集成电路材料与器件物理基础综述

第二章集成电路材料(cáiliào)与器件物理基础§2.1-2.3略§2.4PN结及结型二极管§2.5双极型晶体管§2.6MOS晶体管§2.7MESFET第一页，共24页。集成电路(jíchéng-diànlù)材料分类材料电导率（S/cm）导体铝、金、钨、铜等，镍铬等合金，重掺多晶硅~105半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓10-9~102绝缘体SiO2、Si3N410-22~10-14第二页，共24页。§2.4PN结了解(liǎojiě)pn结的意义pn结---多数半导体器件的核心单元电子器件：整流器(rectifier)检波器(radiodetector)双极晶体管(BJT)光电器件：太阳能电池(diànchí)(solarcell)发光二极管（LED）半导体激光器（LD）光电二极管(PD)第三页，共24页。突变(tūbiàn)结线形缓变结pn根据杂质浓度的分布，可以(kěyǐ)划分为：同质(tónɡzhì)pn结异质pn结根据结两边的材料不同，可划分为：通过控制施主与受主浓度的办法，形成分别以电子和空穴为主的两种导电区域，其交界处即被称为p-n结。pn结的结构第四页，共24页。在接触(jiēchù)前分立的P型和N型硅的能带图pn结形成的物理(wùlǐ)过程电子空穴扩散(kuòsàn)eVbi

第五页，共24页。（b）接触(jiēchù)后的能带图平衡态的pn结

CE

FE

iE

VE

eVbi

漂移(piāoyí)电流扩散(kuòsàn)电流内建电场E接触电势差Vbi

漂移

漂移

空间电荷区扩散扩散p

n

E第六页，共24页。+--0pn电压表反向(fǎnxiànɡ)偏压下的PN结随着反向偏压(piānyā)的增加，PN结的耗尽区加宽。第七页，共24页。+--0pn电压表正向(zhènɡxiànɡ)偏压下的PN结随着(suízhe)正向偏压的增加，PN结的耗尽区变窄。第八页，共24页。EvEcEipEinEFnq(Vbi–VD)EFpEvEcEipEinEFqVD平衡态下理想(lǐxiǎng)PN结的能带图正向(zhènɡxiànɡ)偏压下理想PN结的能带图EvEcEipEinEFnq(Vbi–VD)EFp反向(fǎnxiànɡ)偏压下理想PN结的能带图第九页，共24页。理想PN结半导体二极管电流(diànliú)方程PN结符号(fúhào)第十页，共24页。PN结的基本(jīběn)应用整流：使一个正弦波流经二极管，则只有大于零的正向部分会到达后面的电路，这种滤除负向信号的过程(guòchéng)称为整流电流隔离：电流单向流动第十一页，共24页。§2.4结型二极管内建电场(diànchǎng)EEFEvEcqVDE0EFmE0EFnEvEcqVD金属(jīnshǔ)与N型材料接触内建电场(diànchǎng)EE0EFmE0EFpEvEcqVD金属与P型材料接触EFEvEcqVD第十二页，共24页。反向偏压，垫垒提高(tígāo)，无电流通过肖特基接触(jiēchù)肖特基接触是指金属和半导体材料相接触的时候，在界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒。势垒的存在(cúnzài)才导致了大的界面电阻。具有肖特基接触的金属与半导体界面形成结二极管，符号正向偏压，垫垒降低，有电流通过第十三页，共24页。欧姆(ōumǔ)接触欧姆接触(jiēchù)是指金属与半导体的接触(jiēchù)，而其接触(jiēchù)面的电阻值远小于半导体本身的电阻。金属作为半导体器件的电极，要求具有欧姆接触(jiēchù)。E0EFmE0EFnEvEcE0EFmE0EFpEvEc欧姆接触的金属与N型材料(cáiliào)的选择欧姆接触的金属与P型材料的选择实现良好的欧姆接触：(1)选择金属与半导体材料，使其结区势垒较低(2)半导体材料高掺杂第十四页，共24页。双极型晶体管第一个PN结须正偏，才能正常工作，阀值电压为。整个器件上跨接5V的电压，已经进入P区的电子会继续向上运动。P区要很薄，才能保证跨接的5V的电压对电子的控制。底部的N型半导体提供电子，叫发射极（Emitter）P型半导体作为PN结的基本结构，叫基区（Base）顶部的N型半导体收集(shōují)另一个N型半导体提供的电子，叫集电极（Collector)第十五页，共24页。发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态。发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和(bǎohé)工作状态。发射结反偏，集电结也反偏时，为载断工作状态。发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。双极型晶体管发射结集电结NPN工作(gōngzuò)状态：第十六页，共24页。§2.6MOS晶体管

场效应晶体管（FET）由于附近电压作用(zuòyòng)而形成电子或空穴聚积的效应称为场效应。源漏源漏附近正电压(diànyā)所产生的场效应有效提高半导体材料表面电子数目，从而获得更大电流负电压使越来越多的电穴聚积(jùjī)起来，源漏电流越来越小，最终形成NPN结构，无源漏电流第十七页，共24页。夹断(jiāduàn)第十八页，共24页。MOS晶体管常开型，也称耗尽(hàojìn)型晶体管源漏栅常关型，也称增强型晶体管第十九页，共24页。MOS晶体管栅极(shānjí)多采用掺杂多晶硅，绝缘层采用二氧化硅。增强型MOS晶体管栅区较小且形状不随电场变化。CMOS电路里，全部采用增强型的NMOS和PMOS。ComplementaryMetalOxideSemiconductor（CMOS）第二十页，共24页。MOS晶体管源漏GNDVGS+VDS+N载止区：VGS<VT，无电流通过VT为引起沟通区表面反型的最小栅电压，也称阀值电压。源漏GNDVGS+VDS+饱和区：0<(VGS-VT）<VDS，电流与VDS无关N源漏GNDVGS+VDS+线性区：(VGS-VT）>VDS>0，电流与VDS，VGS有关N第二十一页，共24页。MOS晶体管载止区线性区饱和(bǎohé)区其中(qízhōng)为跨导系数IDS和哪些(nǎxiē)参数有关？引入跨导衡量MOS器件的增益线性区饱和区第二十二页，共24页。JFET（junctiongatefield-effecttransistor

）pnn源漏栅耗尽层IDSVDS按VGS=0时，沟道(ɡōudào)的开启情况，JFET同样可分为常开型（耗尽型）和常关型（增强型）第二十三页，共24页。MESFET（metalsemiconductorfieldeffe