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1、微电子制造原理与技术微电子制造原理与技术 第二部分第二部分 芯片制造原理与技术芯片制造原理与技术 李 明 材料科学与工程学院 芯片发展历程与莫尔定律 晶体管结构与作用 芯片微纳制造技术 主要内容 l半导体基础知识 lMOSFET晶体管结构和工作原理 l晶体管应用举例 导体（金属 ） 半导体绝缘体 铜 铁 硅 锗 大理石 玻璃 橡胶 电阻率 导体、半导体、绝缘体 单元素半导体：Si、Ge、Sn等，外壳电子数为 4的C族元素 化合物半导体：GaAs、GaP、InAs、ZnSe等 ， 一般由B和N族组成的化合 物。 氧化物半导体：ZnO、MnO2、MnO、Cr2O3 、 NiO、TiO2、Cu2O、
2、SnO2等 电阻率的影响因素：杂质、温度、光、结构缺陷 本征半导体 本征半导体： 纯净的单元素半导体硅、锗，以及等 价化合物半导体GaAs、GaN等。 本征半导体的导电机理： 在温度非常低的条件下，最外层价电 子被束缚得很紧，几乎无自由电子或空穴 存在。故本征半导体在低温下的电阻率很 高，变为绝缘体。 在受热或光照射的条件下，价电子被 激发而成为自由电子，同时产生等数量的 带正电荷的空穴。这些自由电子和空穴在 外界电场的作用下移动而形成电流。 束缚电子，自由电子， 电子空穴 掺杂物半导体 N型半导体： 向本征半导体中掺杂少量的价电子数为 5 的N族元素，则可获得自由电子，而成为 N（Negat
3、ive）型半导体。 N型半导体的导 电性主要靠自由电子的移动来完成。 P型半导体： 向本征半导体中掺杂少量的价电子数为 3 的B族元素，则可产生空穴，而成为P（ Positive）型半导体。 P型半导体的导电性 主要靠空孔的的移动来完成。 束缚电子，自由电子， 电子空穴 PN结与二极管的特性与构造 整流特性： 当向PN结由P向N方向施加反向电压时，PN结合部位将出现空 乏层，电流无法导通（图左）。但施加正向电压时，自由电子和空 穴会顺利移动而形成电流。这就是PN结二极管重要的整流特性。 电子的移动方向 空穴的移动方向 PN结：PN Junction, 二极管：Diode 电子 空穴 电子 空穴
4、 PN结的电流特性 降伏电压 降伏电流 逆向 电压 逆向电流 正向 电流 正向电压 二极管的标记 芯片上二极管的构造 负极 正极 N-Si P-Si 正极 负极 电 至光 转换 电发光原理：正负电在半导 体P-N节处相遇，产生光子 而发光 光 至电 转换 LED照明光伏太阳能电池 光发电原理：光子照射到P- N节，产生电流，产生电力 PN结的应用 电流整流器 偏置隔离 场效应晶体管（MOSFET） l场效应晶体管 l低电压和低功耗。 l结型场效应晶体管（JFET）和金属-氧化物型场效 应晶体管（MOSFET） NMOS型场效应三极管 特 性 a)Vg = 0：源极与漏极间，由于NPN结的作用无
5、电流通过。 b) Vg 0：且较高时，栅极与P-Si的界面间形成电子富集层（电子隧道） ，源极与漏 极连通，电流通过。 引出漏极（Vd） drain P-Si 多晶体-Si栅极 SiO2 绝缘膜 引出栅极（Vg） gate N-Si 漏极N-Si 源极 基极（Vsub） substrate 引出源极（Vs ） source N型隧道（电子隧道） Vg Vs Vsub Vd 特 性 1.与NMOS动作相反，当Vg 0 ，且绝对值较大时，栅极与N-Si的界面间形成 空孔富集层（空孔隧道），源极与漏极连通，电流才能通过。 2.由于空孔的移动速度低于电子，故动作速度比NMOS慢，应用较少。 电子迁移率
6、=1350cm2/VS， 空孔迁移率= 480cm2/VS Vg Vs Vsub Vd 引出漏极（Vd） drain N-Si 多晶体-Si栅极 SiO2 绝缘膜 引出栅极（Vg） gate P-Si 漏极P-Si 源极 基极（Vsub） substrate 引出源极（Vs） source P型隧道（空孔隧道） PMOS型场效应三极管 两个pn结偏置状态相反 沟道由反型层构成，与源漏形成通路 场效应晶体管NMOS的结构 芯片上的实际NMOS结构 P N+N+ 3 volts Vds 0.7 volts Vgs + + + - - - - - - - - - - - 场效应晶体管工作原理 NMO
7、S NMOS电流电压特性 l线性区，MOSFET象电阻，电阻受栅电压控制 l饱和区，MOSFE象电流源，电流大小与VG2有关 场效应晶体管工作原理 栅的作用类似与水闸的闸门 场效应晶体管工作原理 CMOS：Complemetary Metal-Oxide Semiconductor CMOS型晶体管并联式MOS型场效应管 5V Vs 输 出 输 入 Vs PMOS NMOS 32451 3 2 4 5 1 CMOS的输入输出特性 输入电压 输 出 电 压 a)当输入电压低时，NMOS不导通， PMOS导通，输出电压为高5V，表 现为1。 b) 当输入电压高时， NMOS导通， PMOS不导通，
8、输出电压为低0V， 表现为0。 l将PMOS和NMOS做在同一集成电路上就形成了互补型金属氧化 物半导体技术，也就是CMOS技术 l主要特点为功耗低，是集成电路中被广泛采用的基本回路 CMOS型晶体管并联式MOS型场效应管 Metal 1, AlCu P-Epi P-Wafer N-Well P-Well PMD p + p + n + n + W Metal 1 P-well Polycide gate and local interconnection STI N-well CMOS Inverter CMOS应用例1：反相器 5V Vs 输 入 Vd PMOS NMOS 1 0 Off
9、on on off 5V Vs 输 入 Vd PMOS NMOS 0 1 on off off on 静态无电流 CMOS应用例2：乘法逻辑电路 输出 输入 B Y A Y B A ABY 000 100 010 111 Y = A B CMOS应用例3：存储器 掩模ROM 可编程ROM (PROM-Programmable ROM) 可擦除可编程ROM (EPROM-Erasable PROM) 随机存储器RAM (Random Access Memory) 静态存储器SRAM (Static RAM) 主要用于高速缓存和服务器内存 动态存储器DRAM (Dynamic RAM) 按 功 能
10、 特 点 EEPROM (Electrically EPROM)/E2PROM 只读存储器ROM (Read- Only Memory) Flash Memory (快闪存储器，如U盘) FRAM (Ferro-electric RAM 铁电存储器) SDRAM, DDR-RAM等 非挥发存储器（Non-Volatile Memory-NVM） 挥发存储器（Volatile Memory-VM）或者称易失存储器 DRAM:四管动态MOS存储单元 存储节点 CMOS应用例3：存储器 CMOS应用例4：图像传感器（CIS） lCCDCMOS l20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上
11、第一块单片CMOS图像传感器件 l将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上 l适合大规模批量生产 l 首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单 元内产生相应的电荷。 l行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。 l行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传 输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成 数字图像信号输出。 CMOS应用例4：图像传感器（CIS） l首先进入“复位状态”，此时打开门管M。电容被充电 至V，二极管处于反向状态； l然后进人“取样状态”。这时关闭门管M,在光照下二 极管产生光电流，使电容上存贮的电荷放电，经过一个 固定时间间隔后，电容C上存留的电荷量就与光照成正 比例，这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之中了 ； l最后进入“读出状态”。这时再打开门管M,逐个读取 各像素中电容C上存贮的电荷电压。 CMOS应用例4：图像传感器（CIS） CMOS应用例5：互补对称功放电路 lVI0 时 T1 导通T2截止 lVI0 时 T1 截止T2导通 小结 PN结特点及作用 场效应晶体管 CMOS场效应管结构与特点 CMOS场效应管的主要应用
