第二章 集成电路设计技术与工具

1、第二章第二章 集成电路材料与器件物理基础集成电路材料与器件物理基础 v2.1 引言引言v2.2 集成电路材料集成电路材料v2.3 半导体基础知识半导体基础知识v2.4 PN结与结型二极管结与结型二极管v2.5 双极型晶体管双极型晶体管v2.6 MOS晶体管的基本结构与工作原理晶体管的基本结构与工作原理v2.7 金属半导体场效应晶体管金属半导体场效应晶体管MESFETv2.8 本章小结本章小结2.1 引言引言 集成电路是当今人类智慧结晶的最佳载体，其集成电路是当今人类智慧结晶的最佳载体，其强大无比的功能产生于一系列重大的理论发现、重强大无比的功能产生于一系列重大的理论发现、重要的材料特性、奇特的

2、结构构思、巧妙的技术发明要的材料特性、奇特的结构构思、巧妙的技术发明和孜孜不倦的工艺实验。从某种意义上讲，集成电和孜孜不倦的工艺实验。从某种意义上讲，集成电路设计者就是这一系列理论和技术的路设计者就是这一系列理论和技术的“集成集成”者。者。要实现这个集成，首先要对这些理论、材料、结构、要实现这个集成，首先要对这些理论、材料、结构、技术与工艺基础等进行全面而深入的理解。本章主技术与工艺基础等进行全面而深入的理解。本章主要简单介绍制造集成电路的关键材料、半导体材料要简单介绍制造集成电路的关键材料、半导体材料的基础，以及典型器件的工作原理及其物理基础。的基础，以及典型器件的工作原理及其物理基础。2.

3、2 集成电路材料集成电路材料v导电能力可以分为导体、半导体和绝缘体三导电能力可以分为导体、半导体和绝缘体三类类 。是微电子系统则应用到所有三类材料。是微电子系统则应用到所有三类材料 。二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、氮化硅（Si3N4）等绝缘体硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（GaP）、氮化镓（GaN）等半导体铝（Al）、金（Au）、钨（W）、铜（Cu）等金属，镍铬（NiCr）等合金；重掺杂的多晶硅导 体电 导 率（Scm-1）材 料分 类5102-91010-14-221010v作为导体，铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金在集作为导体，铝、金、钨、铜等金属和镍铬等

4、合金在集成电路工艺中主要具有如下功能：成电路工艺中主要具有如下功能：（1）构成低值电阻；）构成低值电阻；（2）构成电容元件的极板；）构成电容元件的极板；（3）构成电感元件的绕线；）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；）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；）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；）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；）构成元器件之间的互连；（8）构成与外界焊接用的焊盘。）构成与外界焊接用的焊盘。重掺杂的多晶硅电导率接近导体

5、，因此常常被作为导体看重掺杂的多晶硅电导率接近导体，因此常常被作为导体看待，主要用来构成待，主要用来构成MOS晶体管的栅极以及元器件之间的短晶体管的栅极以及元器件之间的短距离互连。距离互连。 v作为绝缘体，二氧化硅、氮氧化硅作为绝缘体，二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅的氧、氮化硅等硅的氧化物和氮化物在集成电路工艺中主要具有如下功能：化物和氮化物在集成电路工艺中主要具有如下功能：（1）构成电容的绝缘介质；）构成电容的绝缘介质；（2）构成金属）构成金属-氧化物氧化物-半导体器件（半导体器件（MOS）的栅绝缘层；）的栅绝缘层；（3）构成元件和互连线之间的横向隔离；）构成元件和互连线之间的横向隔离；（4

6、）构成工艺层面之间的垂直隔离；）构成工艺层面之间的垂直隔离；（5）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。v而半导体材料，也是集成电路制造中的核心而半导体材料，也是集成电路制造中的核心材料，则主要利用半导体掺杂以后形成材料，则主要利用半导体掺杂以后形成P型型和和N型半导体，在导体和绝缘体材料的连接型半导体，在导体和绝缘体材料的连接或阻隔下组成各种集成电路的元件或阻隔下组成各种集成电路的元件半导体半导体器件。器件。 半导体材料在集成电路的制造中起着半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用。根本性的作用。 2.3半导体基础知识半导体基础知识2.3.1

7、固体的晶体结构固体的晶体结构 v固体分为晶体和非晶体两大类。固体分为晶体和非晶体两大类。晶体：宏观上具有对称的几何外形，微观上原子或离子呈现在空间晶体：宏观上具有对称的几何外形，微观上原子或离子呈现在空间有规则的周期性的排列。如用来制作集成电路的硅、锗、砷化镓等。有规则的周期性的排列。如用来制作集成电路的硅、锗、砷化镓等。晶体的性质与这种内在的周期性有关，内在的周期性导致电子共有晶体的性质与这种内在的周期性有关，内在的周期性导致电子共有化运动。化运动。非晶体：无论是否完整都没有固定的形状。如玻璃、橡胶等。非晶体：无论是否完整都没有固定的形状。如玻璃、橡胶等。电子共有化电子共有化 晶体中大量原子

8、晶体中大量原子 有规则排列有规则排列,晶体中形成了晶体中形成了如图所示的周期性势场如图所示的周期性势场,电子在这种周期性的势场电子在这种周期性的势场中运动中运动, 对于高能级的电子，其能量超过势垒高对于高能级的电子，其能量超过势垒高度，电子可以在整个固体中自由运动。度，电子可以在整个固体中自由运动。对于能量对于能量低于低于势垒高度的电子势垒高度的电子, ,也有一定的贯穿概率。也有一定的贯穿概率。 价电子不再为单价电子不再为单个原子所有个原子所有,而为整个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。晶体中周期性的势场晶体中周期性的势场 a1E2Ev晶体原子在空间的周期

9、排列就形成了具有一定几何晶体原子在空间的周期排列就形成了具有一定几何外形的晶体，通常将这种周期排列称为晶格。外形的晶体，通常将这种周期排列称为晶格。 v较为常见的主要有简单立方、体心立方、面心立方较为常见的主要有简单立方、体心立方、面心立方和金刚石结构。和金刚石结构。v砷化镓材料是一种面心立方；而硅和锗都是金刚石砷化镓材料是一种面心立方；而硅和锗都是金刚石结构。结构。 （a）砷化镓材料的闪锌矿结构）砷化镓材料的闪锌矿结构 （b）硅材料的金刚石结构）硅材料的金刚石结构2.3.2 固体能带结构基础固体能带结构基础2.3.2.1能带的形成能带的形成v对单个原子而言，电子在原子核外运动的轨迹是对单个原

10、子而言，电子在原子核外运动的轨迹是分立能级分立能级v如果两个相同原子相互靠近，由于原子的相互作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满足泡利不相容原理v当大量相同原子靠近并按当大量相同原子靠近并按照周期性排列后，它们相照周期性排列后，它们相互作用并形成周期势场，互作用并形成周期势场，导致能级发生分裂。导致能级发生分裂。 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，个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级子的

11、每一个能级, ,变成了变成了N条靠得很近的能级，条靠得很近的能级，称为称为能带能带。v能带的宽度记作能带的宽度记作 E ，数量级为，数量级为 EeV。v能带的一般规律能带的一般规律（1） 外层电子共有化程度显著，能带宽度较宽；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。内层电子相应的能带较窄。（2） 点阵间距越小，能带越宽，点阵间距越小，能带越宽， E越大。越大。（3） 两能带有可能重叠。两能带有可能重叠。v能带中的电子排布服从泡利不相容原理和能量最低原能带中的电子排布服从泡利不相容原理和能量最低原理。电子根据泡利不相容原理先填满能级低的能级再理。电子根据泡利不相容原理先填满

12、能级低的能级再填能级较高的能级。能带出现五种情况填能级较高的能级。能带出现五种情况 （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 v满带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。较低）。满带中的电子不能起导电作用。 v价带价带(valence band Ev)共价电子所在能级分裂后形成的能带。理想情况下，在价带之共价电子所在能级分裂后形成的能带。理想情况下，在价带之上能带是空的，没有电子上能带是空的，没有电子 ，在价带之下的能带则是全部填满，在价带之下的能带则是全部

13、填满的。在半导体中，价带就是能带最高的满带。的。在半导体中，价带就是能带最高的满带。v导带导带(conduction band EC)电子部分填充的能带。导带中的电子容易在外场下运动而形成电子部分填充的能带。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。对半导体而言，导带则是紧邻价带的那电流，所以称为导带。对半导体而言，导带则是紧邻价带的那个个“空带空带”。v空带空带所有能级均未被电子填充的能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。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）成，正常情况下是空的。当有激发因素（热激发、光激发等）时，价

14、带中的电子能够被激发进入空带。在外电场作用下，这时，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。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。 v禁带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，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叠，其间的禁带就不存在 。2

15、.3.2.2 导体、绝缘体和半导体的能带结构导体、绝缘体和半导体的能带结构 它们的导电性能不同，是因为它们的能它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为固体按导电性能的高低可以分为导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体v导体导体由于导带不满或者满带与空带（或导带）重叠，在外加电场的作用由于导带不满或者满带与空带（或导带）重叠，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。迁转移而形成定向移动，从而形成电流。(作业作业5：把下列元素按照：

16、把下列元素按照原子核电子排列的方式画出来原子核电子排列的方式画出来)v绝缘体绝缘体绝缘体的能带结构通常下图。最顶层的满带之上是没有电子填绝缘体的能带结构通常下图。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（通常大于充的空带，并且空带与满带之间的禁带非常大（通常大于3电电子伏特（子伏特（eV），例如二氧化硅），满带中的电子很难从外界），例如二氧化硅），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。的光、电、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

17、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。 v半导体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度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，一般小于较窄，一般小于3eV，如图。由于半导体禁带宽度小，在外电，如图。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）顶场、光、热等能量的激发下，满带（通常该满带称为价带）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 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

18、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。() 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2.3.3 本征半导体与杂质半导体本征半导

19、体与杂质半导体v本征半导体本征半导体 本征半导体是指纯净的半导体。本征半导体是指纯净的半导体。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与绝缘体之间。当半导体价带（是一个满带）中一个电子被外界的能量当半导体价带（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，则在导带中出现一个电激发到导带（是一个空带）上，则在导带中出现一个电子，相应地，价带中留下一个没有电子填充的子，相应地，价带中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

20、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,v电子和空穴都参与导电。电子和空穴都参与导电。v价带中的电子获得能量，越过禁带，跃迁到导带，成为自由电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

21、数量的空穴。我们将这种激发产子。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导体的生的跃迁过程称为半导体的本征激发本征激发，所产生的自由电子和空，所产生的自由电子和空穴称为穴称为本征载流子本征载流子。v本征激发所产生的自由电子和空穴数目是相同的。本征激发所产生的自由电子和空穴数目是相同的。v仅仅有本征激发的半导体是仅仅有本征激发的半导体是本征半导体本征半导体。 v事实上，当半导体中有少量缺陷和杂质，但是半导体中电子和事实上，当半导体中有少量缺陷和杂质，但是半导体中电子和空穴主要是由本征激发产生的，我们也称之为本征半导体。空穴主要是由本征激发产生的，我们也称之为本征半导体

22、。v杂质半导体杂质半导体 v由于特定杂质的掺入半导体，自由电子和空穴的数量（或者浓由于特定杂质的掺入半导体，自由电子和空穴的数量（或者浓度）不再完全相同，而是根据杂质的性质不同，半导体中自由度）不再完全相同，而是根据杂质的性质不同，半导体中自由电子浓度会远大于或者远小于半导体中的空穴浓度。电子浓度会远大于或者远小于半导体中的空穴浓度。v相应于本征半导体，相应于本征半导体，杂质半导体杂质半导体也被称为也被称为非本征半导体非本征半导体。v根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体可以分为根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体可以分为P型半导体型半导体和和N型半导体型半导体。v在在P型半导体中空穴浓度远大于自由

23、电子浓度，型半导体中空穴浓度远大于自由电子浓度，v在在N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度。型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度。vP型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体Si、e等，掺入少量三价的等，掺入少量三价的杂质杂质元素（如、元素（如、Ga、n等）形成空穴型半导等）形成空穴型半导体，称体，称 p 型半导体。型半导体。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。vP型半导体型半导体空穴空穴

24、是多数载流子是多数载流子多子多子电子电子是少数载流子是少数载流子少子少子Ec : conduction bandEv : valence bandEf : Fermi level四价的本征半导体四价的本征半导体 Si、等，掺入少量五价的、等，掺入少量五价的杂杂质质（impurity）元素（如元素（如P、As等）形成电子型半等）形成电子型半导体导体,称称 n 型半导体。型半导体。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

25、级。能级。vN型杂质半导体型杂质半导体 vN型半导体型半导体电子电子是多数载流子是多数载流子多子多子空穴空穴是少数载流子是少数载流子少子少子2.3.4 半导体的特性半导体的特性v半导体材料具有以下特性：半导体材料具有以下特性：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。当半导体受到外界光电热等激发时，其导电能力将发生显著的当半导体受到外界光电热等激发时，其导电能力将发生显著的变化。变化。利用金属与掺杂的半导体材料接触，可以形成肖特基二极管和利用金属与掺杂的半导体材料接触，可以形成肖特基二极管和金属金属-半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（MESFET）与高电

26、子迁移率晶体）与高电子迁移率晶体管（管（HEMT）等器件。）等器件。对不同区域的半导体材料进行不同类型和浓度的掺杂，可以形对不同区域的半导体材料进行不同类型和浓度的掺杂，可以形成不同类型，不同功能的晶体管。成不同类型，不同功能的晶体管。利用金属利用金属-氧化物氧化物-半导体结构，可以形成半导体结构，可以形成PMOS、NMOS和和CMOS场效应晶体管。场效应晶体管。v总之，正是由于这些独特的特性使得半导体材料在微电总之，正是由于这些独特的特性使得半导体材料在微电子方面具有十分重要的作用。子方面具有十分重要的作用。 2.4 PN结与结型二极管结与结型二极管2.4.1 PN结的形成结的形成 在一块在

27、一块 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为型半导体。杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为型半导体。 由于区的电子向区扩散，区的空穴向区扩由于区的电子向区扩散，区的空穴向区扩散，在散，在P型半导体和型半导体的交界面附近产生了型半导体和型半导体的交界面附近产生了一个电场一个电场, 称为内建场。称为内建场。v内建场阻止电子和空穴进一步扩散内建场阻止电子和空穴进一步扩散v内建场大到一定程度内建场大到一定程度,不再有净电荷的流动，达到了新的不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。平衡。v在型在型 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为

28、型交界面附近形成的这种特殊结构称为PN结结P-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

29、带价带价带2.4.2 PN结型二极管特性结型二极管特性零偏压零偏压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区费米能级持区费米能级持平，电子占据水平相当，没有载平，电子占据水平相当，没有载流子流动，处于平衡状态。流子流动，处于平衡状态。u正向偏压正向偏压在结的在结的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，电子向P区运动，区运动，形成正向电流。

30、形成正向电流。外Ep型型n型型IEv从能带角度来说阻挡层势垒被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削弱，阻挡层的总电场强度降低，低，PN结两端的结两端的能带弯曲变小能带弯曲变小。N区的费米能级高于区的费米能级高于P区的费米区的费米能级，电子和空穴容易获得足能级，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。区域。从而有电流流过势垒区。v反向偏压反向偏压外Ep型型n型型IE在结的在结的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

31、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。v从能带角度来说阻挡层势垒从能带角度来说阻挡层势垒被加强，阻挡层的总电场强被加强，阻挡层的总电场强度增大，度增大，PN结两端的能带弯结两端的能带弯曲变大。曲变大。P区的费米能级高区的费米能级高于于N区的费米能级，电子和区的费米能级，电子和空穴不能越过势垒区到达对空穴不能越过势垒区到达对方区域。只有漏电流流过势方区域。只有漏电流流过势垒区。垒区。v根据根据PN结的载流子浓度的分布和电流连续性方程，可结的载流子浓度的分布和电流连续性方程，可得出理想得出理

32、想PN结半导体二极管方程为：结半导体二极管方程为： （2.2）) 1(DSDkTqVeIIID为二极管的电流，为二极管的电流，IS为为二极管的反向饱和电流，二极管的反向饱和电流，q为电子电荷，为电子电荷，VD为二极管为二极管外加电压，外加电压，k为波尔兹曼常为波尔兹曼常数，数，T为绝对温度。为绝对温度。2.4.3 肖特基接触和肖特基结二极管肖特基接触和肖特基结二极管 v金属与半导体接触时，由于金属费米能级与半导体的费金属与半导体接触时，由于金属费米能级与半导体的费米能级不同，将导致电子从金属流向半导体或者半导体米能级不同，将导致电子从金属流向半导体或者半导体流向金属。从而形成肖特基接触。流向金

33、属。从而形成肖特基接触。v理论上当金属的费米能级高于理论上当金属的费米能级高于P型半导体的费米能级时，型半导体的费米能级时，或者金属费米能级低于或者金属费米能级低于N型半导体的费米能级时，由于型半导体的费米能级时，由于电子或空穴的流动将在半导体表面附近产生势垒区形成电子或空穴的流动将在半导体表面附近产生势垒区形成肖特基接触。其他情况不形成肖特基接触肖特基接触。其他情况不形成肖特基接触v事实上由于半导体表面态的存在，金属与轻掺杂的半导事实上由于半导体表面态的存在，金属与轻掺杂的半导体接触都能形成肖特基接触。体接触都能形成肖特基接触。v肖特基结形成过程肖特基结形成过程v金属与金属与N型半导体接触，

34、由于型半导体接触，由于N型型半导体的费米能级高于金属费米半导体的费米能级高于金属费米能级，电子将从半导体流向金属，能级，电子将从半导体流向金属，从而使得金属中电子增多而半导从而使得金属中电子增多而半导体中电子减少而留有带正电的施体中电子减少而留有带正电的施主能级。结果金属中带负电，半主能级。结果金属中带负电，半导体带正电。在接触界面存在内导体带正电。在接触界面存在内建电场，从建电场，从N型半导体指向金属。型半导体指向金属。接触界面附近的半导体能带发生接触界面附近的半导体能带发生完全，形成载流子阻挡层。具有完全，形成载流子阻挡层。具有跟跟PN结类似的整流特性。结类似的整流特性。v金属与金属与P型

35、半导体接触具有类似过型半导体接触具有类似过程。程。v同同PN结类似，它具有在正向偏压下电流增大，方向偏结类似，它具有在正向偏压下电流增大，方向偏压电流很小的整流特性。压电流很小的整流特性。2.4.4欧姆接触欧姆接触v当金属与重掺杂的半导体接触时，由于半导体中的多当金属与重掺杂的半导体接触时，由于半导体中的多子浓度大，形成的势垒区将非常薄。这导致金属中的子浓度大，形成的势垒区将非常薄。这导致金属中的电子不用越过接触势垒就能够通过电子不用越过接触势垒就能够通过隧穿效应隧穿效应达到半导达到半导体中。半导体中的载流子同样如此。此时势垒对载流体中。半导体中的载流子同样如此。此时势垒对载流子的阻碍作用几乎

36、可以忽略，载流子能够子的阻碍作用几乎可以忽略，载流子能够 “自由自由”通过金属与半导体的接触区。这样的金属与半导体接通过金属与半导体的接触区。这样的金属与半导体接触称为欧姆接触。（实际为重掺杂）触称为欧姆接触。（实际为重掺杂）2.5 双极型晶体管双极型晶体管2.5.1 双极型晶体管的基本结构双极型晶体管的基本结构 v在半导体晶体中形成两个靠得很近的在半导体晶体中形成两个靠得很近的PN结即可构成双结即可构成双极型晶体管。极型晶体管。v它们的排列顺序可以是它们的排列顺序可以是N-P-N或者或者P-N-P。前者我们称。前者我们称之为之为NPN晶体管，后者称之为晶体管，后者称之为PNP晶体管。晶体管。

37、v三个区域分别称为发射区、基区和集电区，对应引出的三个区域分别称为发射区、基区和集电区，对应引出的电极分别称为发射极电极分别称为发射极E、基极、基极B和集电极和集电极C。E-B之间的之间的PN结称为发射结，结称为发射结，C-B之间的之间的PN结称为集电结。结称为集电结。NPN 三极管剖面图三极管剖面图v一般在制作时，发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区；基区做一般在制作时，发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区；基区做的很薄（以微米甚至纳米计）；集电结的面积大于发射结的面积。的很薄（以微米甚至纳米计）；集电结的面积大于发射结的面积。因此，在使用时，因此，在使用时，E、C两个电极是不能交换的。电路

38、符号中两个电极是不能交换的。电路符号中E电极电极的箭头，表示正向电流的方向。的箭头，表示正向电流的方向。 NPN和和PNP晶体管的结构构成示意图、能带结构示意图和它们的晶体管符号。晶体管的结构构成示意图、能带结构示意图和它们的晶体管符号。 2.5.2 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理v由于晶体管有两个由于晶体管有两个PN结，所以它有四种不同的运用状结，所以它有四种不同的运用状态。态。（1）发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态；）发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态；（2）发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态；）发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态；（3）发射结反

39、偏，集电结也反偏时，为截止工作状态；）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。）发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。v在放大电路中，主要应用其放大工作状态。在放大电路中，主要应用其放大工作状态。 v双极型晶体管的电流放大作用双极型晶体管的电流放大作用 v共基极连接共基极连接v发射结正偏，结内电场减弱，发射发射结正偏，结内电场减弱，发射结宽度变窄，发射结中多子电子的结宽度变窄，发射结中多子电子的扩散运动占优势。发射区的大量电扩散运动占优势。发射区的大量电子注入到基区，形成电子电流子注入到基区，形成电子电流IE。v集电结反偏，大的电场从集电

40、结指集电结反偏，大的电场从集电结指向基区，流到薄的基区中的大量电向基区，流到薄的基区中的大量电子子(非平衡少子非平衡少子)在该大电场的作用在该大电场的作用下迅速漂移到集电区，形成集电电下迅速漂移到集电区，形成集电电流流IC。 v从能带结构来看，从能带结构来看，基区导带最高基区导带最高，从发射区过来的电子不能待在基区从发射区过来的电子不能待在基区而是迅速向势能更低的集电区流动。而是迅速向势能更低的集电区流动。v双极型晶体管的放大作用就用正向电流放大倍数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，来描述， F定定义为：义为：vv也称为共基极电流放大系数，其含义为基极不变，通过改变发射也称为

41、共基极电流放大系数，其含义为基极不变，通过改变发射极电流极电流IE来控制来控制IC以实现电流放大。以实现电流放大。 F远远大于远远大于1（通常大于（通常大于100）。）。v如果将发射极和集电极对换，从原理上讲没有本质上的不同。但如果将发射极和集电极对换，从原理上讲没有本质上的不同。但由于晶体管的实际结构不对称，特别是在由于晶体管的实际结构不对称，特别是在集成电路中，发射区嵌集成电路中，发射区嵌套在基区内，基区嵌套又在集电区内套在基区内，基区嵌套又在集电区内，发射结比集电结小得多，发射结比集电结小得多，反向电流放大倍数反向电流放大倍数R比比F小得多，故这种工作状态基本不用。小得多，故这种工作状态

42、基本不用。BCFII2.6 MOS晶体管的基本结构与工作原理晶体管的基本结构与工作原理2.6.1MOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构v金属氧化物半导体场效应晶体管，简称为金属氧化物半导体场效应晶体管，简称为MOS器件器件vMOS是由导体、绝缘体与构成是由导体、绝缘体与构成MOS器件衬底的掺杂半导体这器件衬底的掺杂半导体这三层材料叠在一起组成的，绝缘体介于导体和掺杂半导体之间。三层材料叠在一起组成的，绝缘体介于导体和掺杂半导体之间。vMOS的基本原理：在半导体靠近绝缘体界面感应出与原掺杂的基本原理：在半导体靠近绝缘体界面感应出与原掺杂类型相反的载流子，形成一条导电沟道，从而导通两侧的掺杂类型相

43、反的载流子，形成一条导电沟道，从而导通两侧的掺杂半导体电极。半导体电极。v根据形成导电沟道的载流子的类型，根据形成导电沟道的载流子的类型，MOS管被分为管被分为NMOS和和PMOS。 NMOS和和PMOS结构示意图结构示意图2.6.2 MOS晶体管的基本工作原理晶体管的基本工作原理v以以NMOS晶体管为例，如果没有任何外加偏置电压，从漏到源是两个背对晶体管为例，如果没有任何外加偏置电压，从漏到源是两个背对背的二极管结构。它们之间所能流过的电流就是二极管的反向漏电流。背的二极管结构。它们之间所能流过的电流就是二极管的反向漏电流。v如果把源漏和衬底接地，在栅上加一足够高的正电压，正的栅压将要排斥如

44、果把源漏和衬底接地，在栅上加一足够高的正电压，正的栅压将要排斥栅下的栅下的P型衬底中的空穴而吸引电子。电子在表面聚集到一定浓度时，栅型衬底中的空穴而吸引电子。电子在表面聚集到一定浓度时，栅下的下的P型层将变成型层将变成N型层，即呈现反型。型层，即呈现反型。N反型层与源漏两端的反型层与源漏两端的N型扩散层型扩散层连通，就形成以电子为载流子的连通，就形成以电子为载流子的导电沟道导电沟道。v如果漏源之间有电位差，将有电流流过。如果漏源之间有电位差，将有电流流过。v如果加在栅上的正电压比较小，不足以引起沟道区反型，器件仍处在不导如果加在栅上的正电压比较小，不足以引起沟道区反型，器件仍处在不导通状态。引

45、起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为阈值电压通状态。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。2.6.3MOS晶体管性能分析晶体管性能分析v导通区导通区：当：当VgsVT, Vds=0V时，栅下沟道以纵向时，栅下沟道以纵向电场为主，并且由于栅压大于阈值电压，沟道反电场为主，并且由于栅压大于阈值电压，沟道反型，形成导电沟道型，形成导电沟道v线性区线性区：当：当VgsVT, VdsVT ,沟道还是处于开启状态，只沟道还是处于开启状态，只是导电沟道变窄。是导电沟道变窄。v夹断区夹断区：当：当VgsVT, VdsVgsVT，由于，由于Vds增大，增大，使得栅漏之间的电压差到使得栅漏之

46、间的电压差到(VgsVds )VT ,沟道从沟道从强反型变为耗尽状态，栅漏之间的沟道断开。但强反型变为耗尽状态，栅漏之间的沟道断开。但是栅源之间电压还是大于是栅源之间电压还是大于VT，此处仍然保持导电，此处仍然保持导电沟道状态。源漏之间由于一处断开而截止。沟道状态。源漏之间由于一处断开而截止。v一个一个MOS管的正常导电特性可分为以下几个区域：管的正常导电特性可分为以下几个区域：（1）“截止截止”区：这时的电流是源漏间的泄漏电流；区：这时的电流是源漏间的泄漏电流；（2）“线性线性”区：弱反型区，这时漏极电流随栅压线性增加；区：弱反型区，这时漏极电流随栅压线性增加；（3）“饱和饱和”区：沟道强反

47、型（变为耗尽），漏极电流与漏极电压无关。区：沟道强反型（变为耗尽），漏极电流与漏极电压无关。v当漏极电压太高时，会发生称为雪崩击穿或穿通的非正常导电情况。当漏极电压太高时，会发生称为雪崩击穿或穿通的非正常导电情况。v描述描述NMOS器件在三个区域中性能的理想表达式为器件在三个区域中性能的理想表达式为dsTgsTgsNTgsdsdsdsTgsNTgsdsVVVVVKVVVVVVVKVVI0)(202)(0022截止区 线性区 饱和区 漏极电流漏极电流DIoxoxndtoxnDSDSTGSLWkDdydVndyvdyTGSoxIIdtdQDCkVVVVIyEyEyvdtVyVVCyQWdyQdQI)(2)(, )()(, )()(22)(TGSVV当当 时，产生反型现象，导电沟道形成时，产生反型现象，导电沟道形成-场效应场效应 ，水平电场强度为，水平电场强度为0，漏源电流也为，漏源电流也为0 ，产生水平电场，产生漏电流，产生水平电场，产生漏电流0DSV0DSVvKN是是NMOS晶体管