微电子概论基础知识概览

1、微电子概论基础知识概览1、半导体（1）半导体的主要特点在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升而指数增加半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率， 而且在参杂情况下，温度 对电导率的影响较弱在半导体中可以实现非均匀掺杂光的辐射、高能电子等的注入可以影响半导体的电导率（2）半导体的掺杂电子和空穴：可以自由移动的缺位成为空穴，在半导体中电子和空穴统称为载 流子半导体名称掺杂方式掺杂元素导电机制原理N型半导体施主掺杂V 族（P、As）自由电子V族杂质原子 可以向半导体 硅提供一个自 由电子，而本 身成为带正电 的离子P型半导体受助掺杂川族元素（B、AI）空穴在与周围硅原 子形成共价键 时，产生一

2、个 空穴，这样杂 质原子可以向 半导体硅提供 一个空穴，而 本身接受一个 电子成为带负 电的粒子实际上，半导体中通常同时含有施主和受主杂质，当施主数量大于受主数量时,半导体是N型的；反之，半导体是 P型的。（3）半导体的电导率和电阻率平局漂移速率：v= uE （u迁移率）则用迁移率表示电导率为：N、P型：nqu；电导率一方面取决于杂质浓度，另一方面取决于迁移率。迁移率：反映半导体中载流子导电能力的重要参数。迁移率越大，半导体的电导率越高。通常电子迁移率要高于空穴迁移率。影响迁移率的因素：（1）掺杂浓度：在低掺杂浓度的范围内，电子和空穴的迁 移率基本与掺杂浓度无关，保持比较确定的迁移率数值。在高

3、掺杂浓度后，迁移 率随掺杂浓度的增高而显著下降。（2）温度：掺杂浓度较低时，迁移率随温度的 升高大幅下降。当掺杂浓度较高时，迁移率随温度的变化较平缓。当掺杂浓度很 高时，迁移率在较低的温度下随温度的上升而缓慢增高， 而在较高的温度下迁移 率随温浓度的上升而缓慢下降。（高斜率下斜：大幅度下降、平：变化较平缓、 抛物：先升高再下降缓慢ing）散射：载流子在其热运动的过程中，不断地与晶格、杂质、缺陷等发生碰撞，无 规则的改变其运动方向，这种碰撞现象通常称为散射。（4）半导体中的载流子价带：能量最高的价电子所填充的带导带：最低的没有被电子填充的能带 载流子的运动形式：漂移：由电场作用而产生的沿电场方向

4、的运动称为漂移运动。扩散：产生：电子从价带跃迁到导带复合：倒带中的电子和价带中的空穴相遇， 电子可以从导带落入价带的这个空 能级，称为复合空穴和电子导电形成的实质： 电子摆脱共价键而形成电子和空穴的过程， 就是 一个电子从价带到导带的量子跃迁过程。 其结果是， 导带中增加了一个电子而价 带中出现了一个空能级， 半导体中导电的电子就是处于导带的电子， 而原来填满 的价带中出现的空能级则代表到点的空穴。 从实质上讲空穴的导电性反应的仍是 价带中电子的导电性。杂质能级： 如果能级在有电子占据时是电中性， 失去电子后成为正点中心的杂 志能级，称为施主能级；受主能级正好相反，在有电子占据时 是负电中心，

5、而 没有电子占据是电中性的。 （此处的能级是杂质自己的能级）（5）多子和少子的热平衡多子少子相对性：N型中，电子为多子，空穴为少子；P型中，空穴为多子， 电子为少子。形成热平衡的原因： 电子从价带到导带跃迁形成一对电子和空穴， 随着电子和 空穴对的产生，电子 -空穴的复合也同时无休止的进行。所以半导体中电子和空 穴的数目不会越来越多。半导体中将在产生和复合的基础上产生热平衡。 本征半导体的热平衡：本征半导体是指半导体中没有杂质而完全靠半导体本身提供载流子的理想情 况。电子和空穴的浓度相等，这个共同的浓度称为本征载流子浓度 本征载流子浓度与禁带宽度、温度有关，与掺杂类型、浓度无关。两者乘积为定值

6、 np = ni2浓度与温度的关系： 在室温中本征载流子浓度很低， 但随着温度的升高， 而迅 速增加。本征载流子浓度是一个完全确定的温度函数。非本征半导体的热平衡：仍然遵循 np = ni2 只不过这里 N 要理解为总电子的浓度， 也可以说就是掺杂施 主杂质的浓度， P 要理解为总空穴的浓度，也可以说是掺杂受主杂质的浓度。2、PN 结（ 1） 基本概念： 定义：在一块半导体材料中，如果一部分是 N 区，一部分是 P 区，在 N 区和 P 区的交界面形成了 PN 结。 突变结：在交界面处，若杂质分布有一个突变 扩散结：杂志浓度逐渐变化性质：单向导电性。P + N-通 P- N+断，且通时电流随电

7、压增加很快（2）平衡 PN 结定义：指没有外加偏压情况下的 PN结。自建场：电场方向n-p.（3）PN结的正向特性（扩散运动为主）外加电压与自建电场方向相反，打破了扩散漂移的相对平衡，载流子的扩散 运动超过漂移运动，这是将有源源不断的电子从 N区到P区，成为非平衡载 流子，称为注入效应。电子电流和空穴电流相互转换，在各个区域不同，但是通过每个面的电流之 和相同，所以PN结内部电流是连续的，PN结内电流的转换并非电流中断， 而仅仅是电流的具体形式和载流子的类型发生了变化（4）PN结的反响特性（漂移运动为主）反向抽取作用：自建场和外加场一致，使得空穴、电子分别被拉回P、N区。 反向电流趋向一个与反

8、响偏压大小无关的饱和值，它仅与少子浓度、扩散长 度、扩散系数有关，也被称为反响饱和电流。 PN结单向导电性由正向注入和反向抽取效应决定。（5）PN结的击穿反向偏压到达击穿电压击穿机理：雪崩击穿，隧道击穿（6）PN结的电容电压与空间电荷区的电荷量：电荷量增大，电压增大；电荷量减小，电压减小 Vt = V d-V，V是外电厂施加的偏压，正向偏压 V0，反向偏压V0，Vd是自建势外电压电压变化电荷区宽度变化电容变化正向偏压增加减小增大正向偏压减小增大减小反向偏压:增加增大减小反向偏压减小减小增大可用一个图像来表示 计算公式 Ct = ?5?0 S/Xm从公式中可以看出，PN结的电容是一个随外电压变化

9、的函数3、双基晶体管（BJT）基本结构：由两个相距很近的PN结组成，双极晶体管又可以分为 PNP和NPN 型两种。三端：发射极（e）;基极（b）；收集极（c）两结：发射区和基区构成发射结；收集区、基区构成收集结。正常使用条件：发射结施加正向小偏压，收集结施加反向大偏压。（1）电流传输机制载流子运输过程：发射结注入基区的非平衡少子能够靠扩散通过基区，并被收集结电厂拉向收集区，流出收集极，使得反向偏置收集结流过反向大电流。 非平衡少子的扩散运动 是晶体三极管的工作基础。（2）电流传输机构形成电流的原因：发射结的正向注入作用和收集结的反向抽取作用，使得有一股电子流由发射区流向收集区 各部分电流具体分

10、析位置电流机制图形标识发射结由发射区注入基区的电 子扩散电流（X2），这部 分能传输到基区，成为收 集结电流的主要部分；注 入发社区的空穴扩散电 流，成为基极电流的一部 分。发射区空穴电流转换为电子电 流，成为发射极的电流le = Ip(X1) + In (X2)基区电子电流在扩散中复合， 变成基极电流lb = Ip(X1) + Irb -Icbo收集结和收集区扩散到达收集结边界 X3 的电子扩散电流，在电场 作用下变为流经（X4）的漂 移电流；收集结的反向漏 电电流Ic = Ie Tb图形表示:（3）晶体管的放大系数基本接法：共基极接法，共发射极接法共基极：（如右图）1、特点：积极作为输入和

11、输出的公共端。2、a 0定义为负载电阻为零时，收基极电流Ic与发射极电流Ie的比值a 0 = Ic / Ie3、 对ao的分析：总小于1;越大放大能力越好共发射极1、特点：发射极作为输入与输出的公共端2、 定义为收集极无负载时，收基极电流（Ic）和基极电流（lb）的比值他=lc / lb3、 对由的分析：越大电路的放大效果越好；与a o的关系推到为(4) 晶体管的直流特性曲线共基极：输入特性曲线：le Veb之间的关系 输出特性曲线：lc Vcb之间的关系共发射极：输入特性曲线:输出特性曲线:lb Veb之间的关系 lc Vce之间的关系共发射级直流输出特性曲线分析:区域分析放大区发射结正偏，

12、收集结反偏饱和区发射结收集结都正偏截止区发射结收集结都反偏4、 MOS场效应晶体管(1) MOS场效应晶体管的基本结构 类型对比名称衬底沟区结构源漏区别n-MOSP-Sin+npn电位低一源 电位咼一漏漏-源p-MOSN-SiP+pnp电位高一源 电位低一漏 源-漏（2）MIS的结构反型层的形成过程（p型半导体）：1、开始加正电压时，空穴排斥到远端，吸引少电子到半导体表面2、随着电压的增大，负空间电荷区加宽，同时被吸引到表面的电子也随着 增加。3、当电压达到阈值电压，吸引到表面的电子浓度迅速增大，在表面形成了 一个电子导电层，即反型层。（3）MOS场效应管的直流特性阈值电压：在MOSFET中，

13、使硅表面开始强反型时的栅压为 MOSFET的预 制电压Vt，阈值电压有时也叫开启电压。当栅压 Vg = Vt时，表面开始强反 型，反型层中的电子形成导电购到，在漏源电压的作用下，MOSFET开始形成显著的漏源电流。 MOSFET电压和电流的关系：线性区：Vds较小的时候，沿沟道的电势变化 较小。Ids随Vds线形增加。饱和区：随着Vds的增大，线性关系偏离越来 越大，当Vds （源漏电压） =Vgs （基级和源） -Vt （阈值电压）时，漏极家短，电子数目很少， 形成高阻区，但由于电厂很强，可以把狗盗中的电子拉向漏极。增加电压， 只降落在高阻区上，所以Ids不再增加，此时达到饱和。击穿区：ID

14、S迅速增 大，直至引起漏-衬底的PN结被击穿。直流特性曲线：转移特性曲线：固定 Vbs和Vds，可测量Ids与Vgs的关系曲线 输出特性曲线：变化 Vbs和Vds ,测量Ids与Vgs的关系曲线。类型截面输出特性转移特性N沟增强型N沟耗尽型P沟增强型P沟耗尽型微电子概论之集成电路制造工艺部分1、单项工艺的实现和注意事项 o ？?（供参考使用的符号）（ 1）制膜工艺 氧化：生长出二氧化硅 二氧化硅的作用：在MOS集成电路中，二氧化硅曾作为 MOS期间的绝缘栅介质，这时，二 氧化硅是期间的一个重要组成部分。 作为选择扩散时的掩蔽层 作为集成电路的隔离介质 作为电容器的绝缘介质 作为多金属互连层之间

15、的介质材料 作为对期间和电路进行钝化的钝化层材料 二氧化硅的制备方法 干氧氧化：在高温下氧气与硅反应生成二氧化硅 水蒸气氧化法：高温水蒸气与硅发生反应 湿氧氧化化学汽相淀积： 分类：常压化学汽相淀积? APCVD ） 、低压化学汽相淀积? LPCVD ） 、等离子 增强化学汽相淀积? PECVD ） 。 几种常见物质的化学汽相淀积 二氧化硅 多晶硅 代替金属铝作为 MOS 器件的栅极 氮化硅 可作为局域氧化的掩蔽阻挡层 物理汽相沉淀：利用物理过程实现物质转移，原子或分子由原转移到沉底表面， 淀积成薄膜。蒸发：在真空系统中， 金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的叔父成 为蒸气原子，点击在

16、晶片上。灯丝加热蒸发，电子束蒸发。溅射：真空系统中充入惰性气体， 在高压电场作用下， 气体放电形成的离子被强 电场加速，轰击靶材料，使靶原子溢出并被溅射到晶片上。? 2）图形转换 光刻：通过曝光和选择腐蚀等步骤，将掩膜板上的设计好的图形转移到硅片上。 步骤及注意事项： 甩胶 将液态光刻胶均与铺在衬底上 曝光 光照射使光刻胶发生化学变化。接触式光刻、接近式光刻、投影式光 刻?用的最多）。 显影 后烘?增加显影后光刻胶的附着力） 刻蚀 湿法刻蚀、干法刻蚀 关键：选择型、对图像的控制性湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。 ?各向同性）干法刻蚀：利用低压放电产生的等离子体中的离

17、子或游离基与材料发 生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。? 3） 掺杂 将需要的杂志掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN 结、电阻、欧姆接触。 主要工艺：扩散、离子注入 离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术。 掺杂深 度由注入杂质离子的能量和质量决定， 掺杂浓度由注入杂质离子的数目决定。 优 点：均匀性好、温度低、精确控制杂质分布、注入各种各样的元素、横向扩展比 扩散要小得多、客队化合物半导体进行掺杂（4）退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的 热处理过程都可以称为退火。 作用 激活杂质：使不在晶格位置上的离子

18、运动到晶格位置， 以便具有电活性， 产生 自由载流子，起到杂质的作用。 消除损伤2、CMOS 集成电路工艺各步骤的方法： 制备肼生长二氧化硅淀积氮化硅 利用 N-well 版光刻，刻蚀氮化硅注入P;退火形成深的n-well 制备隔离 生长二氧化硅 淀积氮化硅 光刻保护有源区淀积p+型沟道阻挡层 生长厚氧化层 去掉有源区的氮化硅和二氧化硅 制备栅极 生长二氧化硅 淀积多晶硅 光刻、刻蚀多晶硅形成栅电极 制备源漏光刻n+区，选择注入AS、P光刻p+区，选择注入B 形成接触CVD 磷硅玻璃并刻孔 淀积 Al 刻蚀金属形成电极版图如下：集成电路设计的原则1、分层分级设计的基本概念分层设计 将一个复杂集

19、成电路或电路模块的设计问题分解为单元复杂性较 低的设计级别，而且这个级别还可以再分解到单元复杂性更低的设计级别；这样一直继续到是最终的设计级别的单元复杂性足够地，也就是说，能相当容易地由这一级设计出的单元逐级组织起复杂的电路。一般来说，级别越高，抽象程度越高；级别越低，细节越具体。模块设计 将电路分成不同模块进行设计，各模块可以并行设计，不同模块 完成不同的功能，最后集成为整个电路，完成所需的功能。分层分级设计的体现域的角度 行为设计：集成电路的功能结构设计：集成电路的逻辑和电路物理设计：集成电路光刻掩模版的辑和特性和物理特性层次的角度 系统级（系统行为描述，主要是一些性能指标）、算法级（系统 功能描述，主要是一些抽象的算法描述、控制流和数据流图）、寄存器传输级（RTL）（反映触发器、寄存器、计数器、算术逻辑预算单元等功能块间的互联、 逻辑级、电路级2、设计信息的描述描述方法：设计图形 设计语言语言描述 VHDL Verilog语言功能描述与逻辑描述设计图 功能设计-功能图，逻辑设计-逻辑图，电路设计-电