集成电路中的器件结构
CMOS工艺器件结构
CMOS工艺器件结构CMOS(互补金属氧化物半导体)是一种集成电路制造工艺,结合了N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS)和P型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)。
CMOS技术在集成电路领域广泛应用,具有低功耗、高噪声抑制、低开关功耗等优点。
CMOS器件结构由NMOS和PMOS结合而成,形成了一个互补结构,实现了一种特殊的电压控制开关。
具体而言,CMOS由一个P型衬底组成,上面分别形成了NMOS和PMOS的结构。
NMOS晶体管是一种N型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管),由一个N型沟道和控制杂质(如P型多晶硅)构成。
N型沟道充当电子载流子输送通道,其两侧分别有源(Source)和漏(Drain)接电极,控制杂质则用来控制电子的流动。
PMOS晶体管是一种P型MOSFET,由一个P型沟道和控制杂质(如N型多晶硅)构成。
P型沟道充当空穴载流子输送通道,其两侧同样有源和漏,控制杂质用来控制空穴的流动。
NMOS和PMOS之间通过一种特殊的结构连接在一起,形成了交叉结构。
这个结构由互补极性的两个晶体管共同组成,使得CMOS可以实现低功耗和高噪声抑制的特性。
CMOS的电路工作原理是基于两个晶体管的互补特性。
当输入电压为低电平时,NMOS晶体管导通,PMOS晶体管截止,形成低电平输出。
当输入电压为高电平时,NMOS晶体管截止,PMOS晶体管导通,形成高电平输出。
这样,在输入电压不同时可以实现不同的输出状态。
由于CMOS的特殊结构,CMOS电路具有很低的功耗。
在CMOS电路中,当NMOS和PMOS同时导通时,电压才会下降到最低电平,消耗最小电流。
另外,CMOS器件的静态功耗几乎为零,只有在切换状态时才会有功耗。
CMOS器件结构不仅适合数字电路应用,还可以应用于模拟电路。
通过增加外部电阻和电容,可以实现模拟电路的功能,如放大、滤波等。
总结起来,CMOS工艺器件结构是由互补的NMOS和PMOS组成的,具有低功耗、高噪声抑制的特性。
集成电路的工作原理
集成电路的工作原理
集成电路是一种将许多电子元件如晶体管、电阻、电容等集成在一块硅片上的化学器件,它能够实现电子元件之间的相互连接和相互作用。
通过集成电路,许多功能模块可以被集成在一个小小的芯片上,从而实现各种复杂的电子系统。
集成电路的工作原理是基于半导体材料的特性,其中最常用的材料是硅。
半导体材料中的电子在低温下几乎处于静止状态,但是当材料被加热时,电子能量增加,它们就会跳到更高能级的位置上。
这个过程被称为激进。
在集成电路中,晶体管是最基本的元件。
晶体管由三个不同特性的材料层组成,分别是n型材料、p型材料和电解介质。
当
电流通过晶体管时,n型材料的电子会移动到p型材料中,从
而形成一个电子空穴对。
这个电子空穴对的形成导致了材料的导电性变化,使晶体管成为一个电子开关。
在集成电路中,晶体管通过连接起来,形成各种电路结构,例如放大器、逻辑门等。
这些电路结构能够根据输入信号的特性,调整晶体管的开关状态,从而实现不同的功能。
通过不同的电路结构和连接方式,集成电路能够实现各种复杂的电子功能,如计算、存储、通信等。
总之,集成电路的工作原理是基于半导体材料的特性和晶体管的工作原理。
通过将许多电子元件集成在一个芯片上,并通过不同的电路结构和连接方式,集成电路能够实现各种复杂的电子功能。
集成电路常见元器件
集成电路常见元器件集成电路是现代电子技术的核心和基础,而其中常见的元器件则是构成集成电路的基本组成部分。
本文将介绍几种常见的集成电路元器件,并对其特点和应用进行详细阐述。
一、晶体管晶体管是一种常用的半导体器件,广泛应用于放大、开关和稳压等电路中。
根据其结构和工作原理的不同,晶体管可分为双极性晶体管和场效应晶体管两大类。
双极性晶体管具有较高的电流放大倍数和较低的输入阻抗,适用于低频放大电路;而场效应晶体管则具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗,适用于高频放大和开关电路。
二、电容器电容器是一种存储电荷的元器件,由两个导体板之间的绝缘介质隔开。
电容器的主要作用是存储电能并释放电荷,常用于滤波、耦合和定时等电路中。
根据其结构和性质的不同,电容器可分为电解电容器、陶瓷电容器和电介质电容器等多种类型,用途各异。
三、电阻器电阻器是一种用于控制电流和电压的元器件,其阻值决定了电路中的电流大小。
常见的电阻器有固定电阻器和可调电阻器两种。
固定电阻器的阻值不可调节,适用于需要固定电阻值的电路;而可调电阻器的阻值可以通过旋钮或滑动片来调节,适用于需要调节电阻值的电路。
四、电感器电感器是一种存储磁能的元器件,由导线线圈组成。
电感器的主要作用是阻碍电流变化,常用于滤波、谐振和变压器等电路中。
根据其结构和性质的不同,电感器可分为铁芯电感器和空心电感器两种类型,用途各异。
五、二极管二极管是一种只允许电流在一个方向上通过的元器件,具有整流和稳压等特性。
常见的二极管有普通二极管、肖特基二极管和发光二极管等。
普通二极管可用于整流和保护电路;肖特基二极管具有较低的正向压降和较快的开关速度,适用于高频电路;发光二极管则可将电能转化为光能,广泛应用于指示和显示等领域。
六、集成电路集成电路是将大量的电子元器件集成在一块半导体芯片上的电路。
根据集成度的不同,集成电路可分为小规模集成电路、中规模集成电路和大规模集成电路等。
集成电路具有体积小、可靠性高和功耗低等优点,广泛应用于计算机、通信和消费电子等领域。
cmos电路和器件基本结构
cmos电路和器件基本结构CMOS电路和器件基本结构一、引言CMOS(亦称为互补金属-氧化物-半导体)电路是一种常用的逻辑电路,它由NMOS(N型金属-氧化物-半导体)和PMOS(P型金属-氧化物-半导体)两种互补型的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)组成。
CMOS电路以其低功耗、高集成度和低电压操作等特点,在现代集成电路设计中得到广泛应用。
本文将介绍CMOS电路和器件的基本结构。
二、CMOS电路的基本结构1. NMOS器件NMOS器件由P型衬底上生长的N型沟道和两个掺入P型源极和漏极的P型扩散区组成。
沟道区域上方由一层薄的氧化硅(SiO2)作为绝缘层,上面再覆盖一层金属(通常为铝)作为电极。
当沟道区没有电压施加时,NMOS处于截止状态,导通状态需要在沟道区施加正电压。
2. PMOS器件PMOS器件与NMOS器件相反,由N型衬底上生长的P型沟道和两个掺入N型源极和漏极的N型扩散区组成。
沟道区域上方同样有一层氧化硅和金属电极。
当沟道区施加负电压时,PMOS处于导通状态,截止状态需要在沟道区施加正电压。
3. CMOS电路CMOS电路是通过将NMOS和PMOS器件相互串联或并联而构成的。
在CMOS电路中,NMOS器件的漏极与PMOS器件的源极相连,共同组成电路的输出端;NMOS器件的源极与PMOS器件的漏极相连,共同组成电路的输入端。
当输入信号施加到NMOS和PMOS器件上时,根据不同的输入信号电平,其中一个器件处于导通状态,另一个器件处于截止状态,从而实现电路的逻辑功能。
三、CMOS电路的工作原理CMOS电路的工作原理是基于MOSFET的三个重要特性:沟道截止、沟道饱和和门极电势控制。
当输入信号为低电平时,NMOS处于导通状态,PMOS处于截止状态,此时电路输出为高电平;当输入信号为高电平时,NMOS处于截止状态,PMOS处于导通状态,此时电路输出为低电平。
由于CMOS电路的输出仅在输入发生变化时才会改变,且输出信号的上升和下降均经过一个NMOS和一个PMOS器件,因此CMOS电路具有较低的功耗和较高的抗噪声能力。
集成电路科学与工程导论 第三章 集成电路晶体管器件
发展趋势-摩尔定律
「按比例缩小定律」(英文:Scaling down)“比例缩小”是指,在电场 强度和电流密度保持不变的前提下,如果MOS-FET的面积和电压缩小到 1/2,那么晶体管的延迟时间将缩短为原来的1/2,功耗降低为原来的1/2。 晶体管的面积一般为栅长(L)乘以栅宽(W),即尺寸缩小为原来的0.7倍:
仅变得越来越小,在器件结构和材料体系上也经过了多次重大变革
集成电路器件发展趋势
国际半导体技术蓝图(International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)
目录
一.晶体管器件概述 二.金属-氧化物-半导体场效应晶
体管技术 三.绝缘体上晶体管技术 四.三维晶体管技术 五.其他类型晶体管器件
环栅场效应晶体管
「环栅场效应晶体管」(英文:GAAFET) 技术的特点是实现了栅极对沟道的四面包 裹,源极和漏极不再和基底接触,而是利 用线状或者片状(平板状)的多个源极和 漏极垂直于栅极横向放置,实现MOSFET 的基本结构和功能
栅极G
栅极G
硅
硅 (a)
纳米线
硅 (b)
纳米片
平面型 垂直型
互补场效应管
栅极G
n+
e-
n+
p-衬底 (a)
栅极G
n+
e-
n+
氧化物埋层(BOX)
p-衬底 (b)
优势:氧化物埋层降低了源极和漏极之间的寄生电容,大幅降低了会影响器件 性能的漏电流;具有背面偏置能力和极好的晶体管匹配特性,没有闩锁效应, 对外部辐射不敏感,还具有非常高的晶体管本征工作速度等;
挑战:存在一定的负面浮体效应;二氧化硅的热传导率远远低于硅的热传导率 使它成为一个天然“热障” ,引起自加热效应;成本高昂。
集成电路内部构造-概念解析以及定义
集成电路内部构造-概述说明以及解释1.引言1.1 概述集成电路是一种能够将多个电子元件和电路功能集成到一个单一芯片上的技术。
与传统电路相比,集成电路具有体积小、功耗低、速度快等显著优势。
它广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统以及各种电子设备中。
在集成电路内部构造方面,包含了多个基本元件和互连结构。
基本元件可以是传统的电阻、电容、电感等passiv元件,也可以是能够实现逻辑功能的转换器、门电路、触发器等active 元件。
互连结构则是将这些元件连接起来,形成一个完整的电路,实现特定的功能。
随着技术的不断进步,集成电路的内部构造也在不断演进。
从早期的小规模集成电路到现在的超大规模集成电路,集成度不断提高,功能更加强大。
同时,集成电路的制造工艺也在不断改进,如光刻技术、扩散技术等,使得更多的元件能够被集成到一个芯片上。
在今后的发展中,集成电路内部构造将更加注重实现更高的集成度和更复杂的功能。
同时,随着人工智能、物联网等技术的兴起,集成电路内部构造也将面临更多的挑战和机遇。
因此,研究和探索集成电路内部构造的意义和应用,以及展望未来的发展方向,对于推动整个电子产业的发展具有重要的意义。
1.2 文章结构文章结构部分的内容主要是对整篇文章的组织和安排进行介绍,目的是帮助读者更好地了解文章的结构和内容安排。
在本篇文章中,文章结构部分可以包括以下内容:文章的结构主要分为以下几个部分:1. 引言部分:在引言部分,我们将对集成电路内部构造的重要性进行概述,并介绍本文的目的和意义。
2. 正文部分:在正文部分,我们将详细介绍集成电路的定义、分类和组成,包括介绍各类集成电路的特点和应用领域等。
- 2.1 集成电路的定义:在这一部分,我们将阐述集成电路的概念和定义,包括对集成电路内部元器件关系的描述。
- 2.2 集成电路的分类:在这一部分,我们将介绍集成电路的不同分类方法,如按工艺、按功能等分类,并详细介绍每类集成电路的特点和应用。
m imd结构
m imd结构
IMD结构是一种常见的电子器件结构,用于集成电路和电子
器件中。
IMD指的是Insulator/Metal/Insulator/不导体-金属-不
导体的结构。
这种结构通常用于制作金属电极或导线,使其能够通过绝缘层与其他电子器件进行连接。
IMD结构的绝缘层通常由无机材料如二氧化硅 (SiO2)或氮化
硅 (Si3N4)组成,而金属层通常使用铝 (Al)、铜 (Cu)或其他导
电金属材料制成。
IMD结构的不导体-金属-不导体的设计使得
金属电极能够与器件底部或其他电路元件进行良好的电气隔离,同时能够提供较低的电阻和增强器件的电性能。
IMD结构广泛应用于半导体器件制造中,例如晶体管、电容器、电阻器等。
这种结构能够实现不同电路元件之间的电连接,并且能够提供较高的电性能和可靠性。
IMD结构的制造技术
在半导体工业中得到了广泛应用,对于集成电路和其他电子器件的设计和制造过程起到了重要的作用。
集成电路的三种输出结构
集成电路的三种输出结构集成电路(IC)是将多个电子元件(如晶体管、电阻、电容等)集成在一个小芯片上的电子器件。
IC的输出结构是指IC与外部电路连接的方式,主要有以下三种类型:1. 推挽式输出推挽式输出结构是IC中最常见的输出结构之一。
它使用一对互补晶体管(一个NPN晶体管和一个PNP晶体管)来控制输出信号。
当一个晶体管导通时,另一个晶体管截止,从而使输出信号在高电平和低电平之间切换。
推挽式输出结构具有以下优点:输出电流大:由于使用了两个晶体管,因此推挽式输出结构可以提供较大的输出电流,适合驱动高负载。
输出阻抗低:推挽式输出结构的输出阻抗较低,可以有效地减少信号失真。
抗干扰能力强:推挽式输出结构对电源噪声和共模干扰具有较强的抗干扰能力。
2. 开漏式输出开漏式输出结构是另一种常见的IC输出结构。
它只使用一个晶体管(NPN晶体管或PNP晶体管)来控制输出信号。
当晶体管导通时,输出信号为低电平;当晶体管截止时,输出信号为高电平。
开漏式输出结构具有以下优点:功耗低:由于只使用了一个晶体管,因此开漏式输出结构的功耗较低。
输出电压范围宽:开漏式输出结构的输出电压范围可以从0V到电源电压,因此可以连接各种外部电路。
抗干扰能力强:开漏式输出结构对电源噪声和共模干扰具有较强的抗干扰能力。
3. 三态输出三态输出结构是IC中比较特殊的一种输出结构。
它使用三个晶体管来控制输出信号,可以通过控制信号将输出信号设置为高电平、低电平或高阻态。
三态输出结构具有以下优点:输出状态可控:三态输出结构可以通过控制信号将输出信号设置为高电平、低电平或高阻态,因此可以灵活地控制信号的传输。
减少功耗:当输出信号设置为高阻态时,三态输出结构的功耗很低。
便于连接:三态输出结构可以很容易地连接在一起,从而实现多个IC之间的数据传输。
集成电路的输出结构有很多种,每种结构都有其独特的优点和缺点。
在选择IC 时,需要根据实际应用需求来选择合适的输出结构。
CMOS器件结构
邹志革
EST-ICC
4
CMOS集成电路中元件
• MOS晶体管 • 连线 • 集成电阻 • 集成电容
– 多晶硅-扩散区电容 – 双层多晶硅电容 – MOS电容 – 多层“夹心”电容
• 寄生二极管和三级管
邹志革
EST-ICC
5
CMOS集成电路中的元件
• MOS晶体管 • 连线 • 集成电阻 • 集成电容 • 寄生二极管和三级管
S2 I1
G1
B1
S
M1
S1 S
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EST-ICC
15
MOS晶体管
•MOS晶体管的串联和并联
* 串联和并联的物理实现
P2 P1
P1
N1 N2
P2 N2 N1
P1和P2并联,N1和N2串联
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EST-ICC
16
连线
•连线
* 电路由元件和元件间的连线构成 * 理想的连线在实现连接功能的同时,不带来额
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EST-ICC
2
CMOS集成电路中元件
• MOS晶体管 • 连线
–连线寄生模型 –寄生影响
• 集成电阻 • 集成电容 • 寄生二极管和三级管
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EST-ICC
3
CMOS集成电路中元件
• MOS晶体管 • 连线 • 集成电阻
– 多晶硅电阻 – 阱电阻 – MOS电阻 – 导线电阻
• 集成电容 • 寄生二极管和三级管
尺寸, 如0.35um, 0.18um. W表示管子的大小, W越大 则管子越大,导电能力越强, 等效电阻越小.
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EST-ICC
11
MOS晶体管
•MOS晶体管的电特性
1. 晶体管的三种工作状态 截止区: IDS=0 条件: VG −VT −VS ≤ 0 饱和区: IDS=k′•W/L•[(VG-VT-VS)2-(VG-VT-VD)2] 条件:VG −VT −VS > 0,VG −VT −VD ≤ 0 线性区: IDS= k′•W/L•[(VG-VT-VS)2-(VG-VT-VD)2] 条件:VG −VT −VS > 0,VG −VT −VD > 0
第3章-MOS集成电路器件基础
第三章 MOS集成电路器件基础
假定有一NMOS管, W=3 μm, L=2 μm, 在恒流区则有:
UGS 2V
ID
K 2
W L
(U
GS
UTH
)2
1 2
73A /V
2
3m 2m
(2V
0.7V
)2
93A
若UGS=5 V, 则
ID
1 2
73A/V
2
3m 2m
(5V
0.7V
)2
1.0mA
第三章 MOS集成电路器件基础
由于源漏结的横向扩散, 栅源和栅漏有一重叠长度为 LD, 所以导电沟道有效长度(Leff)将小于版图中所画的 导电沟道总长度。 我们将用L表示导电沟道有效总长 度Leff, 图3 - 1中W表示沟道宽度。 在今后的学习中, 我们将会发现, 宽长比(W/L)和氧化层厚度tox这两个参 数对MOS管的性能是多么重要。 而MOS技术发展中的 主要推动力就是在保证电性能参数不下降的前提下, 一代一代地缩小沟道长度L和氧化层厚度tox。
第三章 MOS集成电路器件基础
G 多晶硅 D
S
氧化 层
W
N+ P型 衬 底
Leff
N+
Ldra wn
LD
图3 - 1 NMOS管的简化结构
第三章 MOS集成电路器件基础
3.1.2 N阱及PMOS 为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动
而不产生垂直于衬底的额外电流, 源区、 漏区以及沟 道和衬底间必须形成反偏的PN结隔离, 因此, NMOS 管的衬底B必须接到系统的最低电位点(例如“地”), 而PMOS管的衬底B必须要接到系统的最高电位点(例如 正电源UDD)。 衬底的连接如图3 - 2(a)、 (b)所示。
集成电路中的器件及模型chap3-1
S (b ) NMOS D G
D PMOS S
S (c)
D
S (d )
D
MOS管阈值电压
Conditions – 阈值电压VT
S + VGS G D
n+
n+
n-channel p-substrate B
Depletion Region
NMOS晶体管VGS为正, 显示耗尽区和感应的沟道 EE141
4
13
(二)窄沟效应 (1 )有效沟道宽度: 1. 鸟嘴 2. 场注 (2 )沟宽方向上的边缘场使耗尽电荷增加
14
(三)迁移率变化 (1 )影响迁移率的因素 1. 2. 3. 4. 载流子的类型 随掺杂浓度增加而减小 随温度增加而减小 随沟道纵向、横向电场增加而减小
(2 )迁移率的纵向电场退化 (3 )迁移率的横向电场退化
VGS - V T
VDS
20
ID与VGS 的关系
21
漏极电流和电压关系
饱和电流和VGS关系,长沟道器件中是平方关系 短沟道降低VGS不会像长沟晶体管那样显著
6 5 4 ID (A) 3 2 1 0 0 x 10
-4
VGS= 2.5 V
x 10 2.5
-4
VGS= 2.5 V
2
Resistive Saturation VDS = VGS - VT
1 VDD / 2
VDD / 2
VDD
V 3 VDD 7 dV (1 VDD ) I DSAT (1 V ) 4 I DSAT 9
Mos管等效电阻与电源电压VDD关系
7 x 10
5
6 5
1.电阻反比于器件的 (W/L)。晶体管的宽度 加倍则使电阻减半(因 IDSAT与W/L成正比)
集成电路计算机知识点总结
集成电路计算机知识点总结一、集成电路概述集成电路是指将多种电子器件、电路和元器件集成在一个芯片上的电子器件。
它的存在完全改变了传统电子器件设计中的离散元器件法,将许多晶体管、电阻、电容和电感等元器件集成在同一块硅片或其他介质上,并在其上形成所需的功能电路。
集成电路的优点在于小体积、轻质量、高可靠性和功耗低等。
集成电路计算机是指使用集成电路技术制造的计算机。
它是以微处理器为核心,结合存储器、输入输出设备和系统控制逻辑等电路,构成一种高度集成的电子计算系统。
二、集成电路计算机结构1. CPUCPU(Central Processing Unit,中央处理器)是集成电路计算机的核心,负责执行程序和进行数据处理。
CPU包括运算器、控制器和寄存器等部分。
运算器负责执行算术运算和逻辑运算,控制器负责控制程序的执行流程,寄存器则用于暂存指令和数据。
2. 存储器存储器用于存储计算机程序和数据,主要包括随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和辅助存储器(硬盘、光盘等)。
RAM用于临时存储程序和数据,ROM用于存储不易改变的程序和数据,辅助存储器则用于长期存储大量数据。
3. 输入输出设备输入输出设备用于计算机与外部环境进行交互,主要包括键盘、鼠标、显示器、打印机、网络接口等。
输入输出设备通过接口与计算机连接,实现输入数据和输出结果的传输。
4. 系统总线系统总线用于连接CPU、存储器和输入输出设备,实现它们之间的数据传输和控制信号传递。
系统总线分为地址总线、数据总线和控制总线,分别用于传输地址信息、数据信息和控制信号。
5. 时钟时钟是计算机中的一个重要部件,用于产生计算机系统中各器件的同步时序信号,保证系统的稳定运行。
时钟信号的频率称为时钟频率,通常以赫兹(Hz)为单位。
三、集成电路计算机工作原理集成电路计算机的工作原理是通过CPU执行指令,控制存储器和输入输出设备进行数据传输和处理。
当计算机启动时,CPU从存储器中读取操作系统程序,并执行相应的初始化工作。
IC的结构与电气特性
IC的结构与电气特性引言集成电路 (Integrated Circuit, 简称IC) 是现代电子技术中一个非常重要的概念。
它是在半导体材料上制造出各种电子元器件,通过精密的布局和连接形成的一个微小的电子电路。
本文将介绍IC的结构以及其电气特性。
通过了解IC的结构和电气特性,我们可以更好地理解IC的工作原理和应用。
IC的结构IC的结构由晶体管、电阻、电容和电感等电子元器件组成。
这些元器件通过精密的层叠和连接形成一个完整的电子电路。
常见的IC结构有多片式结构、喷墨式结构和开关式结构等。
下面将介绍几种常见的IC结构。
多片式结构多片式结构是最早的IC结构之一,它是将多个独立的IC芯片通过引脚或电气连线连接在一起,形成一个复杂的电路系统。
多片式结构具有良好的可扩展性和可独立维护性,但是易受引脚和连线故障的影响,且占用空间较大。
喷墨式结构喷墨式结构是一种通过利用墨水喷射的方式来制造IC的结构。
喷墨式结构能够实现高度集成和微细加工,使得IC具有更高的性能和更小的体积。
但是,喷墨式结构的制造工艺复杂,本钱较高。
开关式结构开关式结构是一种以开关元件为核心的IC结构。
开关元件能够控制电流的开关和传导,从而实现电路的各种功能。
开关式结构具有高速、低功耗和高可靠性等优点,广泛应用于数字电路、通信电路和控制电路等领域。
IC的电气特性IC的电气特性主要包括电压特性、电流特性和频率特性等。
下面将详细介绍IC的几种常见电气特性。
电压特性电压特性是指IC在不同电压下的工作情况。
IC通常具有工作电压范围,超出范围会导致IC无法正常工作或损坏。
电压特性可以根据工作电压范围和电压变化范围来衡量IC的稳定性和可靠性。
电流特性电流特性是指IC在不同电流下的工作情况。
IC的电流特性包括工作电流、静态电流和动态电流等。
工作电流是指IC正常工作时所需的电流。
静态电流是指IC在待机状态下的电流消耗。
动态电流是指IC在工作过程中电流的变化情况。
频率特性频率特性是指IC在不同频率下的工作情况。
集成电路中的现代半导体器件
集成电路中的现代半导体器件集成电路是现代电子工业中的一种重要器件,它是由大量的半导体器件、电容器、电阻器等元器件组成的电路,把各种功能元器件集成在同一片半导体晶片上,而成的一种微型电路。
集成电路不仅在电子工业中应用广泛,而且也是现代社会的重要支柱之一。
现代半导体器件是构成集成电路必不可少的组成部分,主要包括二极管、晶体管、场效应晶体管、噪声场效应晶体管、双极晶体管、光电二极管、光敏电阻等。
其中,二极管可分为肖特基二极管、普通二极管等。
肖特基二极管主要应用于高频和微波触发器、混频器等领域,它特别适合于频率高、噪声小和速度快的电路中;普通二极管用于电源电路、低频放大器、整流器等,它的主要特点是结压降低、反向漏电流小、工作稳定性好。
晶体管是一种三端元件,主要用于放大电流、控制电流、开关电路等。
晶体管可分为双极晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)两种类型。
BJT通常用于低频的放大电路、开关电路和数字电路中,它具有放大系数高、频率响应稳定、驱动电流大等特点。
FET则更适合于高频、高速、低功耗的应用,比如射频、功率放大器等。
噪声场效应晶体管(JFET)是一种低噪声的放大器元件,其主要特点是输入和输出之间阻抗高、带宽宽、噪声低。
光电二极管是一种将光能转换成电能的半导体器件,常用于光电传感、遥控器、光电隔离等领域。
而光敏电阻则是一种光敏元器件,其电阻随着光强度的变化而变化,常用于光电测量、自动照相机、计量仪表等。
除了以上几种半导体器件外,还有一些近年来新兴的半导体器件值得一提。
比如,硅基光电驱动器件(SOD)是一种利用光电作用对电子进行控制的半导体器件,它可用于高速通讯、信息处理、光电传感等领域。
有机发光二极管(OLED)则是一种新型的显示器件,其主要特点是低功耗、自发光、薄、柔性等,适用于可穿戴设备、智能家居、汽车等领域。
总的来说,现代半导体器件是集成电路中不可或缺的部分,它们的不断创新与进步不仅推动着集成电路技术的不断革新进步,也有助于推动电子工业的发展。
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第3章集成电路中的器件结构3.1 电学隔离的必要性和方法第2章中给出了二极管、双极型晶体管和MOS场效应晶体管的截面剖图(见图2—14、图2—19和图2—31)。
图中显示了这些器件的主要特征,但这种结构不能直接用于集成电路之中,在集成电路中它们的结构要复杂得多。
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、电容等元件,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。
在现代集成电路技术中,通常采用以下两种电学隔离方法:①通过反向PN结进行隔离;②采用氧化物(二氧化硅)加以隔离。
这两种方法能较好地实现直流隔离,其缺点是都会增加芯片面积并引入附加的电容。
现以MOS管为例说明反向PN结的隔离作用。
如在一个硅片衬底上有两个N沟 MOS管,其结构与PN结的隔离作用见图3~1。
图3一l PN结隔离作用在每个N沟MOS管的源与衬底之间加一负偏压或将两者直接短路后接地,就可防止电流流向衬底。
同时由于两管的漏端总是处于正电压,漏与衬底结处于反向,沟道与衬底之间也形成一反向结,因此两个MOS管之间在电学上也就被隔离。
这是MOS场效应晶体管在结构上的一个固有优点,即可以利用MOS管本身的PN结实现隔离而不需增加新的PN结。
对于双极型晶体管常采用氧化物隔离方法,即在形成三极管区域的四周构筑一隔离环,该隔离环为二氧化硅绝缘体,因而集成电路中的各个三极管之间,以及各三极管与其他元件(如电阻、电容等)之间是完全电隔离的。
氧化物隔离的示意图见图3—2。
图中有两个三极管,每个三极管四周被二氧化硅所包围,因而这两个三极管在电学上完全被隔离,其横截面图将示于3.3节中的图3—5。
3.2二极管的结构用于集成电路中的二极管,其制作步骤和实际结构示于图3—3。
图3-3集成电路中二极管的制作步骤在集成电路中,要求二极管的两个引出端(P端和N端)必须在芯片的上方引出(而不是像图2—14那样,N端在下方引出),此外还要考虑二极管与芯片中其他元器件的隔离。
为此先在P型衬底材料上通过外延生长得到一层很薄的N型外延层(如图3—3(a)所示),然后在指定的区域进行P型杂质扩散,形成N型“岛”(如图3—3(b)所示),同时形成 PN结隔离区,二极管就在此N型“岛”内制作。
再形成P型区(如图3—3(c)所示),P型区与N型外延层形成PN结。
最后形成N+型区,N+型区是为了得到与N型外延层的欧姆连接。
由金属铝作为引出端的一个完整的二极管结构示于图3~3(d)。
3.3双极型晶体管的结构图2—19那种简单的三极管结构是无法用于集成电路中的,如果有两个三极管同时制作在一个芯片上,那它们的收集极就相连了。
为此要对这种三极管结构作重大的修改。
.首先是在三极管的下方形成一PN结,使收集极与衬底隔离。
对于NPN三极管,采用P型硅片衬底。
用外延生长方法先形成一薄的N型外延层,三极管本身就制作在这一薄外延层上。
制作时先在指定的区域进行P型杂质扩散,形成P型基区;再在基区内指定的区域进行N型杂质扩散,形成N+型发射区。
其截面图见图3—4。
图3-4用PN结隔离三极管与衬底其次是设法用氧化物(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,这示于图3—5。
图3-5两个完全隔离的NPN三极管但这样的结构仍然存在缺点,由于收集极电流必须横向流过外延层才能到达收集极,而收集区有一个很大的串联电阻,因而三极管的电学特性很差。
为了减小这一收集区电阻,必须增加两个N+型区。
一个是称为“埋层”的N+型层,它在外延层生长前就设法在 P型衬底上形成,其目的是减小收集区的横向电阻。
另一个是在收集极接触处下面形成一N+型区,以减小收集极串联电阻,通常这一步是与N+发射区同时形成的。
具有埋层结构的NPN双极型晶体管见图3—6。
当然对于双极型晶体管也可以采用PN结环实现隔离,如图3—7所示。
从图中可以看出,一个重掺杂的P+环围绕此NPN三极管,该P+环一直深入到P型衬底区,因而可图3-6具有埋层结构的NPN双极型晶体管图3-7采用PN结环隔离的NPN双极型晶体管以同时实现横向和纵向的PN结隔离。
但是PN结隔离环的宽度要比氧化物环宽,而且电容量也较大,所以近年来已不常使用。
另一种隔离技术称为槽隔离(trench isulation)。
它是在三极管的四周通过腐蚀方法形成一个槽环,槽的内壁生长出一薄氧化层,再填充进多晶硅。
此方法的优点是槽环所占面积较小,但制造工艺较复杂,成本较高,只在某些要求较高的电路中使用。
为减小尺寸而改进得到的较完善的三极管结构示于图3—8。
在这种改进结构中,首先在基区与收集区之间插入氧化层,以防止两者非常靠近时的相互影响。
该氧化层的存在还使基区与收集极区金属接触的位置不再要求非常严格的定位,从平面设计上,基区与发射区也可以延伸到P型基区的边缘,而不再需要留有间隙(与图3—6相比)。
经改进后采用氧化物隔离的三极管尺寸可以小于10 μm x10μm。
图3-8一种较完善的NPN双极型晶体管结构3.4 MoS场效应晶体管的结构3.4.1 场氧化层的作用在3.1节中谈到,MOS管可以利用自身的PN结实现电学隔离。
但如果在两个 MOS管之间有一金属导线通过,那就会形成一寄生MOS管,如图3—9所示。
该金属导线被认为是此寄生MOS管的栅极,两端为源区和漏区。
如果此寄生MOS管偶然处于开启状态而引起了漏源电流,即使这一电流很小也会使整个电路功能发生混乱。
为了防止这一现象的发生,在各MOS管之间设法生长出一比较厚的二氧化硅层,使它们在横向上完全隔离,见图3—10。
我们常称此二氧化硅层为场氧化层(field oxide layer)。
这一较厚氧化层的存在,使寄生MOS管的阈值电压升高了。
寄生MOS管的阈值电压可设计成高于电路中的电源电压,由于通常电路中金属导线上的电压不会大于电源电压,所以此寄生MOS管就永远处于关闭状态,因而起到横向隔离作用。
MOS管本身所处的区域称为有效区,其四周为场氧化区。
MOS管的漏极和源极的金属接触在有效区内,栅极的金属接触则可在有效区外,三者的金属连线在场氧化层上通过。
一个完整的N沟MOS管结构的截面图和顶视图见图3—11。
图3一11 N沟MOS管结构的截面图和顶视图3。
4.2 CMOS电路的结构一种既包含N沟MOS管又包含P沟MOS管的电路称为互补型MOS电路(complementary MOS),简称CMOS电路。
为了使两种不同类型的MOS管做在同一硅片衬底上,就先要在硅衬底上形成一N阱(N-well)或P阱(P-well)。
现以N阱为例,P沟MOS管应设法制作在N阱中,而N沟MOS管则应直接制作在衬底上,如图3—12所示。
图3—12 N阱CMOS的原理图如果在硅片衬底上先形成P阱,则N沟MOS管制作在P阱中,而P沟MOS管直接制作在衬底上。
近代的cMOs电路也有采用双阱工艺的,即在衬底的高阻率的外延层上分别形成P阱和N阱,然后N沟MOS管和P沟MOS管就分别制作在P阱和N阱中。
采用场氢化屡隔离的CMOS电路结构示于图3—13。
图3-13采用场氧化层隔离的CMOS电路结构3.5电阻的结构一般在集成电路中很少使用电阻,特别是在MOS电路中,即使需要也用MOS管来代替。
但在某些集成电路中,例如双极型电路中还需要采用电压与电流具有线性关系的电阻。
对于双极型电路中的电阻,它的制作过程可与双极型晶体管的制作同时进行,并利用双极型晶体管中的某一层来形成电阻,如图3—14所示。
从图中可看出,这是利用NPN晶体管的P型基区扩散层作为电阻,因为P型层的电阻率比较易于得到所要求的电阻值(电阻值限于10 kΩ以下)。
在P型层的两端有该电阻的连接端(图中的A和B)。
在纵向方向仍采用PN结隔离,横向方向则利用氧化物隔离。
但这样得到的电阻,其电阻的绝对值较难以控制。
为得到精确的电阻值,常利用多晶硅薄膜来制作电阻。
该多晶硅薄膜是通过“淀积”方法沉积在二氧化硅的上面,其面积和厚度都需精确控制,因而工艺复杂度增加,一般只在特殊需要时才采用这一方法。
图3-14双极型电路中的电阻3.6电容的结构集成电路中的电容可以利用反向偏置时的PN结电容来获得。
但这样的电容,其电容量是反向偏压的函数,因而电容值会随电压而变化,比较好的方法是利用金属与扩散区、多晶硅与金属、两层多晶硅或两层金属之间形成的平行板电容来构成电容。
一种利用金属与扩散区形成的平板电容示于图3—15。
上电极为金属铝,下电极为扩散N+层,两平板之间的介质为二氧化硅层。
图3—15金属与扩散区形成的电容(a)工艺复合图; (b)横截面图通常这种电容器所占面积较大,一个100 pF的电容在芯片上所占的面积往往要超过100个晶体管所占的面积,因而在集成电路中,实现电容的相对成本与用分立元件实现电容时的相对成本是不同的。
一般地,在集成电路中,电容的成本要高于电阻,电阻的成本要高于晶体管,因此,在集成电路的设计中应尽可能地避免采用电阻和电容这类元件。
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硅层上指定的位置处开出一个孔,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。
另一种孔称为通孔(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。
棒触孔与通孔的示意图见图3—16。
图3-16接触孔与通孔的示意图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,有时也用多晶硅作为互连线,但因多晶硅的电阻率较高,所以只能作为短距离互连之用。
3.3 MOS电容MOS电容分两类:一类是参与运算的专门制作的MOS电容,例如开关电容网络中的积分电容和等效电阻用电容,这类电容要求电容值相对准确而稳定;另一类是MOS管极间电容和寄生电容,这类电容越小越好,大了会影响电路的带宽、工作速度或造成运算误差。
3.3.1用作单片电容器的Mos器件特性.专门使用MOs电容的器件相当于二端器件,如图3—12所示。
其中,图3—12(a)为 MOS 电容结构,多晶硅和N+扩散区构成电容器CAB的两极,二氧化硅(Si02)为绝缘层。
图3—12(b)中,Cp为N+区与衬底之间的寄生电容。
图3—12单片MOS电容器结构a)单片MOS电容器结构;(b)MOS电容模型单位面积电容Cox为r1 E01~si02h‘一、=-总的MOS电容为CAB一吒·Ⅳ·L=Co~AG (3—21)其中,Ac一Ⅳ·L为MOS电容的面积,£。