二极管和晶体管

微电子制造技术
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本章要点
1.区别模拟和数字、有源和无源器件的不同。说明在 无源器件中寄生结构的影响； 2.对PN结进行描述，讨论其重要性，并解释其反向偏 压和正向偏压的不同； 3.描述双极技术特征和双极晶体管的功能、偏压、结 构及应用； 4.描述 CMOS 技术的基本特征，包括场效应晶体管、 偏压现象以及CMOS反相器； 5.描述 MOSFET 增强型和耗尽型之间的区别； 6.描述寄生晶体管的影响和 CMOS 闩锁效应的本质； 7.列举一些集成电路产品，描述其各自的一些应用。
半导体制造技术
西安交通大学微电子技术教研室 刘润民 第3章
器件技术
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引 言
用于微芯片的电子器件是在衬底上构建的。 通用的微芯片器件包括电阻、电容、熔丝、二极 管和晶体管。它们在衬底上的集成是集成电路芯 片制造技术的基础。 硅片上电子器件的形成方式被称为结构。半 导体器件结构有成千上万种。这里只能列举出其 中的一部分。本章将讨论器件的实际形成，以了 解它们在应用中是怎样发挥作用的。同时，本章 还将对集成电路产品的不同分类进行回顾。
Bipolar junction transistor
Field effect transistor
Figure 3.4 晶体管中寄生电容器
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有源元件结构 • • • • • • pn 结二极管 双极晶体管 肖特基二极管 双极集成电路技术 CMOS 集成电路技术 增强型和耗尽型 MOSFET
寄生电阻结构
寄生电阻是在集成电路元件设计中产生的多余 电阻。它存在于器件结构中是因为器件的尺寸、形 状、材料类型、掺杂种类以及掺杂数量。寄生电阻 不是我们所需要的，因为它会降低集成电路或者器 件的性能。图3.2表示了晶体管中寄生电阻的位置。 寄生电阻是可积累的，这意味着一串电阻总的 效应比单个电阻大。在集成电路器件中。这些寄生 电阻的影响成为能否降低芯片上器件特征尺寸的关 键因素。随着集成度的提高，电阻将会增加，使电 性能总体下降。为此设计者可选用低电阻金属作为 接触层和特别工艺设计以减小有源器件的体（bulk ）电阻。
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pn junction diode Cathode Metal contact Anode Heavily doped p region Heavily doped n region
p- Substrate
Figure 3.5 PN结二极管的基本符号和结构
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集成电路中电阻结构示例
Metal contact Film type resistor Metal contact
SiO2, dielectric material SiO2, dielectric material
Figure 3.1
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Base
Emitter
Collector
Metal contact resistance
RBC
REC REB
RCC
RBB
n+ pn+
RCB
p- Substrate
Bulk resistance
Figure 3.2 晶体管中寄生电阻的剖面
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无源元件结构
在电路中电阻和电容都是无源元件。因为这些 元件无论怎样和电源连接，它们都能传输电流。例 如，一个电阻无论是与电源的正极还是负极连接， 它都能传输同样的电流。 • 集成电路电阻结构 集成电路中的电阻可以通过金属膜、掺杂的多 晶硅，或者通过杂质扩散到衬底的特定区域产生。 这些电阻是微结构，因此它们只占用衬底很小的区 域。电阻和芯片电路的连接是通过与导电金属（如 铝、钨等）形成接触实现的(见下图）。
集成电ຫໍສະໝຸດ Baidu电容结构
大家知道，一个简单的电容器是由 两个分立的导电层被介质（绝缘）材料隔 离而形成的。微芯片制造中介质材料通常 是二氧化硅（ SiO2 ） , 平面型电容器的导电 层可由金属薄层、掺杂的多晶硅，或者衬 底的扩散区形成。通常衬底上的电容器由 4 钟基本工艺组成（见图3.3）。
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2nd, n+ poly plate
Substrate
Substrate
Dielectric material (oxide)
Figure 3.3 集成电路中电容结构
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E
B
C
S
G n
D
doped poly
n p
n
n
oxide p- Substrate
n
p- Substrate
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电路类型
• 模拟电路 在电子技术中，模拟电路是指其电参 数在一定电压、电流、功耗值范围内变化 的一种电路。 模拟电路可以设计成由直流（DC）、 交流（AC）或者两者的混合以及脉冲电流 来作为工作电源。
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• 数字电路 数字电路在两种性质不同的电平信号－高电 平和低电平下工作。 数字电路与数字 ( 逻辑 ) 器件有关。数字器件 （电路）可用于测量并控制事件结果：要求既有 开 / 关型命令，又能受模拟线性电路分立增量变化 的控制。这也正是今天区别模拟器件和数字器件 如此困难的原因所在。高低电平准确数值取决于 特别的器件技术。下面是两个逻辑电平的例子： 逻辑类型 高电平＝1 低电平＝0 TTL 5 VDC 0.0 VDC CMOS 3.5VDC 0.0 VDC
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Metal contacts 2nd doped poly layer
Metal contact to 1st poly
1st doped poly layer Substrate Substrate Dielectric material (oxide)
Doped poly layer Metal contact to diffused region 1st, n+ poly plate