集成電路材料與器件物理基礎(chǔ)綜述

第二章集成電路材料(cáiliào)與器件物理基礎(chǔ)§2.1-2.3略§2.4PN結(jié)及結(jié)型二極管§2.5雙極型晶體管§2.6MOS晶體管§2.7MESFET第一頁，共24頁。集成電路(jíchéng-diànlù)材料分類材料電導(dǎo)率（S/cm）導(dǎo)體鋁、金、鎢、銅等，鎳鉻等合金，重?fù)蕉嗑Ч鑯105半導(dǎo)體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵10-9~102絕緣體SiO2、Si3N410-22~10-14第二頁，共24頁?！?.4PN結(jié)了解(liǎojiě)pn結(jié)的意義pn結(jié)---多數(shù)半導(dǎo)體器件的核心單元電子器件：整流器(rectifier)檢波器(radiodetector)雙極晶體管(BJT)光電器件：太陽能電池(diànchí)(solarcell)發(fā)光二極管（LED）半導(dǎo)體激光器（LD）光電二極管(PD)第三頁，共24頁。突變(tūbiàn)結(jié)線形緩變結(jié)pn根據(jù)雜質(zhì)濃度的分布，可以(kěyǐ)劃分為：同質(zhì)(tónɡzhì)pn結(jié)異質(zhì)pn結(jié)根據(jù)結(jié)兩邊的材料不同，可劃分為：通過控制施主與受主濃度的辦法，形成分別以電子和空穴為主的兩種導(dǎo)電區(qū)域，其交界處即被稱為p-n結(jié)。pn結(jié)的結(jié)構(gòu)第四頁，共24頁。在接觸(jiēchù)前分立的P型和N型硅的能帶圖pn結(jié)形成的物理(wùlǐ)過程電子空穴擴(kuò)散(kuòsàn)eVbi

第五頁，共24頁。（b）接觸(jiēchù)后的能帶圖平衡態(tài)的pn結(jié)

CE

FE

iE

VE

eVbi

漂移(piāoyí)電流擴(kuò)散(kuòsàn)電流內(nèi)建電場E接觸電勢差Vbi

漂移

漂移

空間電荷區(qū)擴(kuò)散擴(kuò)散p

n

E第六頁，共24頁。+--0pn電壓表反向(fǎnxiànɡ)偏壓下的PN結(jié)隨著反向偏壓(piānyā)的增加，PN結(jié)的耗盡區(qū)加寬。第七頁，共24頁。+--0pn電壓表正向(zhènɡxiànɡ)偏壓下的PN結(jié)隨著(suízhe)正向偏壓的增加，PN結(jié)的耗盡區(qū)變窄。第八頁，共24頁。EvEcEipEinEFnq(Vbi–VD)EFpEvEcEipEinEFqVD平衡態(tài)下理想(lǐxiǎng)PN結(jié)的能帶圖正向(zhènɡxiànɡ)偏壓下理想PN結(jié)的能帶圖EvEcEipEinEFnq(Vbi–VD)EFp反向(fǎnxiànɡ)偏壓下理想PN結(jié)的能帶圖第九頁，共24頁。理想PN結(jié)半導(dǎo)體二極管電流(diànliú)方程PN結(jié)符號(fúhào)第十頁，共24頁。PN結(jié)的基本(jīběn)應(yīng)用整流：使一個正弦波流經(jīng)二極管，則只有大于零的正向部分會到達(dá)后面的電路，這種濾除負(fù)向信號的過程(guòchéng)稱為整流電流隔離：電流單向流動第十一頁，共24頁?！?.4結(jié)型二極管內(nèi)建電場(diànchǎng)EEFEvEcqVDE0EFmE0EFnEvEcqVD金屬(jīnshǔ)與N型材料接觸內(nèi)建電場(diànchǎng)EE0EFmE0EFpEvEcqVD金屬與P型材料接觸EFEvEcqVD第十二頁，共24頁。反向偏壓，墊壘提高(tígāo)，無電流通過肖特基接觸(jiēchù)肖特基接觸是指金屬和半導(dǎo)體材料相接觸的時候，在界面處半導(dǎo)體的能帶彎曲，形成肖特基勢壘。勢壘的存在(cúnzài)才導(dǎo)致了大的界面電阻。具有肖特基接觸的金屬與半導(dǎo)體界面形成結(jié)二極管，符號正向偏壓，墊壘降低，有電流通過第十三頁，共24頁。歐姆(ōumǔ)接觸歐姆接觸(jiēchù)是指金屬與半導(dǎo)體的接觸(jiēchù)，而其接觸(jiēchù)面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻。金屬作為半導(dǎo)體器件的電極，要求具有歐姆接觸(jiēchù)。E0EFmE0EFnEvEcE0EFmE0EFpEvEc歐姆接觸的金屬與N型材料(cáiliào)的選擇歐姆接觸的金屬與P型材料的選擇實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸：(1)選擇金屬與半導(dǎo)體材料，使其結(jié)區(qū)勢壘較低(2)半導(dǎo)體材料高摻雜第十四頁，共24頁。雙極型晶體管第一個PN結(jié)須正偏，才能正常工作，閥值電壓為。整個器件上跨接5V的電壓，已經(jīng)進(jìn)入P區(qū)的電子會繼續(xù)向上運(yùn)動。P區(qū)要很薄，才能保證跨接的5V的電壓對電子的控制。底部的N型半導(dǎo)體提供電子，叫發(fā)射極（Emitter）P型半導(dǎo)體作為PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，叫基區(qū)（Base）頂部的N型半導(dǎo)體收集(shōují)另一個N型半導(dǎo)體提供的電子，叫集電極（Collector)第十五頁，共24頁。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏時，為放大工作狀態(tài)。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏時，為飽和(bǎohé)工作狀態(tài)。發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)也反偏時，為載斷工作狀態(tài)。發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏時，為反向工作狀態(tài)。雙極型晶體管發(fā)射結(jié)集電結(jié)NPN工作(gōngzuò)狀態(tài)：第十六頁，共24頁?！?.6MOS晶體管

場效應(yīng)晶體管（FET）由于附近電壓作用(zuòyòng)而形成電子或空穴聚積的效應(yīng)稱為場效應(yīng)。源漏源漏附近正電壓(diànyā)所產(chǎn)生的場效應(yīng)有效提高半導(dǎo)體材料表面電子數(shù)目，從而獲得更大電流負(fù)電壓使越來越多的電穴聚積(jùjī)起來，源漏電流越來越小，最終形成NPN結(jié)構(gòu)，無源漏電流第十七頁，共24頁。夾斷(jiāduàn)第十八頁，共24頁。MOS晶體管常開型，也稱耗盡(hàojìn)型晶體管源漏柵常關(guān)型，也稱增強(qiáng)型晶體管第十九頁，共24頁。MOS晶體管柵極(shānjí)多采用摻雜多晶硅，絕緣層采用二氧化硅。增強(qiáng)型MOS晶體管柵區(qū)較小且形狀不隨電場變化。CMOS電路里，全部采用增強(qiáng)型的NMOS和PMOS。ComplementaryMetalOxideSemiconductor（CMOS）第二十頁，共24頁。MOS晶體管源漏GNDVGS+VDS+N載止區(qū)：VGS<VT，無電流通過VT為引起溝通區(qū)表面反型的最小柵電壓，也稱閥值電壓。源漏GNDVGS+VDS+飽和區(qū)：0<(VGS-VT）<VDS，電流與VDS無關(guān)N源漏GNDVGS+VDS+線性區(qū)：(VGS-VT）>VDS>0，電流與VDS，VGS有關(guān)N第二十一頁，共24頁。MOS晶體管載止區(qū)線性區(qū)飽和(bǎohé)區(qū)其中(qízhōng)為跨導(dǎo)系數(shù)IDS和哪些(nǎxiē)參數(shù)有關(guān)？引入跨導(dǎo)衡量MOS器件的增益線性區(qū)飽和區(qū)第二十二頁，共24頁。JFET（junctiongatefield-effecttransistor

）pnn源漏柵耗盡層IDSVDS按VGS=0時，溝道(ɡōudào)的開啟情況，JFET同樣可分為常開型（耗盡型）和常關(guān)型（增強(qiáng)型）第二十三頁，共24頁。MESFET（metalsemiconductorfieldeffe