第二章微电子材料与器件

2.2.5 集成电路的发展规律
惯性核
+14 2 8 4
+32 2 8 18 4
+4
价电子
本征半导体
完全纯净的半导体称为本征半导体。它们是 制造半导体器件的基本材料。
硅和锗共价键结构示意图：
+4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4
共价键
本征激发
共价键具有很强的结合力。 当T=0K（无外界影
响）时，共价键中无自由移动的电子。
• 半导体物理基础 • 集成电路基础 • 微电子材料
2.1
半导体物理基础
2.1.1 半导体性质
电导率介于金属和绝缘体之间的材料称为半导体。
纯净半导体的电导率随温度升高而指数增加 杂质的种类和数量决定着半导体的电导率 可以实现非均匀掺杂 半导体的电导率受光辐照和高能电子等的影响
硅 ( Si ) 、锗 ( Ge ) 原子结构及简化模型：
p-n结的形成
利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子 级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。
掺杂
P型
N型
PN结
半导体PN结能带图
半导体PN结能带图
2.2.2 双极型晶体管
又称三极管
பைடு நூலகம்
由两个相距很 近的PN结组成
在正常使用条件下，晶体管发射结加正向小电压，称 为正向偏置；收集结加反向大电压，称为反向偏置。 具有放大信号的功能。
热平衡载流子浓度
本征半导体中
本征激发——产生自由电子空穴对。 电子和空穴相遇释放能量——复合。
温度一定时： 激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。 热平衡载流子浓度：
ni AT e
导电能力
Eg 0 3 2 kT 2
pi
热敏特性
光敏特性
T 或光照
ni
杂质半导体
N型半导体： 本征半导体中掺入少量五价元素构成。
NPN晶体管的偏置情况
2.2.3 场效应晶体管（FET）
场效应晶体管分类
MOS场效应晶体管
N沟MOSFET，电位低的一端为源，电位高的为漏； P沟MOSFET，电位高的一端为源，电位低的为漏； S－源极； G－栅极； D－漏极
MOS场效应晶体管的结构
N N
结型场效应管
金属半导体场效应管
2.2.4 集成电路发展简史
+4
+4 +5
简化模型：
自由电子
+4
+4
N型半导体
多子——自由电子 少子——空穴
P型半导体
本征半导体中掺入少量三价元素构成。 简化模型：
+4
+4 +3
空穴
+4
+4
P型半导体
多子——空穴 少子——自由电子
2.1.2 半导体能带结构
当原子组合成晶体后，电子的量子 态将发生质的变化，它不再是固定 于个别原子上运动，而是穿行于整 个晶体中，电子运动的这种变化称 为“共有化”。
58年，锗 IC 59年，硅 IC 61年，SSI（10 ~ 100 个元件/芯片） 62年，MOS IC 63年，CMOS IC 64年，线性 IC
65年，MSI （100 ~ 1000个元件/芯片）
69年，CCD 70年，LSI （1000 ~ 10万个元件/芯片），1K DRAM 71年，8位 MPU IC，4004 72年，4K DRAM，I2L IC
2003年进入商业化生产。
比一比！
人的大脑：约有140亿个脑细胞，每个脑 细胞可完成 “异或” 或 “或非” 功能，长度 约为150 m ，消耗的能量约为 0.2 pJ 。 大规模集成技术：可在14 cm2的面积上制 作出 140 亿个具有同样功能的器件，每个器件 的长度约为 15 m ，消耗的能量约为 0.005 pJ， 工作寿命可达10亿小时以上。
当T升高或光线照射时 这种现象称 产生自由电子空穴对。
本征激发。
空穴的运动
当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留 下空位，同时原子因失去价电子而带正电。
当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成 一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。 注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。 半导体中有两种导电的载流子 自由电子 — 带负电 空 穴 — 带正电
77年，VLSI（10万 ~ 1000万个元件/芯片），64K DRAM ，
16位 MPU 80年，256K DRAM ，2 m 84年，1M DRAM ，1 m 85年，32位 MPU ，M68020
86年，ULSI（1000万 ~ 10亿个元件/芯片）， 4M DRAM ( 8×106, 91mm2, 0.8 m, 150 mm ) ， 于 89 年开始商业化生产，95年达到生产顶峰。 88年，16M DRAM（3×107, 135mm2, 0.5 m, 200mm）， 于 92 年开始商业化生产，97 年达到生产顶峰。 91年，64M DRAM（1.4×108, 198 mm2, 0.35 m, 200mm）， 于 94 年开始商业化生产，99 年达到生产顶峰。 92年，256M DRAM（5.6×108, 400 mm2, 0.25 m, 200mm），
电子共有化量子态能级
电子填充能带模型
施主能级
受主能级
2.1.3 半导体材料分类
• 元素半导体： Si、Ge、P、C
• 化合物半导体： GaAs、GaP、GaN
• 固溶体半导体： Si-Ge、Ga1-xAlxAs、HgxCd1-xTe
• 超晶格半导体： GaAs/AlGaAs 组分型、掺杂型、应变型
2.2 集成电路基础 2.2.1 p-n结的形成
由于N型半导体中有富裕的自由电子，而P型半 导体中有富裕的自由的空穴，所以当P型和N型半导 体接触时，P型半导体中的空穴就会向N型中扩散， 而N型半导体中的电子向P型中扩散，结果是P型端 带负电，而N型端带正电。因而会形成内建电场， 内建电场的方向从N型端指向P型端，从而又阻止电 子和空穴的扩散。最后，依靠电子和空穴浓度梯度 的扩散和内建电场的电作用达到平衡，在接触面附 近形成一个耗尽层，即p-n结。
于 98 年开始商业化生产，2002 年达到生产顶峰。
95年，GSI（ > 10亿个元件/芯片）， 1G DRAM（2.2×109, 700 mm2, 0.18 m, 200mm）， 2000 年开始商业化生产，2004 年达到生产顶峰。 97年，4 G DRAM（8.8×109, 986mm2, 0.13 m, 300 mm），