《微电子学概论》--B05

InstituteofMicroelectronicsPKU半导体器件物理基础InstituteofMicroelectronicsPKUPN结的形成NP空间电荷区XM空间电荷区－耗尽层XNXP空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子InstituteofMicroelectronicsPKU正向偏置的PN结情形正向偏置时的能带图正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：正向电流100kTqVppnnnpnpeLDpLDnxjxjj电子：P区N区扩散扩散漂移漂移InstituteofMicroelectronicsPKUPN结的反向特性N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移100kTqVppnnnpnprReLDpLDnxjxjj反向电流反向偏置时的能带图反向偏置时，漂移大于扩散InstituteofMicroelectronicsPKUPN结的特性单向导电性：正向偏置反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压Vbi~0.7V(Si)反向击穿电压VrbInstituteofMicroelectronicsPKU§2.4双极晶体管1.双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极InstituteofMicroelectronicsPKUNPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换电子流空穴流cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1cebIIIInstituteofMicroelectronicsPKU晶体管的直流特性共发射极的直流特性曲线三个区域：饱和区放大区截止区InstituteofMicroelectronicsPKU4.晶体管的特性参数4.1晶体管的电流增益（放大系数〕共基极直流放大系数和交流放大系数0、ecII00001cecIII两者的关系ecii1共发射极直流放大系数交流放大系数0、bcII0bciiInstituteofMicroelectronicsPKU4.晶体管的特性参数4.2晶体管的反向漏电流和击穿电压反向漏电流Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流晶体管的主要参数之一InstituteofMicroelectronicsPKU4.晶体管的特性参数（续）4.3晶体管的击穿电压BVcboBvceoBVeboBVeeo晶体管的重要直流参数之一InstituteofMicroelectronicsPKU4.晶体管的特性参数(续)4.4晶体管的频率特性截止频率f：共基极电流放大系数减小到低频值的所对应的频率值截止频率f：21特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率5.BJT的特点优点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输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度高跨导InstituteofMicroelectronicsPKU缺点：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IBInstituteofMicroelectronicsPKU当代BJT结构特点：深槽隔离多晶硅发射极InstituteofMicroelectronicsPKU§2.5MOS场效应晶体管MOS电容结构MOSFET器件InstituteofMicroelectronicsPKU1.MOS电容电容的含义MOS结构理想的MOS电容特性非理想的MOS电容特性•关于电容平行板电容器+Q-QEd+-V面积A电容C定义为：QVC＝斜率AdVQC直流和交流时均成立一MOS结构•交流电容交流电容C定义为：+Q-QEd+-V面积A+Q-QVQVC（V〕＝斜率对于理想的交流电容，C与频率无关这里理想指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线〕2、介质层不吸收能量VVQVC),(),(非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电容例如：突变PN结电容VVxVxQVQCdd)()(dDxqANQAxCd＝和平行板电容器形式一样+-VP+Nxd偏压改变VInstituteofMicroelectronicsPKU未加偏压时的MOS结构MOS电容的结构MOS电容中三个分离系统的能带图InstituteofMicroelectronicsPKU功函数无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲InstituteofMicroelectronicsPKU平带电压平带电压－－使表面势为0，所需在栅上加的偏压。InstituteofMicroelectronicsPKU施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型InstituteofMicroelectronicsPKUMOS场效应晶体管场效应晶体管结型场效应晶体管（JFET）金属－半导体场效应晶体管（MESFET）MOS场效应晶体管（MOSFET）InstituteofMicroelectronicsPKUInstituteofMicroelectronicsPKUInstituteofMicroelectronicsPKUInstituteofMicroelectronicsPKUInstituteofMicroelectronicsPKUInstituteofMicroelectronicsPKU转移特性曲线提取阈值电压研究亚阈特性InstituteofMicroelectronicsPKU长沟MOSFET的输出特性InstituteofMicroelectronicsPKU亚0.1微米MOSFET器件的发展趋势N+(P+)N+(P+)P(N)SourceGateDrainN+(P+)InstituteofMicroelectronicsPKU作业讨论PMOS晶体管的工作原理InstituteofMicroelectronicsPKU第三章大规模集成电路基础3.1半导体集成电路概述集成电路（IntergratedCircuit，IC）芯片（Chip,Die）硅片（Wafer）集成电路的成品率：Y=硅片上好的芯片数硅片上总的芯片数100%成品率的检测，决定工艺的稳定性，成品率对集成电路厂家很重要InstituteofMicroelectronicsPKU集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比集成电路发展的特点：性能提高、价格降低集成电路的性能指标：集成度速度、功耗特征尺寸可靠性主要途径：缩小器件的特征尺寸增大硅片面积InstituteofMicroelectronicsPKU集成电路的关键技术：光刻技术(DUV)缩小尺寸：0.25~0.18mm增大硅片：8英寸~12英寸亚0.1mm：一系列的挑战，亚50nm：关键问题尚未解决新的光刻技术：EUVSCAPEL(BellLab.的E-Beam)X-rayInstituteofMicroelectronicsPKU集成电路的制造过程：设计工艺加工测试封装定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计电路模拟(SPICE)布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备测试、评测产品工艺问题定义问题不符合不符合InstituteofMicroelectronicsPKU集成电路产业的发展趋势：独立的设计公司（DesignHouse）独立的制造厂家（标准的Foundary）集成电路类型：数字集成电路、模拟集成电路数字集成电路基本单元：开关管、反相器、组合逻辑门模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、电流镜、转换器等InstituteofMicroelectronicsPKU3.2双极集成电路基础有源元件：双极晶体管无源元件：电阻、电容、电感等InstituteofMicroelectronicsPKU双极数字集成电路基本单元：逻辑门电路双极逻辑门电路类型：电阻-晶体管逻辑(RTL)二极管-晶体管逻辑(DTL)晶体管-晶体管逻辑(TTL)集成注入逻辑(I2L)发射极耦合逻辑(ECL)InstituteofMicroelectronicsPKU双极模拟集成电路一般分为：线性电路（输入与输出呈线性关系）非线性电路接口电路：如A/D、D/A、电平位移电路等InstituteofMicroelectronicsPKU3.3MOS集成电路基础基本电路结构：CMOSInstituteofMicroelectronicsPKUMOS集成电路数字集成电路、模拟集成电路MOS数字集成电路基本电路单元：CMOS开关CMOS反相器INOUTCMOS开关WWInstituteofMicroelectronicsPKUVDDINOUTCMOS反相器VDDYA1A2与非门：Y=A1A2InstituteofMicroelectronicsPKU3.4影响集成电路性能的因素和发展趋势器件的门延迟：迁移率沟道长度电路的互连延迟：线电阻（线尺寸、电阻率）线电容（介电常数、面积）途径：提高迁移率，如GeSi材料减小沟道长度互连的类别：芯片内互连、芯片间互连长线互连(Global)中等线互连短线互连(Local)InstituteofMicroelectronicsPKU减小互连的途径：增加互连层数增大互连线截面Cu互连、LowK介质多芯片模块（MCM）系统芯片（Systemonachip）减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、SOC