集成电路科学与工程导论-第三章-集成电路晶体管器件

00集成电路科学与工程导论第三章集成电路晶体管器件目录晶体管器件概述金属-氧化物-半导体场效应晶体管技术绝缘体上晶体管技术三维晶体管技术其他类型晶体管器件晶体管基本结构基极发射极集电极I沟道PNNe栅极源极漏极I沟道PNNe(a)(b)双极结型晶体管（BJT）金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）势效应晶体管（PET）场效应晶体管（FET）场效应晶体管发展历程晶体管诞生以后的发展非常迅猛1950年：日本的西泽润一和渡边宁发明了结式场效应晶体管（JFET）；1952年：基于晶体管的助听器和收音机投入了市场；1954年：贝尔实验室的坦恩鲍姆制备了第一个硅晶体管，

同年，德州仪器公司的蒂尔实现了硅晶体管的商业化生产；1956年：通用电气公司发明了晶闸管（Thyristor）；1959年：贝尔实验室的卡恩和艾塔拉发明了MOSFET；从20世纪50年代起，晶体管开始逐渐在军用装备中替代真空电子管；1965年：仙童半导体公司的戈登·摩尔提出了著名的“摩尔定律”；1967年：卡恩和施敏制作了浮栅型MOSFET，奠定了非易失存储的基础；1969年：英特尔公司成功开发出第一个P型MOSFET晶体管；1971年：英特尔发布了第一个微处理器4004，包含2000多个晶体管；1998年起，半导体技术国际路线图（ITRS）每两年发布一次，MOSFET不仅变得越来越小，在器件结构和材料体系上也经过了多次重大变革集成电路器件发展趋势国际半导体技术蓝图（InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors，ITRS）目录晶体管器件概述金属-氧化物-半导体场效应晶体管技术绝缘体上晶体管技术三维晶体管技术其他类型晶体管器件金属-氧化物-半导体场效应晶体管分类类型N型P型增强型耗尽型增强型耗尽型简称E-NMOSD-NMOSE-PMOSD-PMOS衬底P型N型源、漏区n+p+沟道载流子电子空穴阈值电压（VT）*VT>0VT

<0VT

<0VT

>0电路符号（标准四端口）电路符号（简化三端口）*耗尽型的阈值电压为导电沟道消失的栅极电压金属-氧化物-半导体场效应晶体管结构p-衬底沟道n+n+L源区漏区源极S漏极DW场氧化层源区漏区栅极G栅极G栅氧化层俯视图：截面图：p+基体极B增强型NMOS（E-NMOS）结构示意图金属-氧化物-半导体场效应晶体管特性典型的增强型NMOS输出特性曲线一般被分为四个区域：夹断区（cutoffregion，也被称为截止区）；线性区（linearregion，也被称为可变电阻区）；饱和区（saturationregion，也被称为恒流区）；击穿区（breakdownregion）。互补型金属-氧化物-半导体场效应晶体管P型Si衬底（B）沟道n+n+tOX源区漏区源极S漏极D场氧化层栅极G栅氧化层N型Si衬底（B）沟道p+p+源区漏区源极S漏极D栅极GNMOSPMOS沟道n+n+栅极Gn-阱沟道p+p+栅极Gp-衬底OutputGNDVDDCMOS互补型金属-氧化物-半导体场效应晶体管沟道n+n+栅极Gn-阱沟道p+p+栅极Gp-衬底InputNMOSPMOSVDDOutputGNDp+n+CMOS集成电路的特点：①静态功耗低；②逻辑摆幅大；③抗干扰能力强；④可在较广泛的电源电压范围内工作；⑤速度快；⑥在模拟电路中应用，其性能比NMOS电路好；⑦与NMOS电路相比，集成度稍低；⑧有“闩锁效应”。发展趋势-摩尔定律「按比例缩小定律」（英文：Scalingdown）“比例缩小”是指，在电场强度和电流密度保持不变的前提下，如果MOS-FET的面积和电压缩小到1/2，那么晶体管的延迟时间将缩短为原来的1/2，功耗降低为原来的1/2。晶体管的面积一般为栅长(L)乘以栅宽(W)，即尺寸缩小为原来的0.7倍：1974年IBMDRAM开发者R.H.Dennard首次提出目录晶体管器件概述金属-氧化物-半导体场效应晶体管技术绝缘体上晶体管技术三维晶体管技术其他类型晶体管器件闩锁效应「闩锁效应」（英文：Latchup）指CMOS电路中在电源VDD和地线GND之间由于寄生的PNP和NPN相互影响可能会产生一个低阻抗通路，使得VDD和GND之间产生大电流，导致器件无法正常工作，甚至烧毁该器件的现象。PMOS的源极/漏极、n-阱、p-衬底：寄生PNP型BJTNMOS的源极/漏极、p-衬底、n-阱：寄生NPN型BJT外界干扰：ESD、辐照、电源浪泳等蓝宝石上硅技术「蓝宝石上硅」（英文：SilicononSapphire，SOS）通过外延生长在高纯度人工生长的蓝宝石（Al2O3）晶体上形成异质外延层，外延层薄膜厚度小于0.6μm，集成电路制造在外延层上。优点：蓝宝石是良好的绝缘体，SOS衬底做的集成电路具备抗辐照、低功耗等优势；缺点：成本高，存在晶格失配问题和自掺杂效应。图片来源绝缘体上硅「绝缘体上硅」（英文：SilicononInsulator，SOI）指在半导体的绝缘层（如二氧化硅）上附着非常薄的一层单晶硅的衬底制备技术。基于SOI结构上的器件将在本质上可以减小结电容和漏电流，提高开关速度，降低功耗，实现高速、低功耗运行。表面硅薄层（器件层）绝缘二氧化硅中间层（埋氧层）硅衬底层（支撑层）PD/FD-SOI(a)「部分耗尽型SOI器件」（英文：PartiallyDepletedSOI，PD-SOI）(b)「全耗尽型SOI器件」（英文：FullyDepletedSOI，FD-SOI）指顶层单晶硅薄层厚度小于等于50nm的SOI晶体管器件，当器件工作在饱和区时，源漏耗尽层厚度小于顶层薄层厚度。FD-SOI-CMOS器件n-阱p衬底p-阱氧化物埋层（BOX）栅极沟道n+n+p+氧化物埋层（BOX）栅极沟道p+p+n+相对于传统的体CMOS，FD-SOI器件是利用介质隔离的，并且其体区是全部耗尽的，大幅降低了源极、漏极、衬底以及阱之间的寄生电容，因此非常适合应用于射频电路中。绝缘体上硅器件的优势及挑战e-e-(a)(b)栅极Gn+n+p-衬底氧化物埋层（BOX）栅极Gn+n+p-衬底优势：氧化物埋层降低了源极和漏极之间的寄生电容，大幅降低了会影响器件性能的漏电流；具有背面偏置能力和极好的晶体管匹配特性，没有闩锁效应，对外部辐射不敏感，还具有非常高的晶体管本征工作速度等；挑战：存在一定的负面浮体效应；二氧化硅的热传导率远远低于硅的热传导率使它成为一个天然“热障”，引起自加热效应；成本高昂。目录晶体管器件概述金属-氧化物-半导体场效应晶体管技术绝缘体上晶体管技术三维晶体管技术其他类型晶体管器件金属-氧化物-半导体场效应晶体管的挑战亚阈值泄漏电流不为零「短沟道效应」（英文：ShortChannelEffect，SCE）当MOS晶体管的沟道长度小到可以和漏结及源结的耗尽层厚度相比拟时，会出现一些不同于长沟道MOS管特性的现象的总称。关不上的水龙头金属-氧化物-半导体场效应晶体管的挑战源极漏极栅极亚阈泄漏电流衬底栅致漏极泄漏GIDL电流栅泄漏电流VGS0NMOSPMOSIDVDS

>0VDS~0(a)(b)MOSFET中能够引发静态功耗的泄漏电流主要有：

源极到漏极的亚阈值泄漏电流、栅致漏极泄漏（GIDL）电流和栅极泄漏电流等晶体管的演变双栅（Doublegate，DG）器件原理图超薄体（Ultrathinbody，UTB-SOI）SOI晶体管体硅（Bulk）晶体管背栅（Backgate）鳍式栅（Fin）器件原理图平面→立体鳍式场效应晶体管「鳍式场效应管」（英文：FinFET）工艺技术，随着集成电路特征尺寸按比例缩小到22nm时短沟道效应愈发严重，在美国DARPA资助下胡正明教授提出采用栅控制薄沟道的方法，其中通过高而薄的鳍式硅沟道，强化了栅极对沟道的控制。FinFET之父胡正明教授FinFET结构单个Fin等效栅宽：Fin越来越瘦且越来越高FinFET宽度只能是等效栅宽的整数倍FinFET特征尺寸FinFET特征尺寸为Fin的宽度而不是沟道长度栅极的发展趋势三栅（Tri-gate，TG）FET环栅（Gateallaround，GAA）FET环栅场效应晶体管(a)栅极G硅(b)栅极G硅硅「环栅场效应晶体管」（英文：GAAFET）技术的特点是实现了栅极对沟道的四面包裹，源极和漏极不再和基底接触，而是利用线状或者片状（平板状）的多个源极和漏极垂直于栅极横向放置，实现MOSFET的基本结构和功能纳米线纳米片垂直型平面型互补场效应管「互补场效应管」（英文：ComplementaryFET，CFET）一对或多对NFET和PFET纳米线或纳米片沟道垂直堆叠，NFET和PFET共用一个栅极作为信号输入端，共用一个漏极作为信号输出端，源极分别接地和供电电源的结构。NPNP目录晶体管器件概述金属-氧化物-半导体场效应晶体管技术绝缘体上晶体管技术三维晶体管技术其他类型晶体管器件3.5其他类型晶体管器件伴随着晶体管尺寸的减小，短沟道效应造成的漏电流问题严重限制了晶体管器件的进一步发展因此，人们基于新材料和新原理发展新型场效应晶体管高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管发展史：1960年Anderson等人预言了异质结界面会有电子积累；1969年Easki和Tsu提出在禁带宽度不同的异质结结构中，离化的施主和自由电子是分离的，会提高电子迁移率；1978年，R.Dingle等人首次在分子束外延生长的GaAs/AlGaAs超晶格结构中观察到了相当高的电子迁移率，并证明这种高电子迁移率存在于异质界面，这种二维导电电子体系被称为二维电子气（2-DimensionalElectronGas，2-DEG）1980年，日本富士通公司研制出GaAs/n-AlxGa1-xAs异质结构场效应管，即高电子迁移率晶体管（HighElectronMobilityTransistor，HEMT）高电子迁移率晶体管HEMT将二维电子气作为沟道，是一种异质结场效应晶体管，又称为二维电子气场效应晶体管等；砷化铝镓（AlGaAs）层通常也被称为控制层，它与金属栅极形成肖特基势垒，与砷化镓（GaAs）层形成异质结；在宽禁带的砷化铝镓层中掺有施主杂质，在窄禁带的砷化镓层中不掺杂。n-AlGaAs/GaAs异质结HEMT的基本结构基本结构：高电子迁移率晶体管AlGaAs/GaAs是一种调制掺杂异质结，在其界面、本征半导体一边处构成一个电子势阱，势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气；由于载流子与杂质在空间上实现了分离，载流子不遭受电离杂质散射，迁移率很高；通过改变栅压可以改变势阱的深度和宽度，从而改变二维电子气的浓度，实现对HEMT漏极电流的控制。具有肖特基势垒的AlGaAs/GaAs异质结构导带图低维场效应晶体管几种典型的低维材料：石墨烯二硫化钼碳纳米管材料名称导电性优势面临的问题石墨烯半金属超薄厚度；超高的载流子迁移率；没有带隙二硫化钼半导体与金属电极的欧姆接触碳纳米管由半径及手性决定碳纳米管生长的精确控制二维材料：具有原子尺度厚度的层状材料，一般由一个或者几个原子层构成，如石墨烯。二硫化钼。一维材料：纳米管和纳米线等相较于长度，其宽度和厚度尺寸可以忽略的纳米材料。低维场效应晶体管顶栅二维场效应晶体管典型的顶栅二维材料场效应晶体管结构：由栅极、连接源极与漏极的二维材料沟道和分离栅极与二维材料沟道的绝缘层组成；无掺杂碳纳米管场效应晶体管：碳纳米管能带的导带和价带完全对称，其极性可以通过接触电极来控制，无需任何掺杂；同一根碳纳米管上分别蒸镀钯（Pd）和钪（Sc）电极，可以分别形成N型和P型场效应晶体管；P型器件和N型器件的主要参数，如饱和电流、饱和区跨导、亚阈值摆幅等，都高度对称。无掺杂碳纳米管场效应晶体管自旋逻辑器件自旋逻辑器件：利用电子自旋这一量子属性来存储和传递信息，因此本征地具有非易失和静态功耗为零的特点，理论上可以完全避免短沟道效应造成的漏电流等问题。如全自旋逻辑器件、自旋场效应晶体管、自旋矩振荡逻辑器件和自旋波逻辑器件等。几种典型的自旋逻辑器件原理图：（a）全自旋逻辑器件；（b）自旋场效应晶体管；（c）自旋矩振荡逻辑器件；（d）自旋波逻辑器件。自旋逻辑器件共同点：使用非局域结构，即注入电流在源极与外侧电极之间形成自旋注入回路，而自旋信号的探测则依靠在漏极与另一个外侧电极之间形成的探测回路。由于探测回路没有外部电源的驱动，因此理论上不会形成电荷电流，只有自旋扩散引起的纯自旋流。源极和漏极都是使用铁磁性金属制成，分别用于注入自旋和探测自旋：当自旋流的极化方向与漏极铁磁层的磁化状态平行时，探测信号为正值；当二者反平行时，探测信号为负值。不同点：全自旋逻辑：使用低自旋轨道耦合材料作为自旋传输的沟道，例如石墨烯，因此自旋流能在沟道中长时间保持自旋。自旋场效应晶体管：使用强自旋轨道耦合材料，如砷化铟，作为沟道来保证自旋的进动率，因此可以有效地通过电场来控制自旋流的自旋方向。全自旋逻辑器件自旋场效应晶体管隧穿场效应晶体管传统CMOS晶体管中，电子从源极穿过PN结势垒进入到沟道中，然而由于载流子的漂移扩散速度有限，其亚阈值摆幅存在最小极限60mV/Dec；基于量子隧穿效应原理工作的隧穿场效应晶体管（TFET）可以以突破该限制，被认为是极具发展潜力的低功耗器件之一；传统CMOS场效应晶体管与隧穿场效应晶体管的对比隧穿场效应晶体管（a）N型隧穿场效应晶体管；（b）P型隧穿场效应晶体管隧穿场效应晶体管基本结构：N型TFET器件源端为P型掺杂，漏端为N型掺杂，而P型TFET器件则与N型TFET完全相反，这保证了TFET与传统CMOS工艺的兼容性。PN结处于反偏状态，N区导带中一些空能态与P区价带中一些被电子填充的能态具有相同