微电子概论与前沿技术 课件全套 第1-7章 概论-模拟集成电路

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Microelectronics微电子概论与新进展绪论篇目录234微电子技术发展历程集成电路分类与产业分工课程学习路径1课程介绍v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景3基本介绍一、课程介绍选用教材：《微电子概论》，郝

跃

贾新章

等，2011年《微电子概论与前沿技术》，王少熙

李

伟

汪钰成

吴玉潘，2025年课程考核平时分30%考试分70%课间点名（50%）课后作业（50%）基础知识（80%）创新设计（20%）汪钰成：副教授，硕导，新型神经形态电子器件及芯片热管理技术研究，第一/通讯作者发表SCI论文二十余篇，主持/参与教改项目两项，教学成果奖两项，校级一流课程一项v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景4为什么学微电子一、课程介绍技术基石性产业重要性职业前景性微电子是现代信息技术的基石微电子机械工程微机电系统光学工程光电子技术生物工程生物微电子柔性工程柔性电子学设计工程师（2024年）本科应届生（12-20万/年）硕士应届生（18-35万/年）博士应届生（30-55万/年）核心岗位（30-100万/年）目录234微电子技术发展历程集成电路分类与产业分工课程学习路径1课程介绍v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景6国外发展历程二、微电子技术发展历程世界第一只晶体管威廉·肖克莱等贝尔实验室诺贝尔物理学奖（1956年）电子管时代（1947年前）晶体管时代（1947-1958）世界第一块集成电路杰克·基尔比德克萨斯仪器（TI）诺贝尔物理学奖（2000年）集成电路时代（1958至今）序号国外技术进展1PN结和双极晶体管理论（肖克莱，1949年）2英特尔创始人提出“摩尔定律”（1965年）3第一块微处理器Inter4004（特德·霍夫，1971年）4第一块256KDRAM（贝尔实验室，1982年）序号国外技术进展5BiCMOS技术（日立，1986年）616MbDRAM（三星，1990年）71GbDRAM（IBM，1994年）845nmCPU工艺（Intel，2007年）v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景7国内发展历程二、微电子技术发展历程序号国内技术进展备注1中国第一只锗单晶（北京电子管厂，1956年）北京电子管厂（774厂，现京东方）2中国第一只锗合金高频晶体管（王守武/王守觉，1958年）应用于109乙计算机（109厂，现中科院微电子所）3中国第一只硅单晶（林兰英，1959年）比美国仅晚一年，且此时已与苏联决裂4中科院半导体所和河北半导体研究所成立（1963年）河北半导体研究所，现中电13所5平面光刻技术（黄昆等，1963年）应用于109丙计算机6中国第一批集成电路（王守觉，1965年）1平方厘米硅片电路，包含7个晶体管，1个二极管，7个电阻和6个电容7北京国营东光电工厂、上海无线电十九厂（1968-1970年）中国集成电路南北两强8四川固体电路研究所成立（1968年）固体电路研究所（现中电24所），中国唯一模拟集成电路研究所黄昆（1919-2005）王守武（1919-2014）林兰英（1918-2003）v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景8国内发展历程二、微电子技术发展历程序号国内技术进展备注9PMOS大规模集成电路（永川半导体研究所，1972年）比美国晚4年10第一块1KDRAM（王阳元，北京大学，1975年）比英特尔C1103晚5年11第一块4KDRAM（王守武，中科院半导体所，1978年）比美国晚6年12中国第一条中、大规模集成电路生产线（109厂，1980年）109厂，现中科院微电子所，王守武任厂长13国家缩减电子工业投入，引进代替研发盛行（80、90年代）日本逆袭美国，美国扶植韩国，中国受巴统技术研制，仅能引进落后设备14第一块256KDRAM（无锡华晶，1993年）比韩国落后七年，华晶后被华润收购15中国芯工程启动，“方舟一号”、“龙芯一号”、“众志863”、“汉芯一号”问世（2000年前后）方舟一号（方舟科技）、龙芯一号（中科院计算机所）、众志863（北大众志）、汉芯一号（上海交大微电子学院院长陈进，后被爆造假）16中芯国际（2005年）、长电科技（2014年）、南车株洲、紫光集团、长江存储（2016年）等先后成立数据来源：《历史进程里的中国半导体产业》目录234微电子技术发展历程集成电路分类与产业分工课程学习路径1课程介绍v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景10集成电路分类三、集成电路分类与产业分工微电子技术：一门研究在微小尺度（微米/纳米级）上设计、制造和集成半导体器件及集成电路（IC）的科学技术集成电路：俗称“芯片”，是一种将大量电子元件（如晶体管、电阻、电容等）集成到基片上的微型电子电路数字集成电路模拟集成电路信号源数字信号（离散信号）模拟信号（连续信号）核心原件逻辑门、触发器等放大器、滤波器等功耗特征动态功耗为主静态功耗与线性功耗并存典型应用CPU、GPU、FPGA等电源管理芯片、射频芯片功能结构数字集成电路

模拟集成电路数/模混合集成电路集成度SSI小规模1-100个MSI中规模100-1000个LSI大规模1000-10万VLSI超大规模10万-1亿ULSI特大规模1亿-10亿GSI极大规模10亿以上v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景11集成电路分类三、集成电路分类与产业分工制作工艺半导体集成电路膜集成电路半导体集成电路：将多个半导体器件整合到半导体基片上，实现各种电子功能膜集成电路：采用薄膜材料（金属氧化物等）作为基底，并在表面沉积或形成半导体器件，实现各种电子功能导电类型双极型集成电路单极型集成电路双极型集成电路：依赖于电子和空穴两种载流子（双极）共同参与导电，如晶体管-晶体管逻辑（TTL）电路，发射极耦合逻辑（ECL）电路等单极型集成电路：依赖于一种载流子导电，如互补金属半导体场效应晶体管（CMOSFET）集成电路应用领域通用集成电路专用集成电路通用集成电路：面向广泛市场设计，可适配多种场景的标准化芯片，如微处理器、存储器、功率放大器等专用集成电路：为特殊场景定制设计的芯片，功能与性能高度专业化，如航天级芯片等v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景12集成电路产业分工三、集成电路分类与产业分工上游设计中游制造下游封测三星华为海思英特尔展讯美光华大高通兆易创新英伟达瑞芯微台积电中芯国际三星华虹宏力英特尔sk海力士富士通长江存储力晶科技华力微EDA+IP半导体材料+设备+加工日月光晶方半导体美国安靠长电科技力成科技气派科技南茂科技华润安盛京元电子风华芯电半导体封装+测试v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景13晶圆制造三、集成电路分类与产业分工单晶硅制造拉单晶磨外圆切片倒角研磨抛光功能结构前道工艺后道工艺工艺定义拉单晶将高纯度多晶硅在石英坩埚中熔化，通过籽晶旋转提拉形成单晶硅棒磨外圆用金刚石砂轮将硅棒外圆研磨至标准直径（如300mm±0.2mm）切片用金刚石线锯将硅棒切割成0.5-1mm厚的硅片倒角用砂轮或化学机械法对硅片边缘进行圆弧化处理研磨通过机械研磨使硅片表面平坦化并控制厚度抛光通过化学腐蚀和机械研磨相结合的表面处理工艺，用于使硅片表面达到原子级平整度v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景14前道工艺三、集成电路分类与产业分工前道工艺扩散薄膜沉积光刻刻蚀离子注入CMP金属化重复若干次工艺定义扩散通过高温热处理（800°C~1200°C）将掺杂原子（如硼、磷）扩散到硅衬底中，形成特定电学特性的区域薄膜沉积在晶圆表面生长导电、绝缘或半导体材料薄膜，厚度从纳米到微米级光刻利用光敏胶（光刻胶）和掩膜版，通过曝光将电路图案转移到晶圆表面刻蚀选择性去除未被光刻胶保护的薄膜或硅衬底材料离子注入将高能掺杂离子注入硅衬底，改变局部电导特性化学机械抛光通过化学腐蚀与机械研磨使晶圆表面全局平坦化金属化沉积金属层并图案化，形成器件间互连线v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景15后道工艺三、集成电路分类与产业分工后道工艺背面减薄晶圆切割贴片引线键合模塑切筋终测工艺定义背面减薄通过机械研磨或化学蚀刻将晶圆背面减薄至50~200μm，以适应封装厚度要求晶圆切割用切割刀或激光将晶圆分割成独立芯片贴片将芯片粘贴到封装基板或引线框架上引线键合用金属导线连接芯片焊盘与封装引脚模塑将芯片与引线框架用环氧树脂封装成型切筋切除引线框架外框，并将引脚成形至标准尺寸终测对封装后的芯片进行功能与可靠性测试目录234微电子技术发展历程集成电路分类与产业分工课程学习路径1课程介绍v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景17课程目录四、课程学习路径微电子基础微电子实现微电子应用微电子基础绪论半导体器件基础目的：掌握半导体基础理论，熟悉常用半导体器件原理（2+4+4课时）半导体物理基础微电子实现半导体工艺模拟集成电路目的：掌握半导体制造工艺，熟悉数字/模拟集成电路基础（4+2+4+4课时）集成电路基础数字集成电路微电子应用新型材料与器件微电子与智能生物微电子与光电子微电子与航空航天目的：了解新型微电子技术，熟悉微电子在常用领域应用（2+2+2+2课时）v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景18定义题：给出如下名词的定义，如：光刻、引线键合、集成电路简答题1：描述后道工艺主要流程简答题2：集成电路按照集成度可以分为哪几类？简答题3：中国第一只锗合金高频晶体管是在哪一年由谁发明的？简答题4：同时能够进行芯片设计和加工制造的公司有哪些？五、思考题微电子学院School

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Microelectronics微电子概论与新进展半导体物理基础篇目录234半导体与能带理论载流子分布规律半导体输运1章节介绍v21西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景章节解析一、章节介绍半导体与能带理论载流子分布规律半导体输运半导体与能带理论半导体基本类型半导体的能带电子有效质量载流子统计分布电子/空穴浓度本征/杂质半导体漂移运动扩散运动连续性方程载流子分布规律半导体输运核心问题：什么是半导体？半导体的能带如何分布？核心问题：不同类型半导体的电子/空穴浓度计算与能带分布核心问题：半导体漂移扩散方程及两者关系能量框架驱动方式电流/电场反馈目录234半导体与能带理论载流子分布规律半导体输运1章节介绍v23西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景半导体基本介绍二、半导体与能带理论电导率绝缘体10-18~10-8半导体10-6~104导体106~108S/m半导体：半导体是一种电导率介于导体与绝缘体之间，且其导电性能可被外部条件显著调控的材料常见绝缘体：二氧化硅、三氧化二铝、金刚石常见半导体：硅、锗、砷化镓常见导体：金、银、铜历史发展第一代半导体第二代半导体第三代半导体代表半导体优势应用第一代硅、锗制备工艺成熟、自然界存储量大各类分立器件、集成电路、新能源第二代砷化镓、磷化铟电子迁移率高、光电性能优良高速、高频、大功率及光电器件第三代碳化硅、氮化镓高导热率、高电导率、耐高压半导体照明、电力电子器件、激光器第四代氧化镓、金刚石超款禁带半导体，更高热导率/电导率探测器、高功率射频器件v24西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景半导体晶体类型二、半导体与能带理论原子内部有序排列非晶体晶体多晶单晶晶粒：原子能在大范围内保持有序排列，这些有序化区域称为晶粒单晶：晶体中所有区域均为有序化区域，称为单晶体多晶：晶体中存在多个晶粒，称为多晶体非晶：通常仅在几个原子或分子的尺度内进行周期性的几何排列晶格：原子在三维的每一个方向上按照某种间隔规则周期性重复排列，这种表示原子周期性排列的空间架构称为晶格格点：晶格中的每个原子称为格点晶胞：构成晶格的最基本几何单元称为晶胞多晶体单晶体简立方晶胞体心立方晶胞面心立方晶胞v25西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景半导体晶格与价键二、半导体与能带理论金刚石晶胞与内部正四面体结构晶列：晶胞中任意两个原子之间的连线称为晶列r晶向：晶列的方向称为晶向，将pqs化为最简整数比，用[pqs]表示，如存在负值则将符号标记至数字正上方晶面：晶胞中任意三个不在同一晶列上的原子可以构成晶面，用晶面指数（mnl）表示，其中mnl为晶面到各坐标轴截距的倒数的最简整数比半导体的原子价键离子键共价键金属键离子键：原子失去电子会成为带正电荷的离子，而获得电子则形成带负电荷的离子。这两种相反电荷的离子通过库仑引力相互吸引，形成离子键，如Na-Cl共价键：原子间通过共用电子对形成的化学键称为共价键，如Si-Si金属键：所有原子共享多个自由移动的价电子称为金属键，如金属Nav26西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景电子能量二、半导体与能带理论电子能量孤立原子电子能量自由空间电子能量晶体电子能量经典原子理论（波尔）能级：将量子数n取不同正整数，可得一系列孤立原子的离散电子能量，称为能级能带：宏观角度来看，能级是“准连续的”，这种准连续能级组合形成能带允带：允许电子区域的每一个能带称为允带，完全填满（满带）和没有电子（空带）不导电，部分填满导电禁带：两个允带之间没有能级，不允许电子存在，称为禁带晶体中电子绝缘体半导体（T=0K)导体产生：电子从价带顶跃迁到导带底，在原位置留下空穴，逆过程则称为复合目录234半导体与能带理论载流子分布规律半导体输运1章节介绍v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景状态密度三、载流子分布规律电子能量E量子态Z载流子浓度N问题1：并不是每个能量都能和量子态一一对应，例如禁带中没有允许的量子态问题2：根据泡利不相容原理，每个量子态上最多容纳两个自旋方向相反的电子单位能量下量子态数量子态被电子占据几率单位能量下的量子态数称为状态密度令简立方k量子态密度为2V，体积为半径为k的球面积4πk2dk，那么dZ为带入晶体E-k关系可计算导带底状态密度为：简立方k空间量子态分布图v29西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景载流子统计分布三、载流子分布规律电子能量E量子态Z载流子浓度N单位能量下量子态数量子态被电子占据几率一个能量为E的量子态被一个电子占据的概率为T=0K时，若E＜Ef，则f(E)=1T=0K时，若E＞Ef，则f(E)=0表明能量低于费米能级Ef的量子态被电子占据的几率为1，即量子态被填满表明能量高于费米能级Ef的量子态被电子占据的几率为0，即量子态是空态T＞0K时，若E＜Ef，则f(E)＞0.5T＞0K时，若E＞Ef，则f(E)＜0.5表明能量低于费米能级Ef的量子态被电子占据的几率大于0.5表明能量高于费米能级Ef的量子态被电子占据的几率小于0.5费米能级：描述电子在绝对零度（0K）时的最高占据能级，反映了电子填充能态的概率分布若E-Ef＞＞k0T，此时费米分布函数（简并半导体）转化为玻尔兹曼分布函数（非简并半导体）v30西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景电子和空穴浓度三、载流子分布规律电子能量E量子态Z载流子浓度N单位能量下量子态数量子态被电子占据几率对于非简并半导体，能量E~E+dE的电子数dN为单位体积的电子数dn为两边进行积分，可得热平衡状态下非简并半导体导带电子浓度n0和价带空穴浓度p0，其中，Nc和Nv为导带/价带有效状态密度电子和空穴浓度乘积只和温度T、禁带宽度Eg相关，如果n0＞p0，称为N型半导体；反之则为P型半导体v31西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景本征与杂质半导体三、载流子分布规律载流子产生本征激发杂质电离本征激发：电子从价带激发到导带，同时在价带相应位置会产生空穴，这个过程称为本征激发本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体，此时n0=p0将n0和p0代入，可计算本征半导体费米能级Efi，对于硅、锗半导体，Efi基本在禁带中央v半导体杂质缺陷施主杂质受主杂质在半导体硅中掺入Ⅴ族元素磷P，每个磷原子会和周围的四个硅原子形成共价键，但仍然还有一个多余的电子，此时磷原子变成了一个正电中心施主杂质：电离时能够提供电子的杂质，未电离时电中性，称为束缚态/中性态，电离后称为正电中心，称为施主离化态施主电离：施主杂质释放电子的过程v32西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景本征与杂质半导体三、载流子分布规律半导体杂质缺陷施主杂质受主杂质在半导体硅中掺入Ⅲ族元素硼B，每个硼原子会和周围的四个硅原子形成共价键，因此需要从其他的硅原子中夺走一个电子，被夺走电子的硅原子就产生了一个空穴，而硼原子接收一个电子后变成了负电中心受主杂质：电离时能够提供空穴的杂质，未电离时电中性，称为束缚态/中性态，电离后称为负电中心，称为受主离化态受主电离：受主杂质释放空穴的过程电子占据施主能级的概率针对单一掺杂施主浓度为ND的杂质，施主能级电子浓度为电离的施主浓度为v33西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景本征与杂质半导体三、载流子分布规律空穴占据受主能级的概率针对单一掺杂受主浓度为NA的杂质，受主能级空穴浓度为电离的受主浓度为若Ef-EA＞＞k0T，pA+≈NA，说明当受主杂质远低于费米能级时，受主杂质全部电离若ED-Ef＞＞k0T，nD+≈ND，说明当施主杂质远高于费米能级时，施主杂质全部电离如果半导体同时含有施主杂质和受主杂质，则满足电中性条件目录234半导体与能带理论载流子分布规律半导体输运1章节介绍v35西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景载流子漂移运动四、半导体输运设半导体长度为d，横截面积为S，电阻率为ρ（电导率为σ），两端电压为V，半导体内部电场为E，有漂移电流密度J可表示为（欧姆定律）漂移电流密度J也可表示为迁移率：单位电场强度下电子的平均漂移速度将漂移电流密度用迁移率代替进去，可得电流密度、电导率关系：对于某均匀半导体，在电场作用下，电子和空穴的运动方向虽然相反，但是形成电流方向相同，因此总电流密度和电导率为载流子散射机制电离杂质散射晶格振动散射散射：实际中的载流子在半导体中运动时，会不断和电离杂质离子或热振动的晶格原子相互作用，即发生散射v36西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景载流子的散射四、半导体输运载流子散射机制电离杂质散射晶格振动散射电离杂质散射：在施主或受主杂质电离后，电离施主/受主周围会形成库仑势场，当半导体中载流子运动到电离杂质附近时，库仑引力使载流子运动的方向发生变化，这种现象称为电离杂质散射晶格振动散射：在一定的温度下，晶体中的原子会在各自的平衡位置附近做微弱的振动，载流子在晶体中移动时，可能会与这些振动相互作用，导致运动方向发生变化，称为晶格振动散射（声学波散射、光学波散射等）自由时间：载流子在半导体中受到散射作用，会在两次散射之间做加速运动，两次散射之间的时间称为自由时间假设N个电子以速度v沿着某个方向运动，N(t)为t时刻未被散射的电子数，散射几率为P，则当△t很小时，上述公式可以转化为因此，在t~t+dt时间内散射的电子数为载流子在该时间段内的平均自由时间为散射几率的倒数-v37西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景载流子的散射四、半导体输运N0个电子的平均漂移速度v是平均自由时间τ和加速度a的乘积根据迁移率的定义

可得迁移率μ载流子散射机制电离杂质散射晶格振动散射若存在多个散射共同作用，总散射几率P为各散射机制几率之和，因此迁移率和散射关系在高纯或低掺杂样品中，若掺杂浓度低于1017cm-3，则电离杂质散射可被忽略，此时T增加，μ降低随着掺杂浓度增加，电离杂质散射逐渐增强，低温时T增加，μ缓缓升高，但高温下晶格振动占主导，此时迁移率会逐渐降低--电阻率和掺杂关系在轻掺杂时，杂质全部电离，载流子浓度近似等于掺杂浓度，电阻率和掺杂浓度成反比掺杂浓度增加后，杂质不能全部电离，且μ随N增加而降低，因此电阻率和杂质浓度会偏移简单反比关系v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景载流子的散射四、半导体输运38在低温区间，本征激发可以忽略，杂质电离占主导地位，由于杂质电离程度随温度升高而增大，因此载流子浓度也随温度升高而增大。同时，电离杂质散射概率随温度升高而减小，因此迁移率会随着温度升高而增大，电阻率将会减小室温附近区间，杂质已经全部电离，本征激发仍然可以被忽略，因此载流子浓度基本不随温度变化，此时的散射机制主要为晶格振动散射（声学波散射）。散射概率随温度升高而增大，因此迁移率会随着温度升高而增大，电阻率将会增大高温区间，此时本征激发占主导地位，载流子浓度随温度升高而急剧增大。虽然此时的散射机制主要为晶格振动散射（声学波散射），但是迁移率随温度的减小程度远远不如载流子，因此总的电阻率将会减小电阻率和温度关系-v39西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景非平衡载流子四、半导体输运热平衡状态：系统处于无外部扰动（如无外加电压、光照、温度梯度等）且与环境完全热交换平衡的状态非平衡状态：系统受外部扰动（如外加电场、光照、载流子注入等）打破热平衡，导致载流子浓度偏离平衡值的状态非平衡载流子的光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子小注入：光注入的非平衡载流子浓度小于多子浓度，但是大于少子浓度，例如对于N型半导体非平衡载流子的寿命：停止外部扰动后，非平衡载流子的平均生存时间τ复合率：单位时间单位体积净复合消失的电子-空穴对数△p/τ假定一束光在一块N型半导体内部均匀地产生非平衡载流子，在t=0时停止光照，△p随时间推移逐渐降低，单位时间内非平衡载流子浓度减小数量为

该值应该等于复合率，即当t取τ时，△p(t)=△p0/e，因此非平衡载流子的寿命为载流子浓度衰减为1/e时所经历的时间v40西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景准费米能级与复合四、半导体输运半导体处于热平衡态时存在统一的费米能级，对于非简并半导体有当外界激励破坏了热平衡后，统一的费米能级不再适用，但是导带电子和价带空穴各自趋于局部的平衡状态，分别引入局部费米能级（准费米能级）当电子准费米能级Efn越靠近导带底Ec，非平衡电子浓度越高当空穴准费米能级Efp越靠近价带底Ev，非平衡空穴浓度越高半导体的非平衡载流子会不断复合，从而促成系统由非平衡向平衡态的转变复合过程直接复合间接复合复合位置表面复合体内复合复合能量发射光子发射声子俄歇复合v41西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景载流子的扩散运动四、半导体输运用适当波长的光去照射半导体表面，假设光在半导体表面薄层被吸收，产生大量的非平衡载流子，而半导体内部的非平衡载流子却很少，那么半导体表面非平衡载流子浓度要比内部高，引起非平衡载流子从半导体表面向内部扩散考虑一维情况，假定非平衡载流子浓度只随距离x变化，记为△p(x)，单位时间通过单位面积的粒子数称为扩散流密度Sp，该值和非平衡载流子浓度梯度成正比，令扩散系数Dp：描述物质在介质中扩散快慢的物理量，定义为单位浓度梯度下粒子通过单位面积的扩散通量，单位是cm2/s考虑非平衡载流子的扩散，单位时间、单位体积内积累的空穴数为在稳态下，上式等于单位时间、单位体积复合消失的空穴数，即

通解为考虑半导体足够厚，非平衡载流子未达到另一端就会全部复合，即x趋于∞，△p(x)=0，因此B=0考虑x=0时，△p(x)=△p0，可得

当衰减到原值的1/e时所扩散的距离恰巧等于Lp。因此，Lp标志着非平衡载流子深入半导体的平均距离，也称扩散长度v42西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景爱因斯坦关系四、半导体输运如果半导体中非平衡载流子浓度分布不均匀，同时又有外加电场的作用，那么总电流为扩散电流和漂移电流之和假设一个N型均匀半导体，沿水平方向施加均匀电场，从半导体最左边光注入载流子，空穴和电子总电流密度分别为：在热平衡态下，载流子漂移和扩散达到动态平衡，因此总电流密度为0半导体内部电场E计算公式为

，附加的电势会导致能带偏移，此时电子浓度修正为对上式两边求导

代入可得爱因斯坦关系单位时间、单位体积复合消失的空穴数量，是漂移、扩散、产生、复合的综合作用，构成连续性方程扩散漂移复合产生v43西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景作业名词解释：半导体、晶格、扩散长度、准费米能级等简答题1：迁移率和掺杂浓度、温度的关系是什么简答题2：复合过程按照释放能量的不同可以分为哪几类简答题3：什么是施主杂质，如何形成施主电离微电子学院School

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Microelectronics微电子概论与新进展半导体器件基础篇目录234PN结金半接触双极晶体管1章节介绍5金属-氧化物-半导体晶体管v46西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景章节解析一、章节介绍双极晶体管金半接触MOSFETPN结与金半接触PN结定义与参数金半接触理论肖特基二极管与PN结二极管基本结构工作原理非理想效应MOS电容能带MOSFET分类非理想效应双极晶体管MOSFET掌握知识：PN结和金-半接触基本知识掌握知识：双极晶体管基本结构、参数与特性掌握知识：金属-氧化物-半导体基本结构、参数与特性PN结目录目录234PN结金半接触双极晶体管1章节介绍5金属-氧化物-半导体晶体管v48西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景PN结定义二、PN结PN结：由P型半导体和N型半导体直接接触形成的界面结构空间电荷：在PN结形成后，交界处出现了电子和空穴浓度差。由于扩散作用，电子从N区流向P区，留下带正电荷的施主离子，空穴从P区流向N区，留下带负电荷的受主离子，称为空间电荷空间电荷区：空间电荷存在的区域称为空间电荷区，也叫耗尽层，空间电荷区会形成一个内建电场在PN结形成后，电子从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，因此N区费米能级不断下移空穴从费米能级低的P区流向费米能级高的N区，因此P区费米能级不断上移两者在中间相接，PN结达到热平衡状态（漂移和扩散动态平衡）中性区空间电荷区中性区v49西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景PN结参数计算二、PN结能带的弯曲是由费米能级差引起的，因此N区/P区电子浓度的计算公式由上式可计算在平衡状态下，考虑N区电子浓度为nn0=ND，P区浓度pp0=NA，有因此，最终内建电势差为PN结空间电荷区内泊松方程可表示为其中，xn和xp为空间电荷区N区和P区边界平衡状态下，根据电荷守恒

且空间电荷区宽度W为

内建电场分布电势分布v50西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景PN结参数计算二、PN结对空间电荷区泊松方程进行推导，可得平衡状态下PN空间电荷区电场分布为最大电场强度为内建电场分布电势分布单边突变结：PN结一侧的掺杂浓度远高于另一侧，对于P+N单边突变结，NA>>ND，对于PN+单边突变结ND>>NA对于P+N结，最大电场

空间电荷区宽度为

接触电势差为对于PN+结，最大电场

空间电荷区宽度为

接触电势差为平衡状态PN结接触电势差为空间电荷区宽度为v51西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景PN结伏安特性二、PN结

理想PN结伏安特性需要满足以下假设条件：小注入：注入的少子浓度比平衡状态的多子浓度小得多耗尽层近似：空间电荷区载流子全部耗尽，只存在离化杂质不考虑耗尽层中载流子产生与复合耗尽层边界载流子浓度分布满足玻尔兹曼分布伏安特性曲线对数坐标理想PN结伏安特性满足Is为PN结饱和电流若外加电压Va正偏，且qVa>>k0T时

此时电流随电压成指数增加若外加电压Va反偏

此时反向电流近似为常数，不随电压变化，呈饱和状态，这就是PN结的单向导电性v52西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景非平衡状态下的PN结二、PN结对PN结外加正向电压V后，内建电场强度削弱，势垒高度从平衡时qVeqd下降为q(Veqd-V)外加正向电压增强了扩散运动，减弱了漂移运动，使得扩散电流大于漂移电流。扩散运动导致P/N区内部多子向对方区域扩散，形成对方区域的非平衡少子，这种外加正向电压使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入对PN结外加反向电压V后，内建电场强度增强，势垒高度从平衡时qVeqd下降为q(Veqd+V)外加反向电压增强了漂移运动，减弱了扩散运动，使得漂移电流大于扩散电流。漂移运动导致P/N区内部多子向己方区域扩散，这种情况就像少子不断地被抽出来，所以也被称为少子的抽取或吸出正偏PN结能带变化图反偏PN结能带变化图正偏电流分布v53西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景非平衡状态PN参数计算二、PN结平衡态时空间电荷区宽度为

非平衡态时对于P+N结，空间电荷区宽度为

对于PN+结，空间电荷区宽度为空间电荷区单位面积总电荷量为

所以代入上式后

对电压微分，得到势垒电容C若为单边突变结，则空间电荷区电容

其中NB为单边突变结轻掺杂一测浓度v54西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景PN结的击穿二、PN结PN结击穿雪崩击穿（电击穿）隧道击穿（电击穿）热击穿PN结击穿曲线整流效应：PN结正向偏置导通，反向偏置截止的特性称为整流效应击穿：持续增加反偏电压，会导致PN反向电流密度会迅速变大击穿电压：PN结发生击穿时的临界反向电压，记作VBR当反向电压足够高时，耗尽层内的少子被强电场加速，获得足够动能撞击晶格原子，产生新的电子-空穴对。这些新载流子又被加速并继续碰撞，形成链式反应，导致反向电流雪崩式增长，也称为载流子的倍增效应载流子的倍增效应载流子的隧道击穿当PN结在反向电压下产生的大量电子会从价带穿过禁带直接进入导带，这种现象称为PN结的隧道效应，由隧道效应引起的PN结击穿称为隧道击穿，也称齐纳击穿掺杂浓度适中时，主要为雪崩击穿；掺杂浓度较高时，空间电荷区宽度较窄，反向电压较小会发生隧道击穿v55西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景PN结应用二、PN结PN结应用二极管光电池传感器整流二极管：利用PN结单向导电性，用于将交流电转化为直流电的半导体器件稳压二极管：利用PN结反向击穿时电压稳定不变特性的半导体器件，用于电路稳压变容二极管：利用PN结电容大小随外加电压变化的特性制成的半导体器件，反向电压增大时结电容减小，反之则结电容增大，用于调谐、调频、调相发光二极管：将电能直接转化为光能的半导体器件，也称LED，用于照明、显示光电二极管：将光能直接转化为电能的半导体器件，用于光探测、光通讯二极管光电池太阳能电池：利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，用于航天工业、日常等各类电源光伏效应：当光照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，使电子发生了跃迁，成为自由电子，并在PN结两侧集聚，形成了光生电压传感器太阳能电池：利用PN结特性变化来检测环境参数（如温度、光强、磁场、压力等）的半导体器件，用于各类信号检测按照功能可以分为：温度传感器、光电传感器、霍尔传感器、压阻传感器等目录目录234PN结金半接触双极晶体管1章节介绍5金属-氧化物-半导体晶体管v57西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景金半接触能带图三、金半接触N型半导体功函数金属功函数功函数：处于费米能级上的电子跃迁到真空能级上所需的能量金属功函数

半导体功函数电子亲和能：真空能级和导带底能级的差值金-半接触前N型阻挡层当金属与N型半导体接触时，若Wm>Ws，为达到费米能级平衡，需要半导体一侧能带向上弯曲（失去电子）半导体一侧势垒高度金属一侧势垒高度v58西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景金半接触能带图三、金半接触N型反阻挡层当金属与N型半导体接触时，若Wm<Ws，为达到费米能级平衡，需要半导体一侧能带向下弯曲（获得电子）当金属与P型半导体接触时，若Wm<Ws，为达到费米能级平衡，需要半导体一侧能带向下弯曲（释放空穴）P型阻挡层P型反阻挡层当金属与P型半导体接触时，若Wm>Ws，为达到费米能级平衡，需要半导体一侧能带向上弯曲（获得空穴）条件金属-N型半导体金属-P型半导体Wm>WsN型阻挡层N型反阻挡层Wm<WsP型反阻挡层P型阻挡层v59西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景肖特基势垒三、金半接触肖特基势垒：金属与半导体接触时，半导体一侧的能带弯曲形成的载流子输运势垒金属外加正偏电压后，导致半导体流入金属电子数量增多，能带弯曲程度减小，金属外加反偏电压后，半导体流入金属电子数降低，能带弯曲程度增加正偏下肖特基势垒反偏下肖特基势垒从理论计算认为，同一种材料的肖特基势垒和金属功函数相关，但是实际情况金属功函数对肖特基势垒的影响不大，这是由于在实际的肖特基二极管中，在界面处晶格的断裂会产生大量能量状态，称为界面态或表面态当界面态密度很大时，只要费米能级高于qΦ0，界面态会积累大量负电荷，当能带弯曲到一定程度时，费米能级就会与界面态重合，这时表面费米能级就会被钉扎在某一与金属无关的位置上平衡状态高界面态v60西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景金-半接触整流理论三、金半接触N型半导体空间电荷区金-半接触伏安特性曲线厚阻挡层：对于N型阻挡层，当空间电荷区宽度比电子的平均自由程大很多时，电子在跨越空间电荷区时会发生多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层厚阻挡层满足扩散理论，电流密度类似二极管整流特性当V>0时，且qV>>k0T，有当V<0时，且|qV|>>k0T，有J=-JsD,JsD称为反向饱和电流当N型阻挡层很薄时，电子的平均自由程远大于势垒高度，扩散理论不再适用，电流的大小主要取决于势垒高度，电流包括从半导体内部跨越势垒流入金属形成的电流和从金属流入半导体的电流，称为热电子发射总电流密度为金半整流扩散理论热电子发射理论v61西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景肖特基二极管与PN结二极管三、金半接触肖特基二极管PN结二极管工作频率开关速度主要为多子输运，速度快存在少子存储，速度慢反向饱和电流正向导通电压多子电流为主，反向电流大正向导通电压更小少子电流为主，反向电流小正向导通电压更大肖特基接触：当金属与半导体接触时，若界面处形成显著的肖特基势垒（SchottkyBarrier），导致载流子（电子或空穴）的输运受势垒高度限制，表现出非线性电流-电压特性（整流效应），这种接触称为肖特基接触欧姆接触：金属与半导体接触时，界面处无显著势垒，载流子可自由通过，电流-电压关系呈线性（低电阻），且接触电阻远小于半导体体电阻，这种接触称为欧姆接触重掺杂的半导体，空间电荷区宽度窄，可以通过隧道效应形成很小的接触电阻，因此当半导体重掺杂时，与金属可以形成接近理想的欧姆接触目录目录234PN结金半接触双极晶体管1章节介绍5金属-氧化物-半导体晶体管v63西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景基本结构四、双极晶体管BJT结构示意图和电路符号图双极晶体管：一种利用电子和空穴两种载流子（双极）参与导电的三端半导体器件，简称BJTBJT包括发射区、基区和集电区，发射区和基区构成的PN结称为发射结，基区和集电区构成的结称为集电结发射区和集电区的掺杂浓度相同，和基区的掺杂浓度相反，主要分为NPN和PNP两种类型在电路符号中，字母E代表发射极、字母B代表基极、字母C代表集电极，电流从B流向E称为NPN型；电流从E流向B称为PNP型理想情况，发射区浓度远高于基区浓度，基区掺杂浓度均匀分布，电流限制在小注入状态实际的BJT是一个N+PNN+结构，基区是N型外延层上经过P型扩散层形成，发射区是在基区上二次扩散形成，集电极从衬底N+引出硅平面NPN型BJT结构图v64西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景BJT工作原理四、双极晶体管VBEVBC0放大模式：发射结正偏集电结反偏饱和模式：发射结正偏集电结正偏截止模式：发射结反偏集电结反偏反向放大模式：发射结反偏集电结正偏共基极BJT在放大模式下工作电路图BJT主要作为放大管使用，因此多工作在放大模式，即VBC<0、VBE>0VBE>0时，发射区电子注入基区；VBC<0时，注入到基区的电子会在电场作用下运动到集电区，这个时候需要把基区做的很薄，防止在电子在基区被复合NPN型BJT放大模式工作电流InE为从发射区注入基区的电子流InC为从发射区注入基区的电子到达集电区的电子流InE-InC为从发射区注入基区的电子通过基区被复合引起的复合流IpE为从基区注入发射区的空穴流IRE为从发射结空间电荷区复合流ICO为从集电结反向电流v65西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景BJT工作原理四、双极晶体管发射极注入效率γ：从发射区注入基区的电子电流在发射极总电流中所占的比例，基区输运因子βT：从发射区注入基区的电子能够到达集电区所占的比例共基极直流电流增益α：到达集电区的电子流在整个发射极电流中所占的比例放大模式下，集电极电流可以表示为共基极BJT伏安特性当发射结正偏，集电结正偏（饱和模式），集电结正偏时向发射区注入的电子和空穴扩散电流方向与发射极扩散电流方向相反，有v66西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景BJT工作原理与非理想效应四、双极晶体管共发射极BJT连接示意图共发射极BJT伏安特性BJT也可以通过共发射极连接，此时可求解集电极电流，即式中，hFE为共发射极直流电流增益，ICEO为基极开路时集电极与发射极之间电流，也称为漏电流或穿透电流非理想效应发射区禁带宽度减小基区缓变效应基区扩展电阻和电流拥挤效应基区宽度调制效应发射区禁带宽度减小：发射极重掺杂较大达到简并状态，发射极禁带宽度减小会影响BJT的共发射极电流增益基区缓变效应：实际工艺中基区掺杂浓度并不是均匀的，而是缓慢变化的。基区不均匀掺杂会引入内建电场，发射区注入的电子会在内建电场作用下向集电极漂移基区扩展电阻和电流拥挤效应：由于基区掺杂较低，会存在体电阻，以及基区与发射区接触的边缘电阻，从而降低发射结净电压VBE，在边缘处产生更高的电流基区宽度调制效应：BJT在放大模式下，I-V特性中电流斜率为0，实际上IC会随着VCE增大而增大，这种效应称为基区宽度调制效应，也叫厄利效应v67西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景BJT的频率响应四、双极晶体管BJT小信号增益简图低频下，直流电流增益和频率无关，但是高频下放大能力和频率相关，称为BJT的频率响应。共基极交流小信号电流增益为

共射极电流增益为交流小信号电流增益用分贝dB表示，即共基极截止频率wα：α大小下降为0.707α0时的频率（下降3dB）共发射极截止频率wβ：hfe下降为0.707hFE时的频率（下降3dB）增益带宽积（特征频率）wT：共发射极小信号直流增益hfe的模量为1时的频率由于

因此共发射极截止频率远低于共基极截止频率又因为

，因此增益带宽积接近wα目录目录234PN结金半接触双极晶体管1章节介绍5金属-氧化物-半导体晶体管v69西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景MOS管基本结构五、金属-氧化物-半导体晶体管MOS管由金属-氧化层（绝缘层）-半导体堆叠而成，在金属和半导体上施加电压降后，金属-氧化物交界处和半导体-氧化物交界处会出现电荷堆积，此结构和电容器充电结构类似，因此也称为MOS电容MOS电容状态多子积累状态少子反型状态多子耗尽状态对于P型半导体MOS，当金半电压VG<0时，P型半导体中多子（空穴）会在电场作用下向界面聚集，此状态称为多子堆积表面势：半导体表面与体内的电势差VS，在堆积时Vs<0，表面能带向上弯曲MOS电容结构图MOS多子堆积状态多子堆积能带图v70西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景MOS管状态五、金属-氧化物-半导体晶体管当金半电压VG>0时，P型半导体中多子（空穴）会被推离界面，此状态称为多子耗尽在耗尽时Vs>0，表面能带向下弯曲注意，表面能带从向上弯曲到向下弯曲，有一个水平的过度态，此状态称为平带状态在多子耗尽状态，继续增大VG，不但导致更多的多子（空穴）被推离界面，还会吸引少量少子（电子）在界面处聚集，此状态称为少子反型从能带角度而言，表面能带进一步向下弯曲，最终表面费米能级EF高于禁带中线EiMOS多子耗尽状态多子耗尽能带图少子反型能带图v71西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景MOS管相关参数五、金属-氧化物-半导体晶体管多子耗尽能带图半导体-氧化物界面出现空间电荷区，宽度为费米势：半导体内部费米能级与本征费米能级之差在多子耗尽时，Vs<φfp，半导体表面仍为P型；但是在少子反型后，Vs>φfp，半导体表面呈现N型半导体特性阈值反型点：半导体表面从耗尽转变为反型的临界点，即Vs=2φfp阈值电压：达到阈值反型点的栅压VG，达到阈值反型点后，微小的电压变化会产生大量的载流子，此时空间电荷区达到最大值少子反型能带图金属半导体功函数差的定义式为

其中φm`为修正金属功函数，χ`为修正电子亲和能满足半导体平带状态的电压为平带电压

其中Qss`为栅氧化层等价陷阱电荷v72西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景MOS管相关参数五、金属-氧化物-半导体晶体管达到阈值反型点的PMOS和NMOS管能带图达到阈值反型点的PMOS电荷分布图以PMOS为例，达到阈值反型点的空间电荷区宽度为xdT，此时金属-半导体交接处正电荷为QmT`，单位面积栅氧化层等价电荷为Qss`，由电荷守恒定律栅压计算公式为代入

有整理得到阈值电压计算公式为由根据平带电压公式可以得到阈值电压和平带电压关系v73西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景MOSFET分类五、金属-氧化物-半导体晶体管增强型NMOSFET器件结构和电路图耗尽型NMOSFET器件结构和电路图MOSFET是一种利用电场效应控制电流的半导体器件，由源极S、漏极D、栅极G和衬底B构成，其核心是MOS电容MOSFET按照导电条件和沟道极性可以分为N沟道增强型\P沟道增强型\N沟道耗尽型\P沟道耗尽型N沟道MOSFET：反型层导电沟道为N型P沟道MOSFET：反型层导电沟道为P型增强型：在零栅压时无反型导电沟道形成，需要对其施加栅压才能形成反型导电沟道耗尽型：在零栅压时有反型导电沟道形成，需要对其施加栅压才能关闭反型导电沟道增强型PMOSFET器件结构和电路图耗尽型PMOSFET器件结构和电路图v74西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景MOSFET工作原理五、金属-氧化物-半导体晶体管导电沟道关闭和打开时的增强型NMOSFET结构示意图对于P型衬底的增强型NMOSFET，当Vg<Vth时，漏极和衬底间的PN结反偏，因此漏电流为0当Vg>Vth时，金属栅和P型衬底形成N型反型层，源漏导通，产生源漏电流转移曲线：描述源漏电流ID和栅源电压VGS的关系，用于确定阈值电压Vth和跨导gm输出曲线：描述源漏电流ID和源漏电压VDS的关系

其中沟道电导gd为当VDS较小时，ID和VDS呈线性关系，进入线性区继续增大VDS后，漏极附近氧化层压降降低，导电沟道变小，电流上升趋势变缓导电沟道随VDS增大变化曲线导电沟道随VDS增大变化曲线v75西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景MOSFET工作原理五、金属-氧化物-半导体晶体管继续增大VDS后，当

时，沟道反型层消失，此时沟道被夹断，电流达到最大值当沟道被夹断后，继续增大VDS，沟道会逐渐向左移动，电流保持不变，此时电流区域进入饱和区夹断电压VDsat：在漏极产生零反型层电荷密度时的源漏电压非饱和区电流电压关系为饱和区电流电压关系为增强型输出曲线耗尽型输出曲线v76西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景MOSFET非理想效应五、金属-氧化物-半导体晶体管非理想效应亚阈值电导效应短沟道效应沟道长度调制效应速度饱和效应理想情况下VG<VT时，没有反型层出现，漏电流为0实际情况下，当2φfp>φs>φfp时，会出现较弱的导电沟道，此时称为弱反型，漏电流称为亚阈值电流亚阈值电流计算公式为亚阈值能带图沟道长度调制当VDS>VDSsat时，导电沟道长度L不再是常数，而是随着VDS的增大而减小，此时有漏极附近结构图v77西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景MOSFET非理想效应五、金属-氧化物-半导体晶体管短沟道效应：MOSFET导电沟道长度减小到十几nm以下出现的一些效应当沟道长度降低到一定程度，源、漏附近的空间电荷区对沟道的影响不能忽略，阈值电压的偏移量为短沟道MOSFET反型时电荷结构图在理想情况下，如果电场强度增大，载流子的速度也会增大，实际上载流子的速度会达到饱和考虑速度饱和时，漏极电流为

速度饱和效应会导致IDsat和Vsat要比理想值小非理想效应亚阈值电导效应短沟道效应沟道长度调制效应速度饱和效应v78西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景名词解释：单边突变结、BJT、MOSFET、费米势、阈值电压等简答题1：MOSFET存在哪些非理想效应简答题2：BJT包含哪四种模式简答题3：肖特基二极管和PN结二极管的不同之处有哪些六、作业微电子学院School

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Microelectronics微电子概论与新进展半导体工艺篇目录234氧化与掺杂工艺薄膜制备与外延工艺光刻与刻蚀工艺1半导体工艺类型5测试与封装工艺v81西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景硅平面工艺类型一、半导体工艺类型常见的Si平面工艺包括BJT集成电路工艺和CMOS工艺，以BJT为例，具体步骤如下：衬底制备：制备轻掺杂P衬底埋层生长：为了降低集电极串联电阻、减小寄生管的影响，在外延层与衬底之间制备埋层外延生长：在衬底上外延生长一层N型硅作为集电区隔离区生长：在外延层上产生很多在电性上各自孤立的隔离岛，以实现元器件间的绝缘，以PN结隔离为主基区生长：继续通过氧化、光刻、扩散生长P型基区发射区及集电极欧姆区生长：生长N型发射区，而集电区掺杂浓度较低，所以必须生长集电极欧姆接触区形成金属互连：制备金属电极引线以实现电路内部的元器件互连及使双极晶体管与外部电极连接BJT集成工艺与结构图目录234氧化与掺杂工艺薄膜制备与外延工艺光刻与刻蚀工艺1半导体工艺类型5测试与封装工艺v83西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景氧化工艺二、氧化与掺杂工艺氧化工艺：通过热氧化法在Si表面生长二氧化硅SiO2层，包括干法氧化和湿法氧化SiO2优势：硅的良好亲和性、稳定的物理化学性质、良好的可加工性及对杂质的掩蔽能力用途：在硅器件中其经常作为金属电极引线与电的绝缘层，也可作为大规模集成电路中多层布线间的绝缘层及集成电路中各元器件之间的电隔离层干法氧化化学方程式为900~1200℃，氧化速度慢，但SiO2致密，质量高湿法氧化化学方程式为800-1000℃，氧化速率快，但结构疏松当氧化层厚度增加后，氧化层阻挡了氧原子或氢氧根直接与硅片内部接触，因此氧化层的增厚率将越来越小干法氧化装置湿法氧化装置v84西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景扩散掺杂二、氧化与掺杂工艺掺杂工艺扩散工艺离子注入工艺掺杂：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅中，并获得精确的杂质分布形状，包括扩散和离子注入扩散：杂质向衬底硅片的确定区域内扩散，并达到一定浓度，实现半导体定域、定量掺杂的一种工艺，主要指杂质在晶体内的扩散，属于固相扩散，包含替位式和填隙式替位式扩散：指杂质沿晶格空位跳跃前进，占据格点位置，不改变晶体结构填隙式扩散：杂质进入晶格后不占据格点位置，而是从间隙到间隙跳跃前进填隙式扩散替位式扩散填隙-替位式液态源扩散扩散掺杂工艺气态源扩散液态源扩散固态源扩散旋涂源扩散气态源扩散：利用气态化合物作为掺杂源，通过载气将反应气体输送到硅片表面，在高温下分解并释放杂质原子向硅中扩散液态源扩散：将液态掺杂剂通过汽化装置转化为蒸气，再通入高温炉管中与硅片反应，实现杂质扩散v85西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景扩散与离子注入二、氧化与掺杂工艺固态源扩散固态源扩散：使用固态掺杂材料，通过高温下杂质原子从固态源向硅片表面释放并扩散旋涂源扩散：将含掺杂元素的液态溶液旋涂在硅片表面，烘干后高温退火，使杂质扩散入硅中离子注入机离子注入：将被注入元素的原子电离成带正电荷的离子，使其经高压电场加速后高速轰击器件表面，使之注入器件表面一定深度的真空处理工艺，具体步骤如下：选用适当气体作为产生离子的工作物质，用精密可调针阀控制进入离子源的气流量在电场激发下，处于真空状态的离子源放电室的气体被电离为等离子体，等离子体中的正离子被离子源放电室出口处的带负电位的电极引出用磁铁对离子束按质量进行分离，并用合适的磁场强度选出某一质量的离子束。离子束分离完成后还需要进行离子加速、离子扫描和注入量测量等工作目录234氧化与掺杂工艺薄膜制备与外延工艺光刻与刻蚀工艺1半导体工艺类型5测试与封装工艺v87西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景薄膜沉积方法三、薄膜制备与外延工艺薄膜沉积：由分子及原子之间的层次控制真空蒸镀粒子，使之产生薄层，从而获得在热平衡时无从获得的，带有特定结构和性能的薄层（<1μm）通常在晶圆的表层交替堆积多层薄金属膜（导电）和介电层（绝缘），再重复采用刻蚀工序剥离剩余部分以产生三维结构化学气相沉积CVD：利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质在衬底表面上进行化学反应生成薄膜物理气相沉积PVD：采用物理方法将材料表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并在低压气体环境中，在半导体基底表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的方法原子层沉积ALD：将物质以单原子膜形式一层一层地镀在基底表面的方法薄膜沉积物理气相沉积化学气相沉积原子层沉积CVDPVDALD薄膜均匀性高中低极高沉积速度10-1000nm/min1-100nm/min0.1-10nm/min温度要求200-1000℃RT-500℃50-400℃设备复杂度高（需气体输送系统）中（真空系统+靶材）高（精确时序控制）成本中高（前驱体昂贵）中高（前驱体利用率低）v88西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景外延工艺三、薄膜制备与外延工艺外延设备及生长方式图外延生长：在具有一定晶向的硅单晶衬底上生长一层和衬底的晶向相同、电阻率与厚度不同的晶格结构完整的晶体的工艺同质外延：衬底与外延层材料相同异质外延：衬底与外延层材料不同，异质外延需尽量减小衬底与外延层的晶格失配，如用缓冲层缓解晶格应力外延方式主要包括：化学气相沉积(CVD，如MOCVD)，分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)等方法原理分子束外延MBE在超高真空下，通过分子束直接沉积到衬底表面，精确控制原子层生长金属有机化学气相沉积MOCVD利用金属有机源气体在高温下分解反应，沉积晶体薄膜液相外延LPE通过熔融材料的液相在衬底表面结晶生长目录234氧化与掺杂工艺薄膜制备与外延工艺光刻与刻蚀工艺1半导体工艺类型5测试与封装工艺v90西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景光刻工艺四、光刻与刻蚀工艺光刻工艺示意图光刻工艺：通过光学曝光将掩模版上的图形转移到涂有光刻胶的晶圆表面的过程，是微电子工艺的关键技术，其工艺成本占整个集成电路制造成本的35%以上，具体步骤如下：衬底准备：清洗硅片，清楚表面污染物涂胶：旋转涂覆光刻胶，形成均匀薄膜软烘：去除溶剂，固化光刻胶曝光：使用紫外光、深紫外光、极紫外光等光源，通过掩膜版照射光刻胶显影：用化学溶剂去除可溶部分，形成图案硬烘：增强光刻胶的机械稳定性刻蚀工艺：通过物理或化学方法去除未被光刻胶保护的衬底材料，将光刻胶上的图形转移到下层材料的过程，包括湿法刻蚀和干法刻蚀湿法刻蚀：利用溶液与被刻