集成电路导论 Lesson_2.ppt

1、Lesson 2,集成电路导论Introduction to Integrated Circuits,第2章 半导体基本特性与晶体管工作原理,集成电路导论Introduction to Integrated Circuits,2.3 二极管,3,二极管的电流与电压特性,PN结二极管是一种最简单的半导体器件。 二极管处于正向（P型区接正电压，N型区接负电压或者零电压）时，有正向电流从P区流向N区，电流大小与外加正电压呈指数关系。 二极管处于反向（P型区接负电压，N型区接正电压或者零电压）时，有反向电流从N区流向P区，但这个反向电流非常小，以至可以忽略。 PN结二极管是一种单向导电器件！,4,二极

2、管的电流与电压特性,Is饱和电流 n 发射系数（用于描述空间电荷区中的产生复合效应，常规数值为1)。,二极管工作时管内少数载流子的分布情况,正向偏置：外电场驱动少数载流子离开空间电荷区 方向偏置外电场驱动少数载流子向空间电荷区运动,6,扩散电容,正向偏置时，由于外电场作用，将P（N）区多数载流子驱动越过空间电荷区注入N（P）区，形成过剩少数载流子分布。 体现为电容效应扩散电容（其作用比PN结电容大得多）,7,2.4 双极型晶体管,双极型晶体管简称三极管，由两个PN结组合构成。 三极管的特点是具有电流放大作用。 双极型晶体管由两种载流子（空穴与电子）同时参与导电。 双极晶体管的两个PN结背靠背离

3、得很近，实际上它们共用一层非常薄的半导体（基区）。 双极型晶体管有两种类型：PNP型基区为N型半导体NPN型基区为P型半导体,8,2.5 场效应晶体管,场效应晶体管（Field Effect Transistor）包括结型场效应管（Junction FET）金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor FET） 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） 场效应晶体管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。,9,第3章 集成电路中的器件结构,集成电路导论Introduction to Integra

4、ted Circuits,本章教学内容,3.1 电学隔离的必要性和方法 3.2 二极管的结构 3.3 双极型晶体管的结构 3.4 MOS场效应晶体管的结构 3.5 电阻的结构 3.6 电容的结构 3.7 接触孔、通孔和互连线,11,3.1 电学隔离的必要性和方法,必要性： 一块集成电路中含有百万以至千万个二极管、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相互影响和干扰，以至整个芯片无法正常工作，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，然后在隔离的基础上根据电路要求

5、把相关的各元器件端口连接起来，以实现电路的功能。,12,3.1 电学隔离的必要性和方法,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学隔离方法： 通过反向PN结进行隔离； 采用氧化物（二氧化硅）加以隔离。 优点： 能较好的实现直流隔离。 缺点： 增加芯片面积并引入附加的电容。,13,3.1 电学隔离的必要性和方法,14,15,3.2 二极管的结构,二极管的两个引出端（P端和N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。 在P型衬底上外延生长得到一层很薄的N型外延层 在指定区域进行P型杂质扩散，形成N型“岛”，同时形成PN结隔离区。 在N型“岛”内形成P型区，P型区与

6、N型外延层形成PN结。 重掺杂形成N+区，得到与N型外延层的欧姆连接，由金属铝作为引出端。,16,二极管制作步骤和实际结构,17,3.3 双极型晶体管的结构,18,在三极管下方形成一PN结，集电极与衬底隔离,三极管之间的隔离,19,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。,采用掩埋层结构,20,氧化层隔离,PN结环隔离,先进双极型三极管工艺结构,21,Oxide,Oxide,3.4 MOS场效应晶体管的结构,第3章 集成电路中的器件结构,寄生MOS管,23,当两个MOS管之间存在金属走线，会形成寄生MOS管，一旦该管导通，将使电路工作出现混乱。,厚场氧化层

7、提高寄生管阈值电压,24,在MOS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MOS管永远不会导通，起到横向隔离作用。,CMOS电路的结构,一种既包含N沟MOS管又包含P沟的MOS管的电路成为互补型MOS电路（complementary MOS）简称CMOS电路。 为了使两种不同类型的MOS管做在同一个硅片衬底上，就先要在硅衬底上形成一N阱（N-well）或P阱（P-well）。,25,P阱CMOS芯片剖面示意图,26,N阱CMOS芯片剖面示意图,27,（1） （2）,（3） （4）,P阱注入,N阱注入,衬底准备,光刻P阱,去光刻胶,生长SiO2,双阱

8、CMOS工艺,28,（5） （6）,（7） （8）,生长 Si3N4,有源区,场区注入,形成厚氧,多晶硅淀积,29,（9） （10）,（11） （12）,N+注入,P+注入,表面生长SiO2薄膜,接触孔光刻,30,（13）,淀积铝形成铝连线,双阱CMOS工艺,31,3.5 电阻的结构,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（不准确） 2. 专门加工制造的高质量高精度电阻 3. 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,32,单线和U-型电阻,33,34,直流电阻 Ron交流电阻 rds,栅、漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻,NMOS,PMO

9、S,35,直流电阻 Ron交流电阻 rds,条件：VGS保持不变,VGS保持不变的饱和区有源电阻,36,( a ) ( d ) 和 ( c ) 直流电阻 Ron交流电阻 rds,有源电阻的几种形式,3.6 电容的结构,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 2. 叉指金属结构电容 3. 金属-绝缘体-金属(MIM)电容 4. 多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅电容,37,叉指结构电容,38,金属-绝缘体-金属(MIM)电容,39,3.7 接触孔、通孔和互连线,为了使各类器件的端口能够被引出，在集成电路制造时需在表面的二氧化碳层上指定的位置处开出了一个孔，这个孔称之为接触孔（contact）。这个孔位置处的硅被暴露出来后，直接淀积上金属层，使金属与硅直接接触形成欧姆接触。 另一种孔称为（via），用于多层金属连线之间的直接连通。它是在两层金属之间的绝缘层上开出一个孔，在淀积上一层金属连线时，使金属物进入孔中而使上下两