1、2022年11月18日星期五第第2章微电子概论章微电子概论IC制造制造材料材料2.1 集成电路材料表2.1 集成电路制造所应用到的材料分类 l 集成电路虽然是导体、半导体和绝缘体三种材料有机组合形成的系统。l 但相对于其他系统，半导体材料在集成电路的制半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用造中起着根本性的作用。l 集成电路通常是制作在半导体衬底材料之上的。同时，集成电路中的基本元件是依据半导体的特性构成的。q通过掺入杂质可明显改变半导体的电导率通过掺入杂质可明显改变半导体的电导率。例如，在室温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。正是因为掺杂可控制半导体的电导率，才能
2、利用它制造出各种不同的半导体器件。q 当半导体受到外界热的刺激时，其导电能力将发生显当半导体受到外界热的刺激时，其导电能力将发生显著变化著变化。利用这种热敏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。q 光照也可改变半导体的电导率，通常称之为半导体的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。q 多种由半导体形成的结构中，当注入电流时，会发射由半导体形成的结构中，当注入电流时，会发射出光出光，从而可制造出发光二极管和激光二极管。最基本的材料最基本的三种材料
3、：硅（Si，Silicon），砷化钾（GaAs，Galliumarsenide）和磷化铟（InP，Indiumphosphide）。材料系统：以这些材料为衬底，可以做出复杂的材料系统，不同的固态器件(分立)和集成电路。2.1.1 硅（硅（Si）q 2.1.2 砷化镓（砷化镓（GaAs）l 超高速：原因在于这些材料具有更高的载流子迁移率和近具有更高的载流子迁移率和近乎半绝缘的电阻率乎半绝缘的电阻率。GaAs和其他III/IV族化合物器件高的载流子迁移率和近乎半绝缘的电阻率等特性为提高器件速度提供了可能。l 超高频：fT可达150GHzl GaAs IC 的三种有源器件：MESFET（金属-半导体
4、场效应晶体管），HEMT（高电子迁移率晶体管）和HBT。2.1.3 磷化铟（磷化铟（InP）q能工作在超高速超高频q三种有源器件：MESFET,HEMT和HBTq广泛应用于光纤通信系统中 覆盖了玻璃光纤的最小色散（1.3um）和最小衰减（1.55um）的两个窗口。基于GaAs和InP基的半导体材料已经发展得很成熟，广泛地应用于光通信、移动通讯、微波通讯的领域。2.1.4 绝缘材料绝缘材料q SiO2、Si0N和Si3N4是IC系统中常用的几种绝缘材料。q 功能包括功能包括：（1）充当离子注入及热扩散的掩膜。（2）作为生成器件表面的钝化层，以保护器件不受外界影响。（3）电隔离：器件之间、有源层及
5、导线层之间的绝缘层；在MOS器件里，栅极与沟道之间的绝缘。2.1.4 绝缘材料绝缘材料q随着连线的几何尺寸持续地缩小，需要低介电常数低介电常数的层间绝缘介质，以减小连线间的寄生电容和串扰。对于250nm技术的产品，人们采用介电常数为3.6的SiOF介质材料；对于180 nm技术的产品，人们则采用介电常数小于3.0的介质材料。q另一方面，对大容量动态随机存储器（DRAM）的要求，推动了低漏电、高介电常数介质高介电常数介质材料的发展。同时，高介电常数介质材料还可以在逻辑电路、混合信号电路中用于滤波电容、隔离电容和数模转换用电容的制造。C=S/4kd2.1.5 金属材料金属材料q金属材料有三个功能：
6、形成器件本身的接触线：形成器件间的互联线；纳米管+石墨烯形成焊盘。2.1.5 金属材料金属材料 半导体表面制作了金属层后，根据金属的种类及半导体掺杂浓度的不同，可形成欧姆接触欧姆接触或肖特基型接肖特基型接触触。q 如果掺杂浓度足够高，隧道效应就可以抵消势垒的影响，那么就形成了欧姆接触（双向低欧姆电阻值）。q 如果掺杂浓度较低，金属和半导体结合面形成肖特基型接触，构成肖特基二极管。隧道效应隧道效应：在粒子总能量低于势垒的情况下，粒子能穿过势壁甚至穿透一定宽度的势垒而逃逸出来的现象称为。q 器件互连材料包括 金属，合金，多晶硅，金属硅化物q 铝，铬，钛，钼(mu)，铊(ta)，钨等纯金属薄层在VL
7、SI制造中正逐步引起人们的兴趣。这是由于这些金属及合金有着独特的属性。如对Si及绝缘材料有良好的附着力，高电导率，可塑性，容易制造，并容易与外部连线相连。q 纯金属薄层用于制作与工作区的连线，器件间的互联线、栅极电容、电感传输线的电极等。2.1.5 金属材料金属材料铝（Al）q在硅基VLSI技术中，由于铝几乎可满足金属连接的所有要求，所以被广泛用于制作欧姆接触及导线。q随着器件尺寸的日益减小，金属连线的宽度越来越小，导致连线电阻越来越高，其RC常数成为限制电路速度的重要因素。q要减小连线电阻，采用低电阻率的金属或合金成为值得优先考虑的方法。铝合金q 只有在纯金属不能满足一些重要的电学参数、达不
8、到可靠度的情况下，IC金属工艺中才采用合金。q 硅铝、铝铜、铝硅铜及钨锑等合金已用于增大电子迁移率、改进附着特性等，或用于形成特定的肖特基势垒。例如，在铝中多加1的重量的硅便可使铝导线上的缺陷减至最少，而在铝中加入少量的铜，则可使电子迁移率提高10-1000倍；q 通过金属之间或与硅的互相掺杂可以增强热稳定性。铜(Cu）q因为铜的电阻率为1.7/cm，比铝3.1/cm的电阻率低，从而可以在相同条件下减少约40的功耗，能轻易实现更快的主频，并能减小现有管芯的体积。今后，以铜代替铝将成为半导体技术发展的趋势。qIBM公司最早推出铜布线的CMOS工艺，并开始销售采用铜布线的400 MHz Power
9、 PC芯片。IBM公司为苹果公司的新型iBook提供经过特殊设计的铜工艺芯片，这种耗能很低的芯片可以使iBook能够用一块电池工作一整天。q0.18m的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线工艺。两层与多层金属布线n VLSI至少采用两层金属布线。n第一层金属主要用于器件各个极的接触点及器件间的部分连线，这层金属通常较薄，较窄，间距较小。n第二层主要用于器件间及器件与焊盘间的互联，并形成传输线。寄生电容大部分由两层金属及其间的隔离层形成。n多数VLSI工艺中使用3层以上的金属。最上面一层通常用于供电及形成牢固的接地。其它较高的几层用于提高密度及方便自动化布线。0.35um CMOS工艺的多层互联线I
10、C设计与金属布线n多数情况下，IC特别是VLSI版图设计者的基本任务是完成金属布线。因为基本器件其它各层的版图通常已经事先做好，存放在元件库中。门阵列电路中，单元电路内的布线也已经完成。n对于电路设计者而言，布线的技巧包含合理使用金属层，减少寄生电容或在可能的情况下合理利用寄生电容等。2.1.6 多晶硅 n多晶硅与单晶硅都是硅原子的集合体。n且其特性都随结晶度与杂质原子而改变。非掺杂的多晶硅薄层实质上是半绝缘的，电阻率为300 cm。通过不同杂质的组合，多晶硅的电阻率可被控制在5000.005 cmn多晶硅被广泛用于电子工业。在MOS及双极器件中，多晶硅用于制作栅极、形成源极与漏极（双极器件的
11、基区与发射区）的欧姆接触、基本连线、高值电阻等。多晶硅的制造技术n多层硅层可用溅射法，蒸发溅射法，蒸发或或CVD法法（一种外延生长技术）沉淀。n多晶硅可用扩散法、注入法掺杂扩散法、注入法掺杂，也可在沉淀多晶硅的同时通入杂质气体（In-Situ法）来掺杂。扩散法形成的杂质浓度很高（=1021cm-3），故电阻率很小。注入法的电阻率约是它的10倍。杂质浓度为 1020cm-3。而In-Situ法的浓度为1020-1021cm-3。三种掺杂工艺中，后两种由于可在较低的工艺温度下进行而在VLSI工艺中被优先采用。2.1.7 材料系统 n 材料系统：在由一些基本材料，如Si,GaAs或InP制成的衬底上
12、或衬底内，用其它物质再生成一层或几层材料。n 材料系统与掺杂过的材料之间的区别：在掺杂材料中，掺杂原子很少。在材料系统中，外来原子的比率较高外来原子的比率较高。半导体材料系统 q指不同质（异质）的几种半导体（GaAs与AlGaAs，InP与InGaAs和Si与SiGe等）组成的层结构。q应用：制作异质结双极性晶体管HBT。制作高电子迁移率晶体管HEMT。制作高性能的LED及LD（激光二极管）。半导体/绝缘体材料系统 q半导体/绝缘体材料系统是半导体与绝缘体相结合的材料系统。其典型代表是绝缘体上硅（SOI：Silicon On Insulator）。q在SOI衬底上，可以形成MOS和双极性晶体管
13、。由于在器件的有源层和衬底之间的隔离层厚，电极与衬底之间的寄生电容大大的减少。器件的速度更快，功率更低。2.1 集成电路材料集成电路材料2.2 半导体基础知识2.3 PN结与结型二极管2.4 双极型晶体管基本结构与工作原理2.5 MOS晶体管基本结构与工作原理n 固体材料分为两类：晶体和非晶体。固体材料分为两类：晶体和非晶体。n 晶体：从外观看晶体有对称的几何外形，微晶体：从外观看晶体有对称的几何外形，微观上原子或离子在空间中呈现出有规则的周期观上原子或离子在空间中呈现出有规则的周期性排列。性排列。n 晶体的性质与这种内在的周期性有关。晶体的性质与这种内在的周期性有关。n 内在的周期性导致电子
14、共有化运动。内在的周期性导致电子共有化运动。2.2.1 半导体（固体）的晶体结构半导体（固体）的晶体结构p 用来制作集成电路的硅、锗和用来制作集成电路的硅、锗和等都是晶体。等都是晶体。p 而玻璃、橡胶等都是非晶体。而玻璃、橡胶等都是非晶体。（a）砷化镓材料的闪锌矿结构 （b）硅材料的金刚石结构电子共有化电子共有化 晶体中大量原子晶体中大量原子 有规则排列，晶体中形成了如图所有规则排列，晶体中形成了如图所示的周期性势场，电子在这种周期性的势场中运动，示的周期性势场，电子在这种周期性的势场中运动，对于对于高能级的电子，其能量超过势垒高度，电子可以在整个固高能级的电子，其能量超过势垒高度，电子可以在
15、整个固体中自由运动。体中自由运动。对于能量低于对于能量低于势垒高度的电子势垒高度的电子,也有一定也有一定的贯穿概率。的贯穿概率。晶体中周期性的势场晶体中周期性的势场 a1E2E 价电子不再为单价电子不再为单个原子所有，而为整个个原子所有，而为整个晶体所共有的现象晶体所共有的现象称为称为电子共有化。电子共有化。电子共有化与能带形成电子共有化与能带形成n能带的形成：晶体中电子共有化的结果，使得晶体内电子的能量状态不同于孤立原子中的电子，晶体内电子的能量可以处于电子的能量可以处于一些允许的范围之内一些允许的范围之内，这些允许的范围称为能带能带，而不能处于两个能带之间的区域，此区域称为禁带禁带。2.2
16、.2 能带形成（的另一种解释）n对孤立原子而言，电子在原子核外运动的轨迹是分立能级。n如果两个相同原子相互靠近，由于原子的相互作用，使得较高能级将分裂成邻近的两个能级，以满足泡利不相容原理。n泡利不相容原理：原子中不能容纳运动状态完全相同的电子，每个能级可容纳2个自旋相反的电子。四个量子数分别是主量子数（n）、角量子数（l）、磁量子数（ml）、自旋量子数（ms）。n当大量相同原子靠近并按照周期性排列后，它们相互作用并形成周期势场，导致能级发生分裂。能带重叠示意图能带重叠示意图能带 量子力学计算表明，固体中若有量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原
17、来孤立原子的每一个能级子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变变成了成了N条靠得很近的能级，称为条靠得很近的能级，称为能带能带。能带的宽度记作能带的宽度记作 E，数量级为，数量级为 EeV。若若N1023，则能带中两能级的间距约，则能带中两能级的间距约10-23eV。能带的一般规律p 外层电子共有化程度显著，能带宽度较宽；内层电子相应的能带较窄。p 原子（离子）间距越小，能带越宽，E越大。p 两能带有可能重叠。原子的壳层结构n主量子数：n=1，2，3，,n决定原子中电子的能量；n角量子数：l=0，1，2，(n1)，l决定电子的轨道角动量，并对能量稍有影响；n磁量子数ml：可以决定轨道
18、角动量在外磁场方向上的分量；n自旋量子数ms：决定电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。确定复杂原子内层结构的原则：泡利不相容原理和能量最小原理。原子的壳层结构泡利原理：在一个原子系统内，不可能有两个或两个以上的电子具有相同的状态，亦即不可能具有相同的四个量子数n,l,ml,ms。能量最小原理：原子系统处于正常状态时，每个电子趋向占有最低的能级。柯塞尔（1916）多电子原子中电子分布主壳层模型：主量子数相同的电子处于同一主壳层中。n=1，2，3，4，的主壳层分别表示为K，L，M，N，。分壳层模型：在同一主壳层中，不同的角量子数l又分成几个不同的分壳层，常用s，p，d，f，表示l=0,1,2,3,
19、的各种转动态。原子的壳层结构 对于一个确定的n，l 可取0，1，2，(n1)共n个值，对于一个确定的l可以有(2l+1)不同的ml，对每个ml，又有2个ms。根据泡利原理，可以算出原子中具有相同主量子数n的电子数目最多为 1202 212nnlZln 当n=1，l=0时K壳层上可能有2个电子，这个组态用1s2表示。当n=2，l=0时（L壳层，s分壳层），可能有两个电子，组态以2s2表示；当n=2，l=1时（L壳层，p分壳层），可能有6个电子，组态以2p6表示。元素的电子组态KLMNO1s 2s 2p3p3s3d 4s 4p 4d 4f5s 5p5d 5f 5g12345678910BN1112
20、1315141716181920PSA37382122HHeLiBeCOFNeNaMgAlSiClKCaScTi3940RbSrYZr12222222222222222222222222122222222222222222222222266262662126661222123456666666661222222266661234562222666610101010222266662112221s22s22 p63s23 p64s2 3 d10 4 p65s11s22s22 p63s23 p64s21s11s21s22s22 p21s22s22 p51s22s22 p63s23 p11s22s2
21、2 p63s23 p4元素的电子组态1s22s22 p63s23 p64s2 3 d105s2 4 p6 4 d11s22s22 p63s23 p64s13 d1两两个个原原子子的的情情况况.Mg.Mg 根据泡利不相容原理，原来的能根据泡利不相容原理，原来的能级已填满不能再填充电子级已填满不能再填充电子1s2s2p3s3p1s2s2p 3s 3p 分裂为两条分裂为两条原子的壳层结构能带中电子的排布 固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。（但可较自由地在能带中改变所处能级）排布原则：1、服从泡利不相容原理 2、服从能量最小原理 设孤立孤立原子的一个能级Enl，它最多能容纳2(2l+1)
22、个电子，这一能级分裂成由N条能级组成的能带后，能带最多能容纳2N(2l+1)个电子。如，1s、2s能带，最多容纳2个电子 2p、3p能带，最多容纳6个电子 电子排布时，应从最低的能级排起 原子内各主壳层和分壳层上可容纳的最多电子数 ln0(s)1(p)2(d)3(f)4(g)5(h)6(i)Zn1(K)2(1s)22(L)2(2s)6(2p)83(M)2(3s)6(3p)10(3d)184(N)2(4s)6(4p)10(4d)14(4f)325(O)2(5s)6(5p)10(5d)14(5f)18(5g)506(P)2(6s)6(6p)10(6d)14(6f)18(6g)22(6h)72角量子
23、数为l的分壳层中最多容纳的电子数为2(2l+1)主量子数为n的主壳层中最多容纳的电子数为2n2（a）导带部分填充情况 （b）导带为空带价带为满带，且禁带较窄的情况 能带出现的五种情况能带出现的五种情况n满带 能带中各能级都被电子填满。通常发生在内层能带（电子能量较低）。满带中的电子不能起导电作用。n价带 共价电子所在能级分裂后形成的能带。在半导体中，价带就是能带最高的满带。理想情况下，在价带之上能带是空的，没有电子，在价带之下的能带则是全部填满的。n导带 电子部分填充的能带。对半导体而言，导带则是紧邻价带的那个“空带”。导带中的电子容易在外场下运动而形成电流，所以称为导带。有关能带被占据情况的
24、几个名词有关能带被占据情况的几个名词n空带 所有能级均未被电子填充的能带。由原子的激发态能级分裂而成，正常情况下是空的。当有激发因素（热激发、光激发等）时，价带中的电子能够被激发进入空带。在外电场作用下，这些电子的转移同样可以形成电流。所以，空带也是导带的一种。n禁带 在能带之间的能量间隙区，由于量子力学限制电子不能填充，这段能级区域称为禁带。导带和价带之间的禁带宽度对晶体的导电性有重要的作用。禁带不是一定存在的，如果上下能带重叠，其间的禁带就不存在。有关能带被占据情况的几个名词有关能带被占据情况的几个名词2.2.3 导体、绝缘体和半导体的能带结构n导体 由于导带不满或者满带与空带（或导带）重
25、叠，在外加电场的作用下电子很容易从能带内或者交叠的能带中的较低能级向较高能级跃迁转移而形成定向移动，从而形成电流。良导体良导体1s2s2p3s钠钠(1s2 2s2 2p6 3s1)晶体晶体能带能带3p半金属半金属1s2s2p3s镁镁(1s2 2s2 2p6 3s2)晶体晶体能带能带3s 电子可分布在电子可分布在 3s 和和 3p 能带中能带中3p绝缘体 最顶层的满带之上是没有电子填充的空带，并且空带与最顶层的满带之上是没有电子填充的空带，并且空带与满带之间的禁带非常大（通常大于满带之间的禁带非常大（通常大于3电子伏特（电子伏特（eV），），例如二氧化硅），满带中的电子很难从外界的光、电、例如二
26、氧化硅），满带中的电子很难从外界的光、电、热激发中获得足够的能量而跳跃到空带上来。热激发中获得足够的能量而跳跃到空带上来。由于满带中的电子对导电没有贡由于满带中的电子对导电没有贡献，而空带中又没有电子参与导献，而空带中又没有电子参与导电，因此绝缘体的导电能力非常电，因此绝缘体的导电能力非常微弱。微弱。半导体半导体的能带结构与绝缘体类似。不同的是半导体的禁带宽半导体的能带结构与绝缘体类似。不同的是半导体的禁带宽度较窄，一般小于度较窄，一般小于3eV。由于半导体禁带宽度小，在外电场、。由于半导体禁带宽度小，在外电场、光、热等能量的激发下，满带（通常该满带称为价带）顶部光、热等能量的激发下，满带（通
27、常该满带称为价带）顶部的电子比较容易获得足够的能量越过禁带跃迁到空带（通常的电子比较容易获得足够的能量越过禁带跃迁到空带（通常称为导带），从而使得导带中存称为导带），从而使得导带中存在少量的自由电子，而价带中由在少量的自由电子，而价带中由于少了一部分的电子而形成了具于少了一部分的电子而形成了具有正电性质的有正电性质的“空穴空穴”。导带中。导带中的自由电子与价带中的空穴都能的自由电子与价带中的空穴都能参与导电。参与导电。能 隙绝缘体绝缘体 金钢石金钢石 氧化锌氧化锌 氯化银氯化银 硫化钙硫化钙 eV 5.33 3.2 3.2 2.42 半导体半导体 硅硅 锗锗 碲碲 锑化锢锑化锢 eV 1.14
28、 0.67 0.33 0.23 能能 隙隙(eV)导带和价带之间的能量差绝缘体与半导体的击穿绝缘体与半导体的击穿 当外电场非常强时，绝缘体与半导体的大量的当外电场非常强时，绝缘体与半导体的大量的共有化电子（价带电子）还是能越过禁带跃迁到共有化电子（价带电子）还是能越过禁带跃迁到上面的空带中。通常称为半导体与绝缘体被击穿。上面的空带中。通常称为半导体与绝缘体被击穿。绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体2.2.4 本征半导体与杂质半导体n本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。半导体晶体。n本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间本征半导体的导电性能在导体
29、与绝缘体之间。n当半导体价带（是一个满带）中一个电子被当半导体价带（是一个满带）中一个电子被外界的能量激发到导带（是一个空带）上，外界的能量激发到导带（是一个空带）上，则在导带中出现一个电子，相应地，价带中则在导带中出现一个电子，相应地，价带中留下一个没有电子填充的留下一个没有电子填充的“空位空位”,称为称为“空穴空穴”。满带满带(价带价带)空带空带(导带导带)h Eg电子离开后留下的空穴相当于产生了一个带正电的粒子。电子离开后留下的空穴相当于产生了一个带正电的粒子。空穴与导带中的电子带电相反，使得半导体处于电中性。空穴与导带中的电子带电相反，使得半导体处于电中性。导带导带价带价带空穴下面能级
30、上空穴下面能级上的电子可以跃迁的电子可以跃迁到空穴上来到空穴上来,这相当于空穴这相当于空穴向下跃迁。向下跃迁。价带上带正电的价带上带正电的空穴向下跃迁也空穴向下跃迁也是形成电流是形成电流,这称为空穴导电。这称为空穴导电。Eg在外电场作用下在外电场作用下,n电子和空穴都参与导电。n价带中的电子获得能量，越过禁带，跃迁到导带，成为自由电子。同时，在价带中留下相同数量的空穴。我们将这种激发产生的跃迁过程称为半激发产生的跃迁过程称为半导体的本征激发导体的本征激发，所产生的自由电子和空穴称为本征载流子。n本征激发所产生的自由电子和空穴数目是相同的。n仅仅有本征激发的半导体是本征半导体。n事实上，当半导体
31、中仅有少量缺陷和杂质，但半导体中电子和空穴主要是由本征激发产生时，我们也称之为本征半导体。本征激发杂质半导体 根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体可以分为 N型半导体和P型半导体。P型半导体n掺入少量的3价元素，如硼、铝或铟，有3个价电子，形成共价键时，缺少1个电子，产生1个空位。n空穴为多数载流子，电子为少数载流子。3价杂质的原子很容易接受价电子，称为“受主杂质”。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，禁带中紧靠满带处，ED10-2eV，极易产生空穴，极易产生空穴导电。导电。该能级称该能级称受主受主（acceptor）能级。能级。
32、nP型半导体空穴是多数载流子多子电子是少数载流子少子 P型半导体中的能带 杂质能级杂质能级+N型半导体n掺入少量的5价元素，如磷、砷或锑，有5个价电子，形成共价键时，多余1个电子。n电子为多数载流子，空穴为少数载流子。在半导体内产生多余的电子，称为“施主杂质”。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处禁带中紧靠空带处,ED10-2eV，极易形成电子，极易形成电子导电。导电。该能级称为该能级称为施主施主（donor）能级。能级。nN型半导体电子是多数载流子多子空穴是少数载流子少子 N型半导体中的能带 杂质能级杂质能级2.1 集成电路材料
33、集成电路材料2.2 半导体基础知识半导体基础知识2.3 PN结与结型二极管2.4 双极型晶体管基本结构与工作原理2.5 MOS晶体管基本结构与工作原理2.3.1 PN结的扩散与漂移由于两种半导体内带电粒子的正、负电荷相等，所以半导体内呈电中性。扩散运动由于PN结交界面两边的载流子浓度有很大的差别，载流子就要从浓度大的区域向浓度小的区域扩散：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。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。在耗尽区中正负离子形成了一个电场，其方向是从带
34、正电的N区指向带负电的P区的。这个电场一方面阻止扩散运动的继续进行，另一方面，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方向相反。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。图2.3 平衡状态下的PN结扩散：浓度差漂移：电场n内建场阻止电子和空穴进一步扩散n内建场大到一定程度,不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。n在型 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为PN结导带的底能级表示为Ec价带的顶能级表示为Ev本征费米能级EiP-N结处存在电势差结处存在电势差Uo 也阻止也阻止 N区带负电区带负电的电子进一步
35、向的电子进一步向P区区扩散。扩散。它阻止它阻止 P区带正电区带正电的空穴进一步向的空穴进一步向N区区扩散；扩散；U00eU电子能级电子能级电势曲线电势曲线电子电势能曲线电子电势能曲线PN结结考虑到考虑到P-结的存在，在讨论半导体中电子的能结的存在，在讨论半导体中电子的能量时候应考虑进这内建场带来的电子附加势能。量时候应考虑进这内建场带来的电子附加势能。电子的能带出现弯曲现象。电子的能带出现弯曲现象。导带导带导带导带PN结结0eU 施主能级施主能级受主能级受主能级价带价带价带价带2.3.2 PN结型二极管(a)(b)(c)图2.4 PN结二极管原理性结构(a)符号(b)与I-V特性曲线(c)1D
36、qVkTDSIIeVD为结压降，q为电子电荷，k为波尔茨曼常数，T为绝对温度。PN结电学特性零偏压零偏压PN结两端不加偏压时称为零偏压结两端不加偏压时称为零偏压情况情况零偏压时，零偏压时，P区和区和N区杂质费米能区杂质费米能级持平，电子占据水平相当，没级持平，电子占据水平相当，没有载流子流动，处于平衡状态。有载流子流动，处于平衡状态。正向偏压在在PN结的结的p型区接电源正极，叫正向偏压。型区接电源正极，叫正向偏压。外加电场与内建场方向外加电场与内建场方向相反，相反，PN结总的电场减结总的电场减弱，弱，阻挡层势垒被削弱、阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向变窄，有利于空穴向N区区运动，电子向运动
37、，电子向P区运动，区运动，形成正向电流。形成正向电流。外Ep型型n型型IE 从能带角度来说阻挡层势垒被削弱，阻挡层的总电场强度降低，PN结两端的能带弯曲变小。N区的费米能级高于P区的费米能级，电子和空穴容易获得足够的能量越过势垒区到达对方区域。从而有电流流过势垒区。反向偏压外Ep型型n型型IE在在PN结的结的p型区接电源负极，叫反向偏压。型区接电源负极，叫反向偏压。外加电场与内建场方向相外加电场与内建场方向相相同，阻挡层势垒被加强、相同，阻挡层势垒被加强、变宽，阻碍了空穴向变宽，阻碍了空穴向N区区运动，也阻碍了电子向运动，也阻碍了电子向P区运动，只有反向漏电流区运动，只有反向漏电流流过。流过。
38、从能带角度来说阻挡层势垒被加强，阻挡层的总电场强度增大，PN结两端的能带弯曲变大。P区的费米能级高于N区的费米能级，电子和空穴不能越过势垒区到达对方区域。只有漏电流流过势垒区。2.3.3 肖特基结二极管图2.5 金属与半导体接触 金属与掺杂半导体接触形成的肖特基二极管的工作原理基于GaAs和InP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。因此，它们的等效电路中通常至少包含栅-源和栅-漏两个肖特基结二极管。在半导体器件与集成电路制造过程中，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。但是我们希望这些结具有双向低欧姆电阻值双向低欧姆电阻值的导
39、电特性，也就是说，这些结应当是欧姆型接触，或者说，这里不应存在阻挡载流子运动的“结”。工程中，这种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自由地传输。2.3.4 欧姆型接触 2.1 集成电路材料集成电路材料2.2 半导体基础知识半导体基础知识2.3 PN结与结型二极管结与结型二极管2.4 双极型晶体管基本结构与工作原理2.5 MOS晶体管基本结构与工作原理由于晶体管有两个PN结，所以它有四种不同的运用状态。（1）发射结正偏，集电结反偏时，为放
40、大工作状态；（2）发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态；（3）发射结反偏，集电结也反偏时，为截止工作状态；（4）发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。2.4 双极型晶体管基本结构与工作原理电流放大作用发射结的注入基区中的输运与复合和集电区的收集电子电流双极型晶体管的放大作用就用正向电流放大倍数F来描述，F定义为：F=IC/IB2.5 MOS晶体管的基本结构与工作原理图2.8 MOS管的物理结构与电路符号 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
41、，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。电子在表面聚集到一定浓度时，栅下的P型层将变成N型层，即呈现反型反型。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导电沟道。工作原理阈值电压 VTn引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为阈值电压VT。n往往用离子注入离子注入技术改变沟道区的掺杂浓度，从而改变阈值电压。改变阈值电压n 对NMOS晶体管而言，注入P型杂质，将使阈值电压增加。反之，注入N型杂质将使阈值电压降低。n 如果注入剂量足够大，可使器件沟道区反型变成N型的。这时，要在栅上加负电压，才能减少沟道中电子浓度，或消除沟道，
42、使器件截止。n 在这种情况下，阈值电压变成负的电压，称其为夹断电压。n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沟道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VT0的器件，称为耗尽型器件。n在CMOS 电路里，全部采用增强型的NMOS 和PMOS。1.三个区域三个区域(a)VgsVT,Vds=0V(b)VgsVT，VdsVgs-VT。(c)VgsVT,VdsVgs-VT2.三个表达式三个表达式描述NMOS器件性能的理想表达式为：212dsNgsTdsdsIKVVVV0 Vds Vgs VT 线性区22NdsgsTKIVV0 Vgs VT Vds
43、饱和区0dsIVgs VT 0 截止区oxoxNWKtL 图2.10 MOS器件方程式中各几何项图2.11 N型MOS管与P型MOS管的电压-电流特性小结n 集成电路由导体、绝缘体和半导体三大类材料构成。n 导体主要包括铝、金、钨、铜等金属、镍铬等合金和重掺杂的多晶硅。n绝缘体主要包括SiO2、SiON、Si3N4等硅的氧化物和氮化物。n半导体主要包括硅、砷化镓、磷化铟等。这三类材料中，半导体材料最为关键。通过掺杂，可以得到P型与N型两种导电类型的半导体。小结n两种类型的半导体结合形成PN结，金属与半导体结合形成肖特基结，金属与重掺杂半导体结合形成欧姆结。n一个PN结或一个肖特基结加上一到两个欧姆结构成单向导电的二极管，两个背靠背的PN结加上三个欧姆结构成具有放大或开关作用的双极型三极管。n一个肖特基结加上两个欧姆结构成一个MESFET或HEMT，一个金属-氧化物-半导体结构加上两个欧姆结构成一个MOS管。小结 利用导体、绝缘体、P型与N型两种导电类型的半导体的不同组合和结构可以构成连接线、电阻、电容、电感等无源元件。
