集成电路版图设计基础第1章：版图设计基础

集成电路版图设计基础

basicsofIClayoutdesigninstructor:Wangxiaoleie-mail:wangxiaolei@schoolofphye1basicsoficlayoutdesign第一章版图设计基础半导体物理器件基础

半导体

PN结

晶体管

基本电路制造工艺及测试通用版图设计流程

schoolofphye2basicsoficlayoutdesign半导体材料

-固态材料分类：导体，半导体，绝缘体。半导体物理器件基础-半导体schoolofphye3basicsoficlayoutdesign半导体材料

-固态材料分类：导体，半导体，绝缘体。绝缘体：介于10-18S/cm~10-8S/cm,如熔融石英、玻璃导体：介于104S/cm~106S/cm，如铝、银等金属半导体：介于二者之间，如Si、Ge等超导体：大于106S/cm-半导体材料的类型：元素(element)半导体化合物(compound)半导体半导体物理器件基础-半导体schoolofphye4basicsoficlayoutdesign半导体材料

-元素半导体:

第IV族元素,硅(Si)，锗(Ge)。硅、锗都是由单一原子所组成的元素半导体，周期表第IV族元素。

20世纪50年代初期：锗

60年代初期以后：硅硅的优势：硅器件在室温下有较佳的特性；高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生，成本低；硅含量占地表的25%，仅次于氧，储量丰富。半导体物理器件基础-半导体schoolofphye5basicsoficlayoutdesign半导体材料

-化合物半导体：二元化合物(binarycompound)GaAs、InP、ZnS

三元化合物(ternarycompound)AlxGax-1As

四元化合物(quaternarycompound)GaxIn1-xAsyP1-y

化合物半导体的优势与不足：

1.许多化合物半导体具有与硅不同的电和光电特性。这些半导体，特别是砷化镓(GaAs),主要用于高速光电器件。

2.与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。

3.化合物半导体的技术不如硅半导体技术成熟。

半导体物理器件基础-半导体schoolofphye6basicsoficlayoutdesign半导体材料

-化合物半导体材料：半导体物理器件基础-半导体schoolofphye7basicsoficlayoutdesign半导体材料

-能带孤立氢原子的波尔能级模型：

Eh=-13.6/n2eV

多个相同原子接近时,分裂成

N个分离但接近的能级，当N

很大时，将形成一连续的能带。

-导带、价带、禁带宽度

3s/3p副外层交互作用及重叠，由2/6个允许的量子态，分裂成分别有4个量子态的低/高能带。导带底部为Ec，价带顶部为Ev，

Ec-Ev为禁带宽度Eg。

SiEg=1.12eV,GaAsEg=1.42eV。半导体物理器件基础-半导体schoolofphye8basicsoficlayoutdesign半导体材料

-P型半导体和N型半导体的杂质能级:

半导体物理器件基础-半导体schoolofphye9basicsoficlayoutdesign半导体材料

-有效质量一个自由电子的动能为E=p2/2m0

半导体晶体中，E=p2/2mnmn=(d2E/dp2)-1-直、间接禁带半导体

以“E-p曲线中导带的最低处和价带的最高处是否发生在相同的p位置”来判别直、间接禁带半导体。半导体物理器件基础-半导体schoolofphye10basicsoficlayoutdesign半导体材料

-直接禁带半导体：右图为砷化镓的动量-能量关系曲线，其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处

(p＝0)。因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。这类半导体称为直接带隙半导体。

砷化镓有一非常窄的导带抛物线，其电子的有效质量仅为0.063m0。半导体物理器件基础-半导体能量/eVschoolofphye11basicsoficlayoutdesign半导体材料

-间接禁带半导体：对硅而言，其动量-能量曲线中价带顶部发生在p＝0时，但导带的最低处则发生在沿[100]

方向的p＝pC。因此，当电子从硅的价带顶部转换到导带最低点时，不仅需要能量转换

(≥Eg),也需要动量转换(≥pC)。这类半导体称为间接带隙半导体。硅有一较宽的导带抛物线，其电子的有效质量为0.19m0。直接与间接禁带结构的差异在发光二极管与激光等应用中相当重要。直接禁带半导体产生有效光子。半导体物理器件基础-半导体能量/eVschoolofphye12basicsoficlayoutdesign半导体材料

-半导体的特性：

1.半导体的导电能力随温度升高而增加(金属相反)2.光照或用高能粒子辐射半导体，可使电阻率下降

3.当半导体含有杂质时，其导电能力取决于杂质的类型和浓度

4.具有比金属强得多的霍耳系数，而且可正、可负半导体物理器件基础-半导体schoolofphye13basicsoficlayoutdesign器件基本结构：金属半导体接触（MESFET：金属半导体场效应晶体管）

pn结异质结（NPN型GaAlAs/GaAs晶体管的结构图）

MOS结构（N沟道MOSFET）半导体物理器件基础-半导体schoolofphye14basicsoficlayoutdesign主要半导体器件:半导体物理器件基础-半导体1874金属半导体接触

Braun1907发光二极管LED

Round1947双极晶体管BJT

Bardeen,Brattain,Shockley1949pn结

Shockley1952可控硅器件

Ebers1954太阳能电池

Chapin，Fuller，Pearson1957异质结双极型晶体管HBT

Kroemer1958隧道二极管tunneldiode

Esaki1960MOSFET

Kahng，Atalla1962激光

Hall，etal.1963异质结激光

Kroemer，Alferov，Kararinov1963转移电子二极管TED

Gunn1965碰撞电离雪崩渡越时间二极管IMPATTdiodeJohnston,Deloach,Cohen1966金半场效应晶体管MESFET

Mead1967非挥发性半导体存储器NVSM

Kahng，施敏1970电荷耦合器件CCD

Boyle，Smith1974共振隧道二极管

张立纲，Esaki，Tsu1980调制参杂场效应晶体管MODFET

Mimura,etal.1994室温单电子存储器SEMC

Yano,etal.200115nm金氧半场效应晶体管

Yu,etal.

schoolofphye15basicsoficlayoutdesignpn结制作方法：将杂质掺入半导体方法有两种：合金法，扩散法。合金法：是将一个含有所需杂质的小球(如铝球)放在半导体晶片上(如N型硅片)，在真空中将它们一起加热到小球熔化，杂质即以合金的形式掺入到半导体晶片内，冷却后，小球下面就形成了一个与半导体晶片导电类型相反的(如P型)区域，得到了所需的P-N结。用合金法制得的P-N结称为合金结。在理想的合金结中，N区的施主及P区的受主都是均匀分布的，在N区和P区的交界处发生突变。因此理想化的合金结被称作突变结。扩散法：是将半导体晶片暴露于高浓度杂质(杂质的类型与晶片原有的杂质类型是相反的)，在高温下，形成P-N结。扩散法能精确控制结的位置，其杂质分布是缓娈的，扩散结亦称缓变(渐变)结。半导体物理器件基础-PN结schoolofphye16basicsoficlayoutdesign空间电荷区、内建电场：多子分别向两侧扩散，而被固定在晶格中的施主(donor)和受主(acceptor)形成空间电荷区。

P区一侧带负电，N区一侧带正电，空间电荷区内形成一个电场，称为内建电场。

半导体物理器件基础-PN结pn结中的扩散、漂移运动和接触电势差schoolofphye17basicsoficlayoutdesign平衡费米能级：热平衡时，也就是在给定温度下，没有任何外加刺激，流经结的电子和空穴的净值为零。此时，整个样品上的费米能级必须是常数，pn结的p/n型半导体的费米能级处在同一水平线上。耗尽区、势垒电容:

耗尽区宽度：

W={[(2εs/q)(NA+ND)/(NA*ND)]*Vbi}1/2

单边突变结(one-sideabruptjunction):

W≈xn=[2εs(Vbi-V)/qND]1/2

线形缓变结(linearlygradedjunction):

W=(12εsVbi/qa)1/3

单边突变结单位面积势垒电容:

Cj=εs/W=[qεsNB/

2(Vbi-V)]1/2

线形缓变结单位面积势垒电容:

Cj=εs/W=[qaεs2/12(Vbi-V)]1/3半导体物理器件基础-PN结schoolofphye18basicsoficlayoutdesign结击穿：隧道效应tunnelingeffect

击穿机制雪崩倍增avalanchemultiplication异质结：两种晶格常数(latticeconstant)接近的不同半导体材料。

接触的界面(interface)没有陷阱(trap)或产生-复合中心二极管:

二极管符号由代表阳极的箭头和代表阴极的垂直线组成。二极管能够按照箭头的指向单向导电。

半导体物理器件基础-PN结pn结二极管肖特基二极管齐纳二极管schoolofphye19basicsoficlayoutdesign二极管-PN结二极管二极特性曲线可用下式描述：

ia=G*Ua3/2

二极管的3/2次方定律。二极管-肖特基二极管半导体和金属之间也可以形成整流结,称为肖特基势垒,利用它制作出的半导体器件称为肖特基二极管.pn结二极管-少子器件肖特基二极管-多子器件二极管-齐纳二极管由隧穿引发的反向击穿称为齐纳击穿。齐纳二极管

雪崩二极管半导体物理器件基础-PN结schoolofphye20basicsoficlayoutdesign晶体管的发明:

1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,

W.Schokley，J.Bardeen、W.H.Brattain。

Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。

1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管。半导体物理器件基础-晶体管Schokley,Bardeen,Brattain&TheFirstTransistorNPN-GeTransistorschoolofphye21basicsoficlayoutdesignBJT：双极型管，是因为它由空穴和自由电子两种载流子参与导电。而单极型半导体三极管只有一种载流子导电。由两个相距很近的PN结组成：

基区宽度远远小于少子扩散长度

NPN和PNP两种形式半导体物理器件基础-晶体管发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极schoolofphye22basicsoficlayoutdesignBJT：为使三极管具有电流放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件，即：

1.发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”。

2.基区很薄，掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。

3.集电区比发射区体积大且掺杂少，以利于收集载流子。由此可见，三极管并非两个PN结的简单组合，不能用两个二极管来代替；在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用。半导体物理器件基础-晶体管schoolofphye23basicsoficlayoutdesignBJT的三种组态：

半导体物理器件基础-晶体管三极管电路的三种组态（a）共发射极接法;（b）共基极接法;（c）共集电极接法schoolofphye24basicsoficlayoutdesignBJT的优点：

半导体物理器件基础-晶体管垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大易于获得高fT高速应用整个发射结上有电流流过可获得单位面积的大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度高跨导输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容schoolofphye25basicsoficlayoutdesignBJT的缺点：

半导体物理器件基础-晶体管存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷上升开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IBschoolofphye26basicsoficlayoutdesignBJT(npn)的结构和版图示意图：

半导体物理器件基础-晶体管schoolofphye27basicsoficlayoutdesignMOSFET：

半导体物理器件基础-晶体管schoolofphye28basicsoficlayoutdesignMOSFET：

半导体物理器件基础-晶体管schoolofphye29basicsoficlayoutdesignMOSFET：长沟道MOSFET的输出特性

半导体物理器件基础-晶体管schoolofphye30basicsoficlayoutdesignJFET：

JFET夹断的两种情况:(1)漏源电压变大

(2)栅-体和背栅-体反向电压的不断增加上述两种情况都可能引起JFET的漏源击穿。半导体物理器件基础-晶体管JFET结构图JFET输出特性曲线schoolofphye31basicsoficlayoutdesignMESFET：

n型III-V族化合物如GaAs制成，实际制造是在半绝缘衬底

(semi-insulatingsubstrate)

上生长一外延层。命名：

0.5umx300um(LxZ)器件线性区沟道电阻：R=ρL/A=L/qμnNDA=L/qμnNDZ(a-W)ND施主浓度，A电流流动的截面积，W肖特基势垒耗尽区宽度饱和电压：Vdsat=qNDa2/2εs-Vbi-Vg

半导体物理器件基础-晶体管schoolofphye32basicsoficlayoutdesignHBT：HeterojunctionBipolarTransistor异质结双极晶体管在半导体异质结构中，中间层有较低的能带，因此电子很容易就由旁边的夹层注入，是故在晶体管中由射极经过基极到集极的电流，就可以大为提高，晶体管的放大倍率也为之增加；同时基极的厚度可以减小，其掺杂浓度可以增加，因而反应速率变大，所以异质结构得以制作快速晶体管。W.B.肖克莱于1951年提出这种晶体管的概念。HBT因具有快速、高放大倍率的优点，因而广泛应用于人造卫星通讯或是行动电话等。

HBT主要由化合物半导体或合金半导体构成，需要两种禁带宽度不同的材料分别作为发射区和基区，宽带隙材料作发射区，窄带隙材料作基区。而在DHBT(双异质结双极型晶体管)时，集电区与基区材料带隙也不相同。为更加有效地利用异质结晶体管的特性，其结构也不再是普通的平面结构，而是采用双平面结构。半导体物理器件基础-晶体管schoolofphye33basicsoficlayoutdesignHBT：HeterojunctionBipolarTransistor异质结双极晶体管

半导体物理器件基础-晶体管加偏后NPN型GaAlAs/GaAs晶体管的能带图NPN型GaAlAs/GaAs晶体管的结构和杂质剖面图schoolofphye34basicsoficlayoutdesignHEMT：

high-electronmobilitytransistor高电子迁移率晶体管：也称调制掺杂场效应管（MODFET），又称二维电子气场效应管（2DEGFET），它是利用调制掺杂方法，在异质结界面形成的三角形势阱中的二维电子气作为沟道的场效应晶体管，简称HEMT。

HEMT也是一种异质结场效应晶体管，为MESFE的变型。此术语由富士通(Fujitsu)公司提出。特点：非常高的截止频率fT；非常高的最大频率fmax；短沟道效应较小；噪声性能好。半导体物理器件基础-晶体管schoolofphye35basicsoficlayoutdesignHEMT：应用领域：微波低噪声放大高速DIC

高速SRAM

低温电路功率放大微波震荡

因HEMT具有很高的响应频率(600GHz)且低噪声的优点，因此广泛应用于无限与太空通讯以及天文观测。半导体物理器件基础-晶体管简单HEMT的层结构schoolofphye36basicsoficlayoutdesigninverter：半导体物理器件基础-基本电路nwellCMOScrossviewschoolofphye37basicsoficlayoutdesigninverter：半导体物理器件基础-基本电路CMOSinverterschematicandlayoutschoolofphye38basicsoficlayoutdesignNAND：半导体物理器件基础-基本电路CMOSNANDschematicandlayoutschoolofphye39basicsoficlayoutdesignNOR：半导体物理器件基础-基本电路CMOSNORschematicandlayoutschoolofphye40basicsoficlayoutdesigntransmissiongate：

半导体物理器件基础-基本电路TGschematicandlayoutschoolofphye41basicsoficlayoutdesign制造工艺及测试-ICDesignFlow