总结如下：载流子沿着结的扩散在耗尽区的两边产生了过剩少数载流子浓度。分散的离子化杂质原子沿着耗尽区产生了一个电场。这个电场阻止多数载流子穿越耗尽区，那些穿越过的载流子最终也被电场退回到另一边。耗尽区的厚度和结两边的掺杂程度有关。如果两边都是轻掺杂，那么为了有足够的杂质原子来建立内电场就要在硅中有一个很厚的耗尽区。如果两边都是重掺杂，那么只要一个非常薄的耗尽区就能建立必须的电场。因此重掺杂的结有薄耗尽区而轻掺杂的结需要厚耗尽区。如果结的一边掺杂浓度比另一边大的多，那么轻掺杂区的耗尽区要厚的多。这种情况下，轻掺杂硅需要很厚的耗尽区来得到足够的离子化的杂质原子。而在重掺杂区只需要很薄的耗尽区就能得到用来平衡的离子化的杂质原子。图1.10就是结的N区比P区掺杂轻的情况。1.2.2.PN二极管PN结能用来作一个很有用的固态器件二极管。图1.11是简化了的PN二极管的结构图。就如它的名字一样，二极管有两个引线端。连往结的P区的称为阳极。另一个连到N区的称为阴极。这两个引线端用来连接二极管和电路。二极管的电路图符号中的箭头代表了阳极，垂线代表了阴极。二极管能做到几乎完美的由箭头指向的单向导电。图1.11 PN结二极管：简化结构（A）和标准电路图符号（B）。为了说明二极管是怎么工作的，想象一下一个可调电压源已经接到二极管上。如果电压源被设为0伏，二极管是零偏置。二极管零偏置时是没有电流的。如果二极管的阳极接电源的负极，阴极接电源的正极，那么二极管反向偏置。反向偏置的二极管只有很小的电流流过。如果二极管的阳极接电源的正极，阴极接电源的负极，那么二极管正向偏置。正向偏置的二极管有大电流流过。这正好与图形符号一致：电流顺着箭头流动，而不是逆着。单向导电的器件被叫做整流器。他们主要应用在电源，收音机和信号处理电路中。二极管的整流作用靠的是结。三种偏置情况都能通过适当的对载流子流经结的分析来解释。零偏置的情况特别简单，因为它和已经讨论过的平衡状态下的结是一样的。结中只有内电场。当二极管接入电路时，导线碰到硅所产生的接触电压正好抵消了结里面的内电场。因此在电路里没有电流。反向偏置的二极管也很容易解释。反向偏置使得N区的电位更高，而P区的电位更低。穿过结的电压就更大了，所以过剩的少数载流子持续不断的被推回去，多数载流子则被固定在他们原来所在的一边。结上增大的电压使两边更多的杂质原子离子化。所以随着反向偏置的增大耗尽区也在增大。正向偏置的结就有点复杂了。加在引线两端的电压和内电场是相反的。因此结上的电压下降了，耗尽区也变窄了。由电场引起的漂移电流也同时降低。越来越多的多数载流子能够顺利通过耗尽区。图1.12图示了载流子的整体流向：空穴从阳极注入到阴极（从左到右），而电子从阴极注入到阳极(从右到左)。在图示的二极管中，空穴电流超过了电子电流，因为阳极掺杂比阴极重，阳极的多数空穴比阴极的多数电子多。一旦这些载流子经过了结，他们就成为了少数载流子并和另一端的多数载流子复合。为了补充电中性的硅中的多数载流子，电流就从引线端流入了。这个图示非常简单，因为它只画出了二极管中载流子的总体流向。还有一些载流子在他们复合前就被电场推了回去。这些载流子对于二极管中的净电流没有影响，所以他们没有被画出来。同样的，少量的由热运动产生的能穿过结的少数载流子也没有画出来，因为他们在正向偏置的二极管的电流里只占很小一部分。图1.12 正向偏置的PN结中的载流子运动。正向偏置的二极管的电流和所加的电压指数相关（图1.13）。硅PN结在室温时大约需要0.6伏就可以导通了。（5 最广泛引用的值是0.7V，但实际上一个典型的集成电路基极发射极结在微安级的偏置25下的值是接近0.6V而不是0.7V）由于扩散是由载流子的热运动引起的，更高的温度就引起扩散电流指数级的上升。因此PN结的正向电流随着温度的上升也指数级的上升。另一种说法就是，为了维持硅PN结中稳定的电流所需的正向偏置电压以大约2mV/下降。图1.13也画出了当二极管反向偏置时的小电流。这个电流被称为反向导通或漏电流。漏电流是由硅中热运动产生的少数载流子引起的。加在反向偏置的二极管上的电场的方向和多数载流子的运动方向相反，但它帮助少数载流子的运动。反向偏置帮助少数载流子穿过结。因为在硅衬底中少数载流子的产生率基本上和电场无关，所以漏电流随着反向偏置的电压的变化不大。热运动随着温度上升而增加，所以漏电流和温度相关。在硅中，大约每升高8摄氏度漏电流就翻一倍。在很高的温度下，漏电流开始接近电路的工作电流。因为半导体器件的最高工作温度受限于漏电流。硅集成电路的最高结温度通常认为是150。（6 有在200工作的集成电路，但不是用标准的设计惯例的。参见 R.J. Widlar 和M. Yamatake, “Dynamic Safe-Area Protection for Power Transistors Employs Peak-Temperature Limiting,” IEEE J. Solid-State Circuits, SC-22, #1,1987,p.77-84.）图1.13 二极管导通特性曲线。为了看出25时不超过几微微安的反向饱和电流，电流轴被放大了。1.2.3. 肖特基二极管Rectifying 结也可以在半导体和金属之间形成。这样的结称作Schottky barriers. Schottky barrier 有点类似于PN结。比如，Schottky barriers能用来作肖特基二极管，它很像PN二极管。Schottky barriers 也可以在集成电路互连系统中的接触区域形成。某种物质的work function相当于从它之中去掉一个电子所需的能量。每种物质特有的work function取决于它的晶体结构和它的成分。当两种不同work function 的物质相互接触时，每种物质中的电子有不同初始能量。因此在这两种物质之间存在着电压差，称为接触电压。考虑一下PN结的情况。结两边的半导体有相同的晶体结构。PN结的接触电压，或它的内电场，只取决于掺杂情况。在Schottky barrier中，金属和半导体的不同的晶体结构对接触电压也有影响。当铝碰到轻掺杂的N型硅时一个典型的rectifying Schottky barrier就形成了(图1.14B)。为了平衡接触电压，载流子必须重新分布。电子从半导体扩散到金属，在那里他们堆积起来形成带负电的一个薄膜。硅中的电子的大量离开造成了一个由离子化的杂质原子形成区域耗尽区（图1.14A）。耗尽区的电场又把电子从金属拉回到半导体。只有当扩散电流和漂移电流相等时才建立平衡。现在沿着Schottky barrier的电压差就等于接触电压了。在Schottky barrier的半导体一边只有很少的少数载流子，所以肖特基二极管又称为多数载流子器件。图1.14 在Schottky barrier两边的过剩载流子浓度图（A）和相应的肖特基结构的截面图（B）。偏置情况下的肖特基二极管的表现可以用相似的分析方法。N型硅是二极管的阴极，而金属区是阳极。零偏置的肖特基二极管和前面分析的平衡状态下的Schottky barrier是一样的。反向偏置的肖特基二极管半导体端接正极，金属端接负极。最终外加的电压差加强了接触电压。为了平衡增加的电压差耗尽区也变宽了，最后平衡建立，二极管中只有很小的电流。正向偏置的肖特基二极管半导体端接负极，金属端接正极。沿着结的外加的电压差削弱了接触电压，耗尽区的宽度也变窄了。最终接触电压被完全抵消，在结的金属端试图建立了一个耗尽区。但金属区是导体，它不能支持一个电场，所以为了抵消外加电压的耗尽区也建立不起来。这个电压开始把电子沿着结从半导体推回到金属，二极管里就有了电流。肖特基二极管的电流电压特性和PN二极管的相似（图1.13）。肖特基二极管也有从金属注入半导体的少数载流子引起的漏电流。高温会加剧这种导通机制，它和PN二极管一样都有一个温度属性。尽管有许多相同，肖特基二极管和PN结二极管还是有一些本质区别的。由于肖特基二极管主要靠多数载流子来导通所以它是多数载流子器件。在大电流密度时，确实有一些空穴从金属流到半导体，但是这些只占总电流的一小部分。肖特基二极管不支持大量过剩的少数载流子。由于二极管的开关速度是过剩少数载流子复合所需时间的函数，所以肖特基二极管能快速开关。有些肖特基二极管的正向偏置电压比PN二极管的更低。更低的正向偏置电压和高效的开关使肖特基二极管非常有用。肖特基二极管也能用P型硅来做，但正向偏置电压通常非常低。这使得P型肖特基二极管漏电流相当厉害，所以很少使用。（7 举例来说，比较一下N型硅铂（0.85V）和P型硅铂（0.25V）在work function的差：R. S. Muller 和T. I. Kamins, Device Electronics for Integrated Circuits, 2nd ed. (New York: John Wiley 和Sons，1986)，p.157.）大多数实用的肖特基二极管是用轻掺杂的N型硅和一种称作silicides的物质合成的。这些物质是由硅和某种金属比如铂和钯化合而成的。Silicides有很稳定的work functions 因此形成的肖特基二极管有稳定和可重复的特性。1.2.4. 齐纳二极管在通常情况下，反向偏置的PN结中只有一个很小的电流。这个漏电流一直保持一个常数，直到反向电压超过某个特定的值，超过这个值之后PN结突然开始有大电流导通（图1.15）。这个突然的意义重大的反向导通就是反向击穿，如果没有一些外在的措施来限制电流的话，它可能导致器件的损坏。反向击穿通常设置了固态器件的最大工作电压。然而，如果采取适当的预防措施来限制电流的话，反向击穿的结能作为一个非常稳定的参考电压。图1.15 PN结二极管的反向击穿。导致反向击穿的一个机制是avalanche multiplication。考虑一个反向偏置的PN结。耗尽区随着偏置上升而加宽，但还不够快到阻止电场的加强。强大的电场加速了一些载流子以非常高的速度穿过耗尽区。当这些载流子碰撞到晶体中的原子时，他们撞击松的价电子且产生了额外的载流子。因为一个载流子能通过撞击来产生额外的成千上外的载流子就好像一个雪球能产生一场雪崩一样，所以这个过程叫avalanche multiplication。反向击穿的另一个机制是tunneling。Tunneling是一种量子机制过程，它能使粒子在不管有任何障碍存在时都能移动一小段距离。如果耗尽区足够薄，那么载流子就能靠tunneling跳跃过去。Tunneling电流主要取决于耗尽区宽度和结上的电压差。Tunneling引起的反向击穿称为齐纳击穿。结的反向击穿电压取决于耗尽区的宽度。耗尽区越宽需要越高的击穿电压。就如先前讨论的一样，掺杂的越轻，耗尽区越宽，击穿电压越高。当击穿电压低于5伏时，耗尽区太薄了，主要是齐纳击穿。当击穿电压高于5伏时，主要是雪崩击穿。设计出的主要工作于反向导通的状态的PN二极管根据占主导地位的工作机制分别称为齐纳二极管或雪崩二极管。齐纳二极管的击穿电压低于5伏，而雪崩二极管的击穿电压高于5伏。通常工程师们不管他们的工作原理都把他们称为齐纳管。因此主要靠雪崩击穿工作的7V齐纳管可能会使人迷惑不解。实际上，结的击穿电压不仅和它的掺杂特性有关还和它的几何形状有关。以上讨论分析了一种由两种均匀掺杂的半导体区域在一个平面相交的平面结。尽管有些真正的结近似这种理想情况，大多数结是弯曲的。曲率加强了电场，降低了击穿电压。曲率半径越小，击穿电压越低。这个效应对薄结的击穿电压由很大的影响。大多数肖特基二极管在金属硅交界面边缘有一个很明显的断层。电场强化能极大的降低肖特基二极管的测量击穿电压，除非有特别的措施能削弱Schottky barrier边缘的电场。图1.16是以上所讨论的所有的电路符号。PN结用一根直线代表阴极，而肖特基二极管和齐纳二极管则对阴极端做了一些修饰。在所有这些图例中，箭头的方向都表示了二极管正向偏置下的电流方向。在齐纳二极管中，这个箭头可能有些误导，因为齐纳管通常工作在反向偏置状态下。对于casual observer来说，这个符号出现时旁边应该再插入一句“方向反了”。图1.16 PN结，肖特基，和齐纳二极管的电路图符号。有些电路图符号中箭头是空心的或半个箭头。1.2.5. Ohmic Contacts为了把固态器件接入电路，金属和半导体之间就必须有contacts。这些contacts理论上应该是完美的导体，但实际上他们是有一点电阻的Ohmic contacts。跟rectifying contacts不一样，这些Ohmic contacts两个方向都可以很好的导电。如果半导体物质掺杂足够重的话，Schottky barrier也有Ohmic conduction的特性。掺杂原子的高浓度使耗尽区薄到载流子能很容易的隧道穿越它。不像普通的齐纳二极管，Ohmic contacts能在很低的电压下支持tunneling。由于载流子能有效的靠隧道穿越绕过Schottky barrier，rectification 就不会发生。如果Schottky barrier的接触电压能产生表面积累而不是表面耗尽的话，ohmic contact也能形成。在积累的情况下，在半导体的表面形成了一层薄的多数载流子层。在N型半导体中，这个层由过剩的电子组成。由于金属是导体，所以无法形成耗尽区。在金属的表面就形成一薄层的电荷来对抗硅中积累的载流子。由于Barrier两边都没有耗尽区，防止了contact的电压微分，且任何外加电压也会帮助载流子穿过结。因为载流子能往两个方向运动，所以这种Schottky barrier形成的是Ohmic contacts而不是整流后的一个方向。实际中，rectifying contacts出现在轻掺杂硅，ohmic contacts出现在重掺杂硅。Ohmic 导通的真正原理不重要，因为本质上所有的Ohmic contacts的表现都一样。只有当在contact下有一薄层重掺杂硅时轻掺杂硅区才能被ohmically contacted。如果一层重掺杂硅用来和某种适当的金属系统联合，就能得到低于50/m的接触电阻。在大多数应用中，这个电阻太小了，所以它可以被忽略。异相物质之间的任何结都有一个相当于物质work function之间差值的接触电压。这对ohmic contacts和PN结和rectifying Schottky bariers都成立。如果所有的contacts和结都保持在同样的温度，那么所有闭环周围的接触电压之和等于0。然而接触电压是温度的强函数。如果其中的一个结相对于其他结处于不同的温度下，接触电压就会有所漂移，且接触电压之和也不会再等于0。这个热电效应对集成电路设计重大的影响。图1.17是一个两边都接触铝的N型硅。如果在它的一头加热，由于两个接触电压之间的不匹配就会产生一个可测量的电压。这个电压通常是0.11.0V/（8 轻掺杂硅有比较高的Seebeck电压；这些值来自于Widlar,et al., p.79.）许多集成电路都需要在一毫伏或两毫伏之内的电压匹配，所以即使小温度差也足够导致电路故障。图1.17 如果两个接触端处于不同的温度，那么因为thermoelectric效应可以测量到一个净电压。1.3 双极型晶体管虽然二极管是很有用的器件，但它不能放大信号，几乎所有的电路都以某种方式要求放大信号。一种能放大信号的器件就是双极型晶体管（BJT）。图1.18是两种双极型晶体管的结构图。每个晶体管有3个半导体区，他们分别是发射极，基极和集电极。基极总是夹在发射极和集电极之间。NPN管由N型的发射极，P型的基极和N型的集电极组成。类似的，PNP管由P型的发射极，N型的基极和P型的集电极组成。在这些简图中，晶体管的每个区都是均匀掺杂的矩形硅。现代的双极型晶体管稍微有点不同，但工作原理还是一样的。图1.18中也画出了两种晶体管的电路符号。发射极上的箭头表明了发射极基极结正向偏置情况下电流的流向。虽然集电极和基极之间也有结，但在集电极上没有标上箭头。在图1.18简化的晶体管中，发射极基极结和集电极基极结看上去是一样的。看上去把集电极和发射极对调对器件没有什么影响。实际上，这两个结有不同的掺杂属性和几何形状，所以不能对调。发射极靠箭头和集电极区分开来。图1.18 NPN晶体管（A）和PNP晶体管（B）的电路图符号和结构图。双极型晶体管能看成是两个背靠背连起来的PN结。晶