第二章集成电路设计技术与工具ppt课件.ppt

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1、第二章集成电路材料与器件物理基础2.1引言2.2集成电路材料2.3半导体基础知识2.4PN结与结型二极管2.5双极型晶体管2.6MOS晶体管的基本结构与工作原理2.7金属半导体场效应晶体管MESFET2.8本章小结2.1引言集成电路是当今人类智慧结晶的最佳载体，其强大无比的功能产生于一系列重大的理论发现、重要的材料特性、奇特的结构构思、巧妙的技术发明和孜孜不倦的工艺实验。从某种意义上讲，集成电路设计者就是这一系列理论和技术的“集成”者。要实现这个集成，首先要对这些理论、材料、结构、技术与工艺基础等进

2、行全面而深入的理解。本章主要简单介绍制造集成电路的关键材料、半导体材料的基础，以及典型器件的工作原理及其物理基础。2.2集成电路材料导电能力可以分为导体、半导体和绝缘体三类。是微电子系统则应用到所有三类材料。二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、氮化硅（Si3N4）等绝缘体硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（GaP）、氮化镓（GaN）等半导体铝（Al）、金（Au）、钨（W）、铜（Cu）等金属，镍铬（NiCr）等合金；重掺杂的多晶硅导体电导率（S·cm-1）材料分类作为导体，铝、

3、金、钨、铜等金属和镍铬等合金在集成电路工艺中主要具有如下功能：（1）构成低值电阻；（2）构成电容元件的极板；（3）构成电感元件的绕线；（4）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构；（5）与轻掺杂半导体构成肖特基结接触；（6）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；（7）构成元器件之间的互连；（8）构成与外界焊接用的焊盘。重掺杂的多晶硅电导率接近导体，因此常常被作为导体看待，主要用来构成MOS晶体管的栅极以及元器件之间的短距离互连。作为绝缘体，二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅的氧化物和氮化物在集

4、成电路工艺中主要具有如下功能：（1）构成电容的绝缘介质；（2）构成金属-氧化物-半导体器件（MOS）的栅绝缘层；（3）构成元件和互连线之间的横向隔离；（4）构成工艺层面之间的垂直隔离；（5）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。而半导体材料，也是集成电路制造中的核心材料，则主要利用半导体掺杂以后形成P型和N型半导体，在导体和绝缘体材料的连接或阻隔下组成各种集成电路的元件—半导体器件。半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用。2.3半导体基础知识2.3.1固体的晶体结构固体分为晶体和非晶体两大类

5、。晶体：宏观上具有对称的几何外形，微观上原子或离子呈现在空间有规则的周期性的排列。如用来制作集成电路的硅、锗、砷化镓等。晶体的性质与这种内在的周期性有关，内在的周期性导致电子共有化运动。非晶体：无论是否完整都没有固定的形状。如玻璃、橡胶等。电子共有化晶体中大量原子有规则排列,晶体中形成了如图所示的周期性势场,电子在这种周期性的势场中运动,对于高能级的电子，其能量超过势垒高度，电子可以在整个固体中自由运动。对于能量低于势垒高度的电子,也有一定的贯穿概率。价电子不再为单个原子所有,而为整个晶体所共有的现

6、象称为电子共有化。晶体中周期性的势场a晶体原子在空间的周期排列就形成了具有一定几何外形的晶体，通常将这种周期排列称为晶格。较为常见的主要有简单立方、体心立方、面心立方和金刚石结构。砷化镓材料是一种面心立方；而硅和锗都是金刚石结构。（a）砷化镓材料的闪锌矿结构（b）硅材料的金刚石结构2.3.2固体能带结构基础2.3.2.1能带的形成对单个原子而言，电子在原子核外运动的轨迹是分立能级如果两个相同原子相互靠近，由于原子的相互作用，使得较高能级将分裂成邻近的两个能级，以满足泡利不相容原理当大量相同原子靠近并

7、按照周期性排列后，它们相互作用并形成周期势场，导致能级发生分裂。量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠得很近的能级，称为能带。能带的宽度记作E，数量级为E～eV。能带的一般规律（1）外层电子共有化程度显著，能带宽度较宽；内层电子相应的能带较窄。（2）点阵间距越小，能带越宽，E越大。（3）两能带有可能重叠。能带中的电子排布服从泡利不相容原理和能量最低原理。电子根据泡利不相容原理先填满能级低的能级再填能级较高的能级。能带出现五种情

8、况（a）导带部分填充情况（b）导带为空带价带为满带，且禁带较窄的情况满带能带中各能级都被电子填满。通常发生在内层能带（电子能量较低）。满带中的电子不能起导电作用。价带(valencebandEv)共价电子所在能级分裂后形成的能带。理想情况下，在价带之上能带是空的，没有电子，在价带之下的能带则是全部填满的。在半导体中，价带就是能带最高的满带。导带(conductionbandEC)电子部分填充的能带。导带中的电子容易在外场下运动而形成电流，所以称为导带。对半导体而言，导