第2章 集成电路材料与器件物理基础

双极型晶体管的放大作用就用正向电流放大倍数βF来描述， βF定义为：

IC F IB
也称为共发射极电流放大系数，βF远远大于1（通常大于 100）。

如果将发射极和集电极对换，从原理上讲没有本质上的不同。 但由于晶体管的实际结构不对称，特别是在集成电路中，发 射区嵌套在基区内，基区嵌套又在集电区内，发射结比集电 结小得多，反向电流放大倍数βR比βF小得多，故这种工作状
当VD增大时，靠近漏区的耗尽区先接触到半绝缘衬底，形成夹断。
偏减小时变窄，VD不变的情况下通过改变VD反偏而改变栅下NGaAs的耗尽区宽度，也就改变了ID的大小。类似电阻。
2.8 本章小结

集成电路由导体、绝缘体和半导体三大类材料构成，其中半导体材料最 为关键。

两种类型的半导体结合形成PN结，金属与轻掺杂半导体结合形成肖特
︱Vgs4︱ （1）“截至”区：沟道未形成； ︱Vgs3︱ ︱Vgs2︱ ︱Vgs1︱
（2）“线性”区：弱反型区，
这时漏极电流随栅压线性增加；
（3）“饱和”区：沟道强反型，
漏极电流与漏极电压无关。
︱Vds︱
MOS的电压－电流特性曲线

当漏极电压太高时，会发生称为雪崩击穿或穿通的
非正常导电情况。
触称为欧姆接触。
2.4 双极型晶体管
2.4.1 双极型晶体管的基本结构

在半导体晶体中形成两个靠得很近的PN结即可构成双 极型晶体管。

它们的排列顺序可以是N-P-N或者P-N-P。前者我们称 之为NPN晶体管，后者称之为PNP晶体管。

三个区域分别称为发射区、基区和集电区，对应引出的 电极分别称为发射极E、基极B和集电极C。E-B之间的 PN结称为发射结，C-B之间的PN结称为集电结。
基接触，金属与重掺杂半导体结合形成欧姆接触。

其中，一个PN结或一个肖特基结加上一到两个欧姆结就构成单向导电 的二极管，两个背靠背的PN结加上三个欧姆结就构成具有放大或开关 作用的双极型三极管，一个金属-氧化物-半导体结构加上两个欧姆结就 构成一个MOS管，一个肖特基结加上两个欧姆结则构成一个MESFET。
线性区
︱Vds︱=︱Vgs－Vt︱ 饱和区

︱Vgs4︱ ︱Vgs3︱ ︱Vgs2︱ ︱Vgs1︱ ︱Vds︱
MOS的电压－电流特性曲线
线性区输出电导
dI ds K N Vgs VT Vds 0 dV ds lim

︱Ids︱
饱和区电流与Vds无关， 类似电流源

跨导gm表示输出电流Ids和输入电压Vgs之间的关系，可以用 gm来衡量MOS器件的增益

如果漏源之间有电位差，将有电流流过。 如果加在栅上的正电压比较小，不足以引起沟道区反型，器件仍处在不导
通状态。引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为阈值电压VT。
2.5.3 MOS晶体管性能分析
线性区 ︱Vds︱=︱Vgs－Vt︱ 饱和区 ︱Ids︱

一个MOS管的正常导电特性
可分为以下几个区域：

体接触都能形成肖特基接触。

当金属与重掺杂的半导体接触时，由于半导体中的多 子浓度大，形成的势垒区将非常薄。这导致金属中的 电子不用越过接触势垒就能够通过隧穿效应达到半导 体中。半导体中的载流子同样如此。此时势垒对载流 子的阻碍作用几乎可以忽略，载流子能够 “自由”
通过金属与半导体的接触区。这样的金属与半导体接
集成电路设计技术与工具
第二章 集成电路材料与器件物理基础
本章基本要求：

掌握集成电路材料的种类及功能； 了解半导体材料的特性； 了解欧姆型接触和肖特基（Schottky）型 接触及其区别； 了解双极型晶体管、MOS晶体管及金属 半导体场效应晶体管（MESFET)的基本 结构

内容提要

2.1 集成电路材料及其功能
n 掺杂半导体衬底 p 型MOS 管
2.5.2 MOS晶体管的基本工作原理

以NMOS晶体管为例，如果没有任何外加偏置电压，从漏到源是两个背对 背的二极管结构。它们之间所能流过的电流就是二极管的反向漏电流。在 栅极下空穴。

如果把源漏和衬底接地，在栅上加一足够高的正电压，正的栅压将要排斥 栅下的P型衬底中的空穴而吸引电子。电子在表面聚集到一定浓度时，栅 下的P型层将变成N型层，即呈现反型。N反型层与源漏两端的N型扩散层 连通，就形成以电子为载流子的导电沟道。
（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 化物和氮化物在集成电路工艺中主要具有如下功能：
分类 材 料
电导率 （S· cm-1）
导体
半导 体 绝缘 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
硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、磷化铟 （GaP）、氮化镓（GaN）等 二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、氮化硅 （Si3N4）等

总之，正是由于这些独特的特性使得半导体材料在微电 子方面具有十分重要的作用。
2.3 肖特基接触与欧姆接触

金属与半导体接触时，由于金属费米能级与半导体的费 米能级不同，将导致电子从金属流向半导体或者半导体 流向金属。从而形成肖特基接触。

理论上当金属的费米能级高于P型半导体的费米能级时，
或者金属费米能级低于N型半导体的费米能级时，由于 电子或空穴的流动将在半导体表面附近产生势垒区形成 肖特基接触。其他情况不形成肖特基接触 事实上由于半导体表面态的存在，金属与轻掺杂的半导
三层材料叠在一起组成的，绝缘体介于导体和掺杂半导体之间意图
源极 栅极 导体 绝缘体 栅极 栅极
n
n
漏极 源极 衬底 耗尽型电路符号
导体 绝缘体 栅极 栅极
漏极
源极 衬底 增强型电路符号
漏极
p 掺杂半导体衬底 n 型MOS 管
源极 栅极
p
p
漏极 源极 衬底 耗尽型电路符号 漏极 源极 衬底 增强型电路符号 漏极
I ds gm Vds常数 Vgs

在线性区，跨导gm为
g m (线性)＝K N Vds

在饱和区，跨导gm为
g m (饱和)＝K（ N Vgs－VT）
2.6 金属半导体场效应晶体管 MESFET

利用金属与半导体接触形成的肖特基结可以构造MESFET 器件。 MESFET器件用GaAs和InP基半导体材料构成。

由于晶体管有两个PN结，所以它有四种不同的运用状
态。
（1）发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态； （2）发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态； （3）发射结反偏，集电结也反偏时，为截止工作状态； （4）发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。

在放大电路中，主要应用其放大工作状态。
课下作业
请给出以下集成电路相关领域经常出现的英文缩写 的全称（英文和中文）： IC, IP,ASIC, VLSI, SOC, CPLD,FPGA,DRAM MEMS, BJT, HBT,(C)MOS, FET,MESFET,HEMT， TTL,ECL,BiCMOS, SOI, MIM PCB,MCM,SIP,DIP,BGA,SOP CAD,EDA, PDK,DRC,ERC,LVS,LPE, SPICE,GDSII,VHDL，BSIM LOCOS, STI

截止区 线性区
饱和区

KN是NMOS晶体管的跨导系数，KN与工艺参数及器件的几何尺寸 有关，其关系为
με W ' W n KN ( )K ( ) tox L L

各项结构参数如下图器件示意图所示
MOS器件方程式中各几何项
2.5.4 MOS器件的电压-电流特性

线性区与饱和区之间的 分界线对应于条件︱Vds ︱=︱Vgs－VT︱ 从图上可以得到微分后得
态基本不用。
2.5 MOS晶体管的基本结构与工作原理
2.5.1MOS晶体管的基本结构


金属－氧化物－半导体场效应晶体管，简称为MOS器件
MOS是由导体、绝缘体与构成MOS器件衬底的掺杂半导体这 MOS的基本原理：在半导体靠近绝缘体界面感应出与原掺杂 类型相反的载流子，形成一条导电沟道，从而导通两侧的掺杂 半导体电极。 根据形成导电沟道的载流子的类型，MOS管被分为NMOS和 PMOS。
GaAs基MESFET

工作原理
对于耗尽型MESFET，当栅压VG为零，而源漏电压VD很小时，栅
下耗尽区并未延伸到N-GaAs下沿，器件处于导通状态， 因此源 漏电流ID很小并随源漏电压线性变化。 这时的VD称为饱和电压VDsat
当VG反偏而VD很小时，栅下耗尽区宽度在反偏增加时增宽，VD反
NPN和PNP晶体管的结构构成示意图、能带结构示意图和它们的晶体管符号。

一般在制作时，发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区；基区做
的很薄（以微米甚至纳米计）；集电结的面积大于发射结的面积。 因此，在使用时，E、C两个电极是不能交换的。电路符号中E电极
的箭头，表示正向电流的方向。
2.4.2 双极型晶体管的工作原理


2.2 半导体材料的特性
2.3 欧姆型接触 2.4 双极型晶体管的基本结构 2.5 MOS晶体管的基本结构 2.6 金属半导体场效应晶体管（MESFET）的基本结构 2.7 本章小结