第二章+集成电路材料、结构与理论

主要内容：

2.1 了解集成电路材料

2.2 半导体基础知识

2.3 PN结与结型二极管

2.4 双极型晶体管基本结构与工作原理

2.5 MOS晶体管基本结构与工作原理

2.1 了解集成电路材料

集成电路中应用到的三种材料：导体(conductor)、半导体(semi-conductor)、绝缘体(isolator).

表2.1 集成电路制造所应用到的材料分类

半导体材料的特性：

◆掺杂特性：通过掺入杂志可以改变半导体的电导率

例子：在室温300C时，在纯净锗中掺入亿分之一的杂质，

电导率会增加几百倍。

◆热特性：当半导体受到外界热的刺激时，其导电能力将发

生显著变化。

例子：半导体热敏器件，温度传感器

◆光敏特性：光照可以改变半导体的电导率，通常成为半导

体的光电效应。

例子：光敏电阻、光电二极管、光电耦合器

◆发光特性：多种由半导体材料形成的结构中，当注入电流

时，会发射出光，，从而可以制造出发光二极管和激光二极管。

硅(Si)

◆原材料丰富：占地球元素总量的25％，仅次于氧

◆纯化制作容易，成本较低

◆市场上90％的IC产品都是基于Si工艺的

砷化镓(GaAs)

◆能工作在超高速超高频，其原因在于这些材料具有更高的

载流子迁移率，和近乎半绝缘的电阻率

◆主要有三种有源器件：MESFET、HEMT、HBT

磷化铟(InP)

◆广泛应用于光纤通信系统中

绝缘材料

◆SiO2 、SiON和Si3N4是IC 系统中常用的几种绝缘材料◆作用：

a：实现器件、导线之间的电隔离

b：充当离子注入及热扩散的阻挡层

c：作为器件表面的钝化层，保护器件不受外界影响金属材料(重点)

◆金属材料有三个功能：

a：形成器件本身的接触线

b：形成器件间的互连线

c：形成焊盘

◆半导体表面制作了金属层后，根据金属的种类及半导体掺

杂浓度的不同，可形成肖特基型接触或欧姆接触

a：如果掺杂浓度较低，金属和半导体结合面形成肖特基型

接触，构成肖特基二极管。

b：如果掺杂浓度足够高，使隧道效应可以抵消势垒影响，那么就形成了欧姆接触。

◆器件互连材料包括金属，合金，多晶硅，金属硅化物

a：在Si基VLSI技术中，由于Al几乎可满足金属连接所有要求，被广泛用于制作欧姆接触及导线b：铜的电阻率为1.7 ⋅Ωμcm,比铝3.1 ⋅Ωμcm的电阻率低, 后,以铜代铝将成为半导体技术发展的趋势

c：硅铝、铝铜、铝硅铜等合金已用于减小峰值、增大电子迁移率、增强扩散屏蔽，改进附着特性等。

d：非掺杂的多晶硅薄层实质上是半绝缘的，电阻率为300 Ω·cm 。通过不同杂质的组合，多晶硅的电阻率可被控

制在500—0.005 Ω·cm，主要用于FET管的栅极、高精

度电阻。

◆IC工艺的多层布线工艺

VLSI至少采用两层金属布线。第一层金属主要用于器件各个极的接触点及器件间的部分连线，这层金属通常较薄，较窄，间距较小。第二层主要用于器件间及器件与焊盘间的互联，并形成传输线。寄生电容大部分由两层金属及其间的隔离层形成。

2.2 半导体基础知识

2.2.1 半导体晶体结构

晶体：是原子、离子或分子按照一定的周期性，结晶过

程中，在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的电子称为价

电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。

共价键中的电子为这些原子所共有，并被它们所束缚，

在空间形成排列有序的晶体。

硅晶体平面结构图硅晶体立体结构图

2.2.2 本征半导体与杂质半导体

本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体

称为本征半导体。制造半导体器件的材料

的纯度必须达到99.9999999%。

本振半导体的特性:

1. 热力学绝对零度和没有外界能量激发时，价电子受

共价健束缚，晶体中不存在自由移动的电子，半导

体不能导电。

2.当受到光照或温度升高的影响，某些共价健中的价

电子获得了足够的能量，足以摆脱共价健的束缚，

越升到导带，成为自由电子。

3.空穴：自由电子产生的同时，在其原来的共价键中

就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出

正电性，其正电量与电子的负电量相等。人们常称

这种呈现正电性的空位为空穴。

4.本征激发：由热激发产生的跃迁过程，也叫热激发。

5.由本征激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现

的，称为电子空穴对。游离的自由电子也可以回到空

穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下达

到平衡。

6.空穴的移动：自由电子的定向移动形成电子电流。空

穴的定向运动也可以形成空穴电流，不过方向相反。

空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子一次填充空穴

来实现的，因此空穴的导电能力不如自由电子。

杂质半导体：

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性能发生显著变化。掺入的杂质主要是3价或5价元素，掺入杂质后的本征半导体叫杂质半导体。

1)N型半导体

在本征半导体中掺入5价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体，N型半导体的载流子为电子。

解析：因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。

在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。

2)P型半导体

本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟