Lesson2 集成电路导论IntroductiontoIntegratedCircuits 第2章半导体基本特性与晶体管工作原理 集成电路导论IntroductiontoIntegratedCircuits 2 3二极管 3 二极管的电流与电压特性 PN结二极管是一种最简单的半导体器件 二极管处于正向 P型区接正电压 N型区接负电压或者零电压 时 有正向电流从P区流向N区 电流大小与外加正电压呈指数关系 二极管处于反向 P型区接负电压 N型区接正电压或者零电压 时 有反向电流从N区流向P区 但这个反向电流非常小 以至可以忽略 PN结二极管是一种单向导电器件 4 二极管的电流与电压特性 Is 饱和电流n 发射系数 用于描述空间电荷区中的产生复合效应 常规数值为1 二极管工作时管内少数载流子的分布情况 正向偏置 外电场驱动少数载流子离开空间电荷区方向偏置外电场驱动少数载流子向空间电荷区运动 6 扩散电容 正向偏置时 由于外电场作用 将P N 区多数载流子驱动越过空间电荷区注入N P 区 形成过剩少数载流子分布 体现为电容效应 扩散电容 其作用比PN结电容大得多 7 2 4双极型晶体管 双极型晶体管简称三极管 由两个PN结组合构成 三极管的特点是具有电流放大作用 双极型晶体管由两种载流子 空穴与电子 同时参与导电 双极晶体管的两个PN结背靠背离得很近 实际上它们共用一层非常薄的半导体 基区 双极型晶体管有两种类型 PNP型 基区为N型半导体NPN型 基区为P型半导体 8 2 5场效应晶体管 场效应晶体管 FieldEffectTransistor 包括结型场效应管 JunctionFET 金属 氧化物 半导体场效应管 Metal Oxide SemiconductorFET 场效应管导电不同于双极型三极管 只有一种载流子参与导电 又称单极性晶体管 场效应晶体管通过电压改变内部电场 实现对载流子运动的控制 是一种电压控制型器件 9 第3章集成电路中的器件结构 集成电路导论IntroductiontoIntegratedCircuits 本章教学内容 3 1电学隔离的必要性和方法3 2二极管的结构3 3双极型晶体管的结构3 4MOS场效应晶体管的结构3 5电阻的结构3 6电容的结构3 7接触孔 通孔和互连线 11 3 1电学隔离的必要性和方法 必要性 一块集成电路中含有百万以至千万个二极管 晶体管以及电阻 电容等器件 而且它们都是做在一个硅芯片上 即共有同一个硅片衬底 因此 如果不把它们在电学上一一隔离起来 那么各个元器件就会通过半导体衬底相互影响和干扰 以至整个芯片无法正常工作 这是集成电路设计和制造时首先要考虑的问题 为此要引入隔离技术 然后在隔离的基础上根据电路要求把相关的各元器件端口连接起来 以实现电路的功能 12 3 1电学隔离的必要性和方法 电学隔离的方法 在现代集成电路技术中 通常采用以下两种电学隔离方法 通过反向PN结进行隔离 采用氧化物 二氧化硅 加以隔离 优点 能较好的实现直流隔离 缺点 增加芯片面积并引入附加的电容 13 3 1电学隔离的必要性和方法 14 15 3 2二极管的结构 二极管的两个引出端 P端和N端 必须在芯片的上方引出 二极管须与芯片中其他元器件隔离 在P型衬底上外延生长得到一层很薄的N型外延层在指定区域进行P型杂质扩散 形成N型 岛 同时形成PN结隔离区 在N型 岛 内形成P型区 P型区与N型外延层形成PN结 重掺杂形成N 区 得到与N型外延层的欧姆连接 由金属铝作为引出端 16 二极管制作步骤和实际结构 17 3 3双极型晶体管的结构 18 在三极管下方形成一PN结 集电极与衬底隔离 三极管之间的隔离 19 用氧化物 二氧化硅 把每一个三极管包围起来 将各个三极管在横向上相互隔离起来 采用掩埋层结构 20 氧化层隔离 PN结环隔离 先进双极型三极管工艺结构 21 Oxide Oxide 3 4MOS场效应晶体管的结构 第3章集成电路中的器件结构 寄生MOS管 23 当两个MOS管之间存在金属走线 会形成寄生MOS管 一旦该管导通 将使电路工作出现混乱 厚场氧化层提高寄生管阈值电压 24 在MOS管之间生成厚氧化层 这样寄生管的阈值电压大大提高 一般比电源电压高出许多 从而保证寄生MOS管永远不会导通 起到横向隔离作用 CMOS电路的结构 一种既包含N沟MOS管又包含P沟的MOS管的电路成为互补型MOS电路 complementaryMOS 简称CMOS电路 为了使两种不同类型的MOS管做在同一个硅片衬底上 就先要在硅衬底上形成一N阱 N well 或P阱 P well 25 P阱CMOS芯片剖面示意图 26 N阱CMOS芯片剖面示意图 27 1 2 3 4 P阱注入 N阱注入 衬底准备 光刻P阱 去光刻胶 生长SiO2 双阱CMOS工艺 28 5 6 7 8 生长Si3N4 有源区 场区注入 形成厚氧 多晶硅淀积 29 9 10 11 12 N 注入 P 注入 表面生长SiO2薄膜 接触孔光刻 30 13 淀积铝形成铝连线 双阱CMOS工艺 31 3 5电阻的结构 集成电路中实现电阻有多种方式 1 晶体管结构中不同材料层的片式电阻 不准确 2 专门加工制造的高质量高精度电阻3 互连线的传导电阻4 采用特殊连接的晶体管 构成有源电阻 32 单线和U 型电阻 33 34 直流电阻Ron 交流电阻rds 栅 漏短接并工作在饱和区的MOS有源电阻 NMOS PMOS 35 直流电阻Ron 交流电阻rds 条件 VGS保持不变 VGS保持不变的饱和区有源电阻 36 a d 和 c 直流电阻Ron交流电阻rds 有源电阻的几种形式 3 6电容的结构 在高速集成电路中 有多种实现电容的方法 1 二极管或三极管的结电容2 叉指金属结构电容3 金属 绝缘体 金属 MIM 电容4 多晶硅 金属 绝缘体 多晶硅电容 37 叉指结构电容 38 金属 绝缘体 金属 MIM 电容 39 3 7接触孔 通孔和互连线 为了使各类器件的端口能够被引出 在集成电路制造时需在表面的二氧化碳层上指定的位置处开出了一个孔 这个孔称之为接触孔 contact 这个孔位置处的硅被暴露出来后 直接淀积上金属层 使金属与硅直接接触形成欧姆接触 另一种孔称为 via 用于多层金属连线之间的直接连通 它是在两层金属之间的绝缘层上开出一个孔 在淀积上一层金属连线时 使金属物进入孔中而使上下两层金属连线连接 40 互连线 集成电路中的互连线通常采用金属线 如铝线或含有少量硅的铝线 近年也采用铜来作为互连线 除了金属互连线外 也可用多晶硅作为互连线 早期因多晶硅的电阻率较高 只作短距离互连之用 随着工艺技术提高 多晶硅电阻率控制水平已经很高 采用多晶硅做互联线成为趋势 41