b模拟集成电路设计基础

2025/7/251?集成电路设计根底?

山东大学信息学院刘志军2025/7/2522025/7/253

上次

第1章集成电路设计导论2025/7/254第2章集成电路材料、结构与理论2.1引言2.2集成电路材料2.3半导体根底知识2.4PN结与结型二极管2.5双极型晶体管2.6金属半导体场效应晶体管MESFET2.7MOS晶体管的根本结构与工作原理2025/7/2552.1引言

集成电路设计者的知识要求2025/7/2562025/7/2572.2集成电路材料

导体、半导体和绝缘体电气系统主要应用导体绝缘体集成电路制造应用导体半导体绝缘体2025/7/258集成电路制造所应用到的材料分类分类材料

电导率（S·cm-1）导体铝、金、钨、铜等金属，镍铬等合金105半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓等

10−22~10−14

绝缘体SiO2(二氧化硅)、SiON(氮氧化硅)、Si3N4(氮化硅)等

10−9~102

2025/7/259铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金

在集成电路工艺中的功能〔1〕构成低值电阻；〔2〕构成电容元件的极板；〔3〕构成电感元件的绕线；〔4〕构成传输线〔微带线和共面波导〕的导体结构；〔5〕与轻掺杂半导体构成肖特基结接触；〔6〕与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；〔7〕构成元器件之间的互连；〔8〕构成与外界焊接用的焊盘。2025/7/2510绝缘体SiO2、SiON、Si3N4等硅的氧化物和氮化物在集成电路工艺中的功能〔1〕构成电容的介质；〔2〕构成MOS〔金属-氧化物-半导体〕器件的栅绝缘层；〔3〕构成元件和互连线之间的横向隔离；〔4〕构成工艺层面之间的垂直向隔离；〔5〕构成防止外表机械损伤和化学污染的钝化层。2025/7/2511制作集成电路的硅、锗等都是晶体。胶等都是非晶。晶体中原子按一定的距离在空间有规律的排列。硅、锗均是四价元素，原子的最外层轨道上具有四个价电子。价电子不局限于单个原子，可以转移到相邻的原子上去，这种价电子共有化运动就形成了晶体中的共价键结构。2.3半导体根底知识

半导体的晶体结构2025/7/2512本征半导体是一种完全纯洁的、结构完整的半导体晶体。在热力学温度零度和没有外界能量激发时，由于价电子受到共价键的束缚，晶体中不存在自由运动的电子，半导体是不导电的。当温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子获得了足够的能量，跃迁到导带，成为自由电子。同时，在共价键中留下相同数量的空穴。空穴是半导体中特有的一种粒子〔带正电〕，与电子的电荷量相同。半导体中存在两种载流子：带＋q电荷的空穴和带－q电荷的自由电子。本征半导体2025/7/2513在本征半导体中掺入微量的杂质原子将会得到

杂质半导体杂质半导体的导电性能相对于本征半导体发生显著改变，由此制造出人们所期望的各种性能的半导体器件根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体可以分为

P型半导体

N型半导体

杂质半导体2025/7/2514本征半导体硅中掺入少量的3价元素，如硼、铝或铟等，就可以构成P型半导体。3价杂质的原子很容易接受价电子，所以称它为“受主杂质〞。在P型半导体中，空穴为多数载流子， 电子为少数载流子。P型半导体2025/7/2515本征半导体硅中掺入少量的5价元素，如磷、砷和锑等，就可以构成N型半导体。5价杂质的原子很容易释放出价电子，所以称它为“施主杂质〞。在N型半导体中，电子为多数载流子， 空穴为少数载流子。N型半导体2025/7/2516半导体的特性〔1〕〔1〕掺杂特性掺杂可明显改变半导体的电导率。如室温30℃时，在纯洁锗中掺入亿分之一的杂质，电导率会增加几百倍。掺杂可控制半导体的电导率，制造出各种不同的半导体器件。〔2〕热敏特性半导体受热时，其导电能力发生显著的变化。利用这种效应可制成热敏器件。另一方面热敏效应会使半导体的热稳定性下降，所以由半导体构成的电路中常采用温度补偿等措施。〔3〕光敏特性光照也可改变半导体的电导率，通常称之为半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器等。2025/7/2517半导体的特性〔2〕〔4〕利用金属与掺杂的半导体材料接触，可以形成肖特基二极管和MESFET〔金属-半导体场效应晶体管〕与HEMT〔高电子迁移率晶体管〕等器件。〔5〕对不同区域的半导体材料进行不同类型和浓度掺杂，可以形成PN结二极管、PIN型二极管〔这里I表示本征半导体〕和PNP、NPN等各类结型晶体管。〔6〕利用金属-氧化物-半导体结构，可以形成PMOS、NMOS和CMOS场效应晶体管。2025/7/25182.4PN结与结型二极管

PN结的形成

在完整的晶体上，利用掺杂方法使晶体内部形成相邻的P型半导体区和N型半导体区，在这两个区的交界面处就形成了以下图所示的PN结2025/7/2519平衡状态下的PN结

P区中的空穴向N区扩散，在P区中留下带负电荷的受主杂质离子；而N区中的电子向P区扩散，在N区中留下带正电荷的施主杂质离子。

由P区扩散到N区的空穴与N区的自由电子复合。同样，由N区扩散到P区的自由电子与P区内的空穴复合。于是在紧靠接触面两边形成了数值相等、符号相反的一层很薄的空间电荷区，称为耗尽层，这就是PN结。

2025/7/2520漂移运动和扩散运动〔1〕在耗尽区中正负离子形成了一个内建电场ε，方向从带正电的N区指向带负电的P区。这个电场阻止扩散运动继续进行，另方面将产生漂移运动，即进入空间电荷区的空穴在内建电场ε作用下向P区漂移，自由电子向N区漂移。2025/7/2521漂移运动和扩散运动〔2〕漂移运动和扩散运动方向相反。在开始扩散时，内建电场较小，阻止扩散的作用较小，扩散运动大于漂移运动。随着扩散运动的继续进行，内建电场不断增加，漂移运动不断增强，扩散运动不断减弱，最后扩散运动和漂移运动到达动态平衡，空间电荷区的宽度相对稳定下来，不再扩大，一般只有零点几微米至几微米。动态平衡时，扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反，流过PN结的总电流为零。2025/7/2522PN结型二极管的伏安特性

2025/7/2523结型半导体二极管方程

ID

二极管的电流IS

二极管的反向饱和电流,Q

电子电荷,VD二极管外加电压,

方向定义为P电极为正,N电极为负。K

波尔兹曼常数，T

绝对温度。

2025/7/2524PN结与二极管、双极型、MOS三极管的关系PN结是半导体器件的根本结构PN结存在于几乎所有种类的二极管、双极型三极管和MOS器件之中。2025/7/2525肖特基结二极管

金属与掺杂半导体接触形成的肖特基结二极管金属与半导体在交界处形成阻挡层，处于平衡态的阻挡层对外电路呈中性

肖特基结阻挡层具有类似PN结的伏-安特性基于GaAs〔砷化镓〕和InP〔磷化铟〕的MESFET和HEMT器件中，其金属栅极与沟道材料之间形成的结就属于肖特基结。2025/7/2526欧姆型接触

半导体元器件引出电极与半导体材料的接触也是一种金属-半导体结我们希望这些结具有双向低欧姆电阻值的导电特性，也就是说，这些结应当是欧姆型接触欧姆接触通过对接触区半导体的重掺杂来实现。理论根据是：通过对半导体材料重掺杂，使集中于半导体一侧的结〔金属中有更大量的自由电子〕变得如此之薄，以至于载流子可以容易地利用量子隧穿效应相对自由地传输。2025/7/25272.5双极型晶体管

双极型晶体管的根本结构在半导体的晶体中形成两个靠得很近的PN结可构成双极型晶体管。这两个PN结将半导体分成三个区域，它们的排列顺序可以是N-P-N或者P-N-P。前者我们称之为NPN晶体管，后者称之为PNP晶体管。三个区域分别称为发射区、基区和集电区，对应引出的电极分别称为发射极E、基极B和集电极C。E-B之间的PN结称为发射结，C-B之间的PN结称为集电结。2025/7/2528双极型晶体管的使用特点一般在制作时，发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区；基区做的很薄〔以微米甚至纳米计〕；集电结的面积大于发射结的面积。因此，在使用时E、C两个电极是不能交换的。2025/7/2529双极型晶体管原理图及符号

2025/7/2530双极型晶体管的四种运用状态发射结集电结工作状态1正偏反偏放大2正偏正偏饱和3反偏反偏截止4反偏正偏反向2025/7/2531放大工作状态下双极型晶体管的电流分配

高掺杂发射区的大量电子注入到基区，形成电子电流IE注入到基区的电子，成为基区的非平衡少子，继续向集电结方向扩散在扩散的过程中，有少局部的电子与基区中的多子空穴复合、形成基极复合电流IB大局部电子到达集电结边界，并在集电结电场吸引作用下，漂移到集电区形成集电极电子电流IC

电流放大倍数：F=IC/IB2025/7/25322.6金属半导体场效应晶体管MESFET

在半绝缘

GaAs衬底上的N型GaAs薄层为有源层有源层上面两侧的金属层有源层形成源极和漏极的欧姆接触沟道中间区域上的金属层与有源层形成栅极的肖特基接触2025/7/2533增强型和耗尽型MESFET由于肖特基势垒的耗尽区延伸进入有源层，使得沟道的厚度变薄。根据零偏压情况下沟道夹断的状况,可形成两种类型的MESFET：增强型和耗尽型。对于增强型MESFET，由于内在电势形成的耗尽区延伸到有源区的下边界，沟道在零偏压情况下是断开的。而耗尽型MESFET的耗尽区只延伸到有源区的某一深度，沟道为在零偏压情况下是开启的。

2025/7/25342.7MOS晶体管的根本结构MOS〔金属-氧化物-半导体〕场效应晶体管，简称为MOS管，其核心结构是由导体、绝缘体与构成管子衬底的掺杂半导体这三层材料叠在一起形成的三明治结构这一结构的根本作用是：在半导体的外表感应出与原掺杂类型相反的载流子，形成一条导电沟道。根据形成导电沟道的载流子的类型，MOS管被分为NMOS和PMOS。2025/7/2535NMOS晶体管根本结构与电路符号2025/7/2536PMOS晶体管根本结构与电路符号2025/7/2537CMOS工艺所谓的CMOS那么表示这样一种工艺和电路，其中NMOS和PMOS两种类型的MOS管制作在同一芯片上形成的电路结构。2025/7/2538如果没有任何外加偏置电压，这时，从漏到源是两个背对背的二极管。它们之间所能流过的电流就是二极管的反向漏电流。在栅电极下没有导电沟道形成。如果把源漏和衬底接地，在栅上加一足够高的正电压，从静电学的观点看，这一正的栅电压将要排斥栅下的P型衬底中的可动的空穴电荷而吸引电子。电子在外表聚集到一定浓度时，栅下的P型层将变成N型层，即呈现反型层。N反型层与源漏两端的N型扩散层连通，就形成以电子为载流子的导电沟道。如果漏源之间有电位差，将有电流流过。外加在栅电极上的正电压越高，沟道区的电子浓度也越高，导电情况也越好。引起沟道区产生强外表反型的最小栅电压，称为阈值电压VT。NMOS晶体管的根本工作原理2025/7/2539增强型和耗尽型MOS器件根据阈值电压不同，常把MOS器件分成增强型和耗尽型两种器件。对于N沟MOS器件而言，将阈值电压VT＞0的器件称为增强型器件，阈值电