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第二章 集成电路材料、结构与理论 2.1 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 2.5 MOS晶体管 2.1 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 分 类 材 料 电导率 (S·cm-1) 导体 铝、金、钨、铜等金属,镍铬等合金 105 半导体 硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓等 10?22 ~ 10? 14 绝缘体 SiO2(二氧化硅)、SiON(氮氧化硅)、Si3N4(氮化硅)等 10? 9~102 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。 2.2 半导体基础知识 半导体的晶体结构 制作集成电路的硅、锗等都是 晶体。胶等都是非晶。 晶体中原子按一定的距离在空间有规律的排列。 硅、锗均是四价元素,原子的最外层轨道上具有四个价电子。 价电子不局限于单个原子,可以转移到相邻的原子上去,这种价电子共有化运动就形成了晶体中的共价键结构。 本征半导体 本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 在热力学温度零度和没有外界能量激发时,由于价电子受到共价键的束缚,晶体中不存在自由运动的电子,半导体是不导电的。 当温度升高或受到光照等外界因素的影响时,某些共价键中的价电子获得了足够的能量,跃迁到导带,成为自由电子。同时,在共价键中留下相同数量的空穴。 空穴是半导体中特有的一种粒子(带正电),与电子的电荷量相同。 半导体中存在两种载流子:带+q电荷的空穴和带-q电荷的自由电子。 杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质原子将会得到 杂质半导体 杂质半导体的导电性能相对于本征半导体发生显著改变,由此制造出人们所期望的各种性能的 半导体器件 根据掺入杂质性质的不同,杂质半导体可以分为 P型半导体 N型半导体 2.3 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。 由P区扩散到N区的空穴与N区的自由电子复合。同样,由N区扩散到P区的自由电子与P区内的空穴复合。 于是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。 漂移运动和扩散运动 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。 PN结型二极管的伏安特性 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
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