集成电路材料介绍PPT课件下载

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集成电路材料、结构与理论上次第1章 集成电路设计概述 §1. 集成电路的概念及分类 §2. 微电子科学与技术的发展历史 §3. 描述集成电路工艺水平的五个指标 §4. 集成电路设计与制造的主要流程框架第2章 集成电路材料、结构与理论 §1. 集成电路材料 §2. 半导体基础知识 §3. PN结与结型二极管 §4. 双极型晶体管基本结构与工作原理 §5. MOS晶体管的基本结构与工作原理集成电路材料—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 集成电路制造所应用到的材料分类铝、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。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）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。材料系统半导体材料系统 不同质的几种半导体材料: GaAs/AlGaAs、InP/InGaAs和Si/SiGe等半导体/绝缘体材料系统 半导体与绝缘体相结合的材料： SOI（Silicon on Insulate）半导体材料系统半导体/绝缘体材料系统 §2.半导体基础知识－半导体的晶体结构 本征半导体杂质半导体 P型半导体 N型半导体半导体的特性（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，在纯净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。 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。 §3. PN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下图所示的 PN结。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。 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。 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达到动态平衡，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。 集成电路中的二极管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。 PN结与二极管、双极型、MOS三极管的关系 PN结 是半导体器件的基本结构 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。 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。 §4 双极型晶体管的基本结构 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。 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。 双极型晶体管原理图及符号 双极型晶体管的四种运用状态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，有少部分的电子与基区中的多子空穴复合、形成基极复合电流IB 大部分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/IB §5. MOS晶体管的基本结构 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 这一结构的基本作用是：在半导体的表面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。 集成电路中的MOS晶体管结构 NMOS晶体管基本结构与电路符号 PMOS晶体管基本结构与电路符号 CMOS工艺所谓的CMOS则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。 NMOS晶体管的基本工作原理增强型和耗尽型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，阈值电压VT＜0 的器件，称为耗尽型器件。 PMOS器件和NMOS器件在结构上是一样的，只是源漏衬底的材料类型和NMOS相反，工作电压的极性也正好相反。在CMOS电路里，全部采用增强型的NMOS和PMOS。 影响漏极电流Ids大小的因素 （1）源、漏之间的距离；（2）沟道宽度；（3）开启电压VT；（4）栅绝缘氧化层的厚度；（5）栅绝缘层的介电常数；（6）载流子（电子或空穴）的迁移率μ。 MOS管的正常导电的三个区域 (1) “夹断”区：这时的电流是源－漏间的泄漏电流； (2) “线性”区：弱反型区，这时漏极电流随栅压线性增加； (3) “饱和”区：沟道强反型，漏极电流与漏极电压无关。 MOS晶体管性能分析 MOS器件电压-电流特性 Thanks！ Question？下次预习：第3章 集成电路工艺简介BaB红软基地

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