1、李 明材料科學與工程學院芯片發展歷程與莫爾定律晶體管結構與作用芯片微納制造技術主要內容l半導體基礎知識半導體基礎知識lMOSFET晶體管結構和工作原理晶體管結構和工作原理l晶體管應用舉例晶體管應用舉例導體（金屬）導體（金屬）半導體半導體絕緣體絕緣體銅銅鐵鐵硅硅鍺鍺大理石大理石玻璃玻璃橡膠橡膠電阻率電阻率導體、半導體、絕緣體單元素半導體：單元素半導體：Si、Ge、Sn等，外殼電子數為等，外殼電子數為 4的的C族元素族元素化合物半導體：化合物半導體：GaAs、GaP、InAs、ZnSe等，等， 一般由一般由B和和N族組成的化合物。族組成的化合物。氧化物半導體：氧化物半導體：ZnO、MnO2、MnO

2、、Cr2O3、 NiO、TiO2、Cu2O、SnO2等等電阻率的影響因素：雜質、溫度、光、結構缺陷電阻率的影響因素：雜質、溫度、光、結構缺陷本征半導體本征半導體：本征半導體： 純凈的單元素半導體硅、鍺，以及等純凈的單元素半導體硅、鍺，以及等價化合物半導體價化合物半導體GaAs、GaN等等。本征半導體的導電機理：本征半導體的導電機理： 在溫度非常低的條件下，最外層價電在溫度非常低的條件下，最外層價電子被束縛得很緊，幾乎無自由電子或空穴子被束縛得很緊，幾乎無自由電子或空穴存在。故本征半導體在低溫下的電阻率很存在。故本征半導體在低溫下的電阻率很高，變為絕緣體。高，變為絕緣體。 在受熱或光照射的條件下

3、，價電子被在受熱或光照射的條件下，價電子被激發而成為自由電子，同時產生等數量的激發而成為自由電子，同時產生等數量的帶正電荷的空穴。這些自由電子和空穴在帶正電荷的空穴。這些自由電子和空穴在外界電場的作用下移動而形成電流。外界電場的作用下移動而形成電流。 束縛電子束縛電子，自由電子自由電子， 電子電子空穴空穴摻雜物半導體N型半導體型半導體： 向本征半導體中摻雜少量的價電子數向本征半導體中摻雜少量的價電子數為為 5 的的N族元素，則可獲得自由電子，而族元素，則可獲得自由電子，而成為成為N（Negative）型半導體。型半導體。 N型半導體型半導體的導電性主要靠自由電子的移動來完成的導電性主要靠自由電

4、子的移動來完成。P型半導體型半導體： 向本征半導體中摻雜少量的價電子數向本征半導體中摻雜少量的價電子數為為 3 的的B族元素，則可產生空穴，而成為族元素，則可產生空穴，而成為P（Positive）型半導體。型半導體。 P型半導體的導電型半導體的導電性主要靠空孔的的移動來完成。性主要靠空孔的的移動來完成。 束縛電子束縛電子，自由電子自由電子， 電子電子空穴空穴PN結與二極管的特性與構造整流特性整流特性： 當向當向PN結由結由P向向N方向施加反向電壓時，方向施加反向電壓時，PN結合部位將出現空結合部位將出現空乏層，電流無法導通（圖左）。但施加正向電壓時，自由電子和空乏層，電流無法導通（圖左）。但施

5、加正向電壓時，自由電子和空穴會順利移動而形成電流。這就是穴會順利移動而形成電流。這就是PN結二極管重要的整流特性結二極管重要的整流特性。電子的移動方向電子的移動方向空穴的移動方向空穴的移動方向 PN結：結：PN Junction, 二極管：二極管：Diode電子電子空穴空穴電子電子空穴空穴PN結的電流特性降伏電壓降伏電壓降伏降伏電流電流逆向逆向電壓電壓逆向電流逆向電流正向正向電流電流正向電壓正向電壓二極管的標記二極管的標記芯片上二極管的構造芯片上二極管的構造負極負極正極正極N-SiP-Si正極正極負極負極電 至光 轉換電發光原理：正負電在半導電發光原理：正負電在半導體體P-N節處相遇，產生光子

6、節處相遇，產生光子而發光而發光光 至電 轉換LED照明光伏太陽能電池光發電原理：光子照射到光發電原理：光子照射到P-N節，產生電流，產生電力節，產生電流，產生電力PN結的應用電流整流器偏置隔離場效應晶體管（MOSFET） l場效應晶體管場效應晶體管l低電壓和低功耗。低電壓和低功耗。l結型場效應晶體管（結型場效應晶體管（JFET）和金屬）和金屬-氧化物型場效氧化物型場效應晶體管（應晶體管（MOSFET）NMOS型場效應三極管特特 性性a)Vg = 0：源極與漏極間，由于NPN結的作用無電流通過。b) Vg 0：且較高時，柵極與P-Si的界面間形成電子富集層（電子隧道），源極與漏 極連通，電流通過

7、。引出漏極（引出漏極（Vd）drainP-Si多晶體多晶體-Si柵極柵極SiO2 絕緣膜絕緣膜引出柵極（引出柵極（Vg） gateN-Si 漏極漏極N-Si 源極源極基極（基極（Vsub）substrate引出源極（引出源極（Vs）sourceN型隧道（電子隧道）型隧道（電子隧道）VgVsVsubVd特特 性性1.與NMOS動作相反，當Vg 0 ，且絕對值較大時，柵極與N-Si的界面間形成空孔富集層（空孔隧道），源極與漏極連通，電流才能通過。2.由于空孔的移動速度低于電子，故動作速度比NMOS慢，應用較少。 電子遷移率=1350cm2/VS， 空孔遷移率= 480cm2/VS VgVsVsub

8、Vd引出引出漏極（漏極（Vd）drainN-Si多晶體多晶體-Si柵極柵極SiO2 絕緣膜絕緣膜引出柵極（引出柵極（Vg） gateP-Si 漏極漏極P-Si 源極源極基極（基極（Vsub）substrate引出源極（引出源極（Vs）sourceP型隧道（空孔隧道）型隧道（空孔隧道）PMOS型場效應三極管兩個兩個pn結偏置狀態相反結偏置狀態相反溝道由反型層構成，與源漏形成通路溝道由反型層構成，與源漏形成通路場效應晶體管NMOS的結構芯片上的實際芯片上的實際NMOS結構結構PN+N+3 voltsVds0.7 voltsVgs+ +- - - - - - - - - - -場效應晶體管工作原理N

9、MOSNMOS電流電壓特性電流電壓特性l線性區，線性區，MOSFET象電阻，電阻受柵電壓控制象電阻，電阻受柵電壓控制l飽和區，飽和區，MOSFE象電流源，電流大小與象電流源，電流大小與VG2有關有關場效應晶體管工作原理柵的作用類似與水閘的閘門柵的作用類似與水閘的閘門場效應晶體管工作原理CMOS：Complemetary Metal-Oxide SemiconductorCMOS型晶體管并聯式MOS型場效應管 5VVs輸輸出出輸輸入入VsPMOSNMOS3245132451CMOS的輸入輸出特性的輸入輸出特性輸入電壓輸入電壓輸輸出出電電壓壓a)當輸入電壓低時，NMOS不導通，PMOS導通，輸出電

10、壓為高5V，表現為1。b) 當輸入電壓高時， NMOS導通，PMOS不導通，輸出電壓為低0V，表現為0。l將PMOS和NMOS做在同一集成電路上就形成了互補型金屬氧化物半導體技術，也就是CMOS技術l主要特點為功耗低，是集成電路中被廣泛采用的基本回路CMOS型晶體管并聯式MOS型場效應管 Metal 1, AlCuP-EpiP-WaferN-WellP-WellPMDp+p+n+n+WMetal 1P-well Polycide gate and local interconnectionSTIN-wellCMOS InverterCMOS應用例1：反相器5VVs輸入VdPMOSNMOS1 0

11、Off onon off5VVs輸入VdPMOSNMOS0 1on offoff on靜態無電流CMOS應用例2：乘法邏輯電路輸出輸出輸入輸入BYAYBAABY000100010111Y = A BCMOS應用例3：存儲器掩模ROM可編程ROM (PROM-Programmable ROM)可擦除可編程ROM (EPROM-Erasable PROM)隨機存儲器RAM(Random Access Memory)靜態存儲器SRAM (Static RAM)主要用于高速緩存和服務器內存動態存儲器DRAM (Dynamic RAM)按功能特點EEPROM (Electrically EPROM)/E

12、2PROM 只讀存儲器ROM(Read- Only Memory)Flash Memory (快閃存儲器，如U盤)FRAM (Ferro-electric RAM 鐵電存儲器)SDRAM, DDR-RAM等非揮發存儲器（Non-Volatile Memory-NVM）揮發存儲器（Volatile Memory-VM）或者稱易失存儲器DRAM:四管動態MOS存儲單元存儲節點CMOS應用例3：存儲器CMOS應用例4：圖像傳感器（CIS）lCCDCMOSl20世紀世紀80年代，英國愛丁堡大學成功地制造出了世界上年代，英國愛丁堡大學成功地制造出了世界上第一塊單片第一塊單片CMOS圖像傳感器件圖像傳感器件l將圖像采集單元和信號處理單元集成到同一塊芯片上將圖像采集單元和信號處理單元集成到同一塊芯片上l適合大規模批量生產適合大規模批量生產l 首先，外界光照射像素陣列，發生光電效應，在像素單元內產生相應的電荷。l行選擇邏輯單元根據需要，選通相應的行像素單元。l行像素單元內的圖像信號通過各自所在列的信號總線傳輸到對應的模擬信號處理單元以及A/D轉換器，轉換成數字圖像信號輸出。CMOS應用例4：圖像傳感器（CIS）l首先進入“復位狀態”，此時打開門管M。電容被充電至V，二極管處于反向狀態；l然后進人“取樣狀態”。這時關閉門管M,在光照下二極管產生光電流，使電容上存貯的電荷放電，