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第二章 微电子材料与器件 电导率介于金属和绝缘体之间的材料称为半导体。 完全纯净的半导体称为本征半导体。 共价键具有很强的结合力。 当T=0K（无外界影响）时，共价键中无自由移动的电子。 这种现象称本征激发。 N型半导体：本征半导体中掺入少量五价元素构成。 P型半导体:本征半导体中掺入少量三价元素构成。 2.2 集成电路基础 由于N型半导体中有富裕的自由电子，而P型半导体中有富裕的自由的空穴，所以当P型和N型半导体接触时，P型半导体中的空穴就会向N型中扩散，而N型半导体中的电子向P型中扩散，结果是P型端带负电，而N型端带正电。因而会形成内建电场，内建电场的方向从N型端指向P型端，从而又阻止电子和空穴的扩散。最后，依靠电子和空穴浓度梯度的扩散和内建电场的电作用达到平衡，在接触面附近形成一个耗尽层，即p-n结。 14 利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。 2.2.2 双极型晶体管 由两个相距很近的PN结组成 又称三极管 18 NPN晶体管的偏置情况 在正常使用条件下，晶体管发射结加正向小电压，称为正向偏置；收集结加反向大电压，称为反向偏置。具有放大信号的功能。 19 2.2.3 场效应晶体管（FET） 场效应晶体管分类 20 S－源极； G－栅极； D－漏极 MOS场效应晶体管的结构 N沟MOSFET，电位低的一端为源，电位高的为漏； P沟MOSFET，电位高的一端为源，电位低的为漏； MOS场效应晶体管 21 结型场效应管 金属半导体场效应管 N N 22 2.2.4 集成电路发展简史 58年，锗 IC 59年，硅 IC 61年，SSI（10 ~ 100 个元件/芯片） 62年，MOS IC 63年，CMOS IC 64年，线性 IC 23 65年，MSI （100 ~ 1000个元件/芯片） 69年，CCD 70年，LSI （1000 ~ 10万个元件/芯片），1K DRAM 71年，8位 MPU IC，4004 72年，4K DRAM，I2L IC 77年，VLSI（10万 ~ 1000万个元件/芯片），64K DRAM ， 16位 MPU 80年，256K DRAM ，2 ?m 84年，1M DRAM ，1 ?m 85年，32位 MPU ，M68020 24 86年，ULSI（1000万 ~ 10亿个元件/芯片）， 4M DRAM ( 8×106, 91mm2, 0.8 ?m, 150 mm ) ， 于 89 年开始商业化生产，95年达到生产顶峰。 88年，16M DRAM（3×107, 135mm2, 0.5 ?m, 200mm）， 于 92 年开始商业化生产，97 年达到生产顶峰。 91年，64M DRAM（1.4×108, 198 mm2, 0.35 ?m, 200mm）， 于 94 年开始商业化生产，99 年达到生产顶峰。 92年，256M DRAM（5.6×108, 400 mm2, 0.25 ?m, 200mm）， 于 98 年开始商业化生产，2002 年达到生产顶峰。 25 ( 95年，GSI（ 10亿个元件/芯片）， 1G DRAM（2.2×109, 700 mm2, 0.18 ?m, 200mm）， 2000 年开始商业化生产，2004 年达到生产顶峰。 97年，4 G DRAM（8.8×109, 986mm2, 0.13 ?m, 300 mm）， 2003年进入商业化生产。 26 人的大脑：约有140亿个脑细胞，每个脑细胞可完成 “异或” 或 “或非” 功能，长度约为150 ?m ，消耗的能量约为 0.2 pJ 。 比一比！ 大规模集成技术：可在14 cm2的面积上制作出 140 亿个具有同样功能的器件，每个器件的长度约为 15 ?m ，消耗的能量约为 0.005 pJ，工作寿命可达10亿小时以上。 27 集成电路工业发展的第一定律即所谓 摩尔定律。 Intel 公司的创始人之一戈登·摩