晶體管結(jié)構(gòu)與作用

1、李 明 材料科學(xué)與工程學(xué)院 芯片發(fā)展歷程與莫爾定律 晶體管結(jié)構(gòu)與作用 芯片微納制造技術(shù) 主要內(nèi)容 l半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) lMOSFET晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理 l晶體管應(yīng)用舉例晶體管應(yīng)用舉例 導(dǎo)體（金屬）導(dǎo)體（金屬）半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體 銅銅 鐵鐵 硅硅 鍺鍺 大理石大理石 玻璃玻璃 橡膠橡膠 電阻率電阻率 導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體 單元素半導(dǎo)體：?jiǎn)卧匕雽?dǎo)體：Si、Ge、Sn等，外殼電子數(shù)為等，外殼電子數(shù)為 4的的C族元素族元素 化合物半導(dǎo)體：化合物半導(dǎo)體：GaAs、GaP、InAs、ZnSe等，等， 一般由一般由B和和N族組成的化合物。族組成的化合物。 氧化物半導(dǎo)

2、體：氧化物半導(dǎo)體：ZnO、MnO2、MnO、Cr2O3、 NiO、TiO2、Cu2O、SnO2等等 電阻率的影響因素：雜質(zhì)、溫度、光、結(jié)構(gòu)缺陷電阻率的影響因素：雜質(zhì)、溫度、光、結(jié)構(gòu)缺陷 本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體： 純凈的單元素半導(dǎo)體硅、鍺，以及等純凈的單元素半導(dǎo)體硅、鍺，以及等 價(jià)化合物半導(dǎo)體價(jià)化合物半導(dǎo)體GaAs、GaN等等。 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理： 在溫度非常低的條件下，最外層價(jià)電在溫度非常低的條件下，最外層價(jià)電 子被束縛得很緊，幾乎無自由電子或空穴子被束縛得很緊，幾乎無自由電子或空穴 存在。故本征半導(dǎo)體在低溫下的電阻率很存在。故本征半導(dǎo)體在低溫下的電阻率很

3、 高，變?yōu)榻^緣體。高，變?yōu)榻^緣體。 在受熱或光照射的條件下，價(jià)電子被在受熱或光照射的條件下，價(jià)電子被 激發(fā)而成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生等數(shù)量的激發(fā)而成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生等數(shù)量的 帶正電荷的空穴。這些自由電子和空穴在帶正電荷的空穴。這些自由電子和空穴在 外界電場(chǎng)的作用下移動(dòng)而形成電流。外界電場(chǎng)的作用下移動(dòng)而形成電流。 束縛電子束縛電子，自由電子自由電子， 電子電子空穴空穴 摻雜物半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體： 向本征半導(dǎo)體中摻雜少量的價(jià)電子數(shù)向本征半導(dǎo)體中摻雜少量的價(jià)電子數(shù) 為為 5 的的N族元素，則可獲得自由電子，而族元素，則可獲得自由電子，而 成為成為N（Negative）型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。

4、N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 的導(dǎo)電性主要靠自由電子的移動(dòng)來完成的導(dǎo)電性主要靠自由電子的移動(dòng)來完成。 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體： 向本征半導(dǎo)體中摻雜少量的價(jià)電子數(shù)向本征半導(dǎo)體中摻雜少量的價(jià)電子數(shù) 為為 3 的的B族元素，則可產(chǎn)生空穴，而成為族元素，則可產(chǎn)生空穴，而成為P （Positive）型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電型半導(dǎo)體的導(dǎo)電 性主要靠空孔的的移動(dòng)來完成。性主要靠空孔的的移動(dòng)來完成。 束縛電子束縛電子，自由電子自由電子， 電子電子空穴空穴 PN結(jié)與二極管的特性與構(gòu)造 整流特性整流特性： 當(dāng)向當(dāng)向PN結(jié)由結(jié)由P向向N方向施加反向電壓時(shí)，方向施加反向電壓時(shí)，PN結(jié)合部位將出現(xiàn)空結(jié)合部位將出現(xiàn)空 乏

5、層，電流無法導(dǎo)通（圖左）。但施加正向電壓時(shí)，自由電子和空乏層，電流無法導(dǎo)通（圖左）。但施加正向電壓時(shí)，自由電子和空 穴會(huì)順利移動(dòng)而形成電流。這就是穴會(huì)順利移動(dòng)而形成電流。這就是PN結(jié)二極管重要的整流特性結(jié)二極管重要的整流特性。 電子的移動(dòng)方向電子的移動(dòng)方向 空穴的移動(dòng)方向空穴的移動(dòng)方向 PN結(jié)：結(jié)：PN Junction, 二極管：二極管：Diode 電子電子 空穴空穴 電子電子 空穴空穴 PN結(jié)的電流特性 降伏電壓降伏電壓 降伏降伏電流電流 逆向逆向 電壓電壓 逆向電流逆向電流 正向正向 電流電流 正向電壓正向電壓 二極管的標(biāo)記二極管的標(biāo)記 芯片上二極管的構(gòu)造芯片上二極管的構(gòu)造 負(fù)極負(fù)極 正

6、極正極 N-Si P-Si 正極正極 負(fù)極負(fù)極 電 至光 轉(zhuǎn)換 電發(fā)光原理：正負(fù)電在半導(dǎo)電發(fā)光原理：正負(fù)電在半導(dǎo) 體體P-N節(jié)處相遇，產(chǎn)生光子節(jié)處相遇，產(chǎn)生光子 而發(fā)光而發(fā)光 光 至電 轉(zhuǎn)換 LED照明光伏太陽(yáng)能電池 光發(fā)電原理：光子照射到光發(fā)電原理：光子照射到P- N節(jié)，產(chǎn)生電流，產(chǎn)生電力節(jié)，產(chǎn)生電流，產(chǎn)生電力 PN結(jié)的應(yīng)用 電流整流器 偏置隔離 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET） l場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 l低電壓和低功耗。低電壓和低功耗。 l結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）和金屬）和金屬-氧化物型場(chǎng)效氧化物型場(chǎng)效 應(yīng)晶體管（應(yīng)晶體管（MOSFET） NMOS型場(chǎng)效應(yīng)三極管 特特

7、 性性 a)Vg = 0：源極與漏極間，由于NPN結(jié)的作用無電流通過。 b) Vg 0：且較高時(shí)，柵極與P-Si的界面間形成電子富集層（電子隧道）， 源極與漏 極連通，電流通過。 引出漏極（引出漏極（Vd） drain P-Si 多晶體多晶體-Si柵極柵極 SiO2 絕緣膜絕緣膜 引出柵極（引出柵極（Vg） gate N-Si 漏極漏極N-Si 源極源極 基極（基極（Vsub） substrate 引出源極（引出源極（Vs） source N型隧道（電子隧道）型隧道（電子隧道） Vg Vs Vsub Vd 特特 性性 1.與NMOS動(dòng)作相反，當(dāng)Vg 0 ，且絕對(duì)值較大時(shí)，柵極與N-Si的界面間

8、形成 空孔富集層（空孔隧道），源極與漏極連通，電流才能通過。 2.由于空孔的移動(dòng)速度低于電子，故動(dòng)作速度比NMOS慢，應(yīng)用較少。 電子遷移率=1350cm2/VS， 空孔遷移率= 480cm2/VS Vg Vs Vsub Vd 引出引出漏極（漏極（Vd） drain N-Si 多晶體多晶體-Si柵極柵極 SiO2 絕緣膜絕緣膜 引出柵極（引出柵極（Vg） gate P-Si 漏極漏極P-Si 源極源極 基極（基極（Vsub） substrate 引出源極（引出源極（Vs） source P型隧道（空孔隧道）型隧道（空孔隧道） PMOS型場(chǎng)效應(yīng)三極管 兩個(gè)兩個(gè)pn結(jié)偏置狀態(tài)相反結(jié)偏置狀態(tài)相反 溝

9、道由反型層構(gòu)成，與源漏形成通路溝道由反型層構(gòu)成，與源漏形成通路 場(chǎng)效應(yīng)晶體管NMOS的結(jié)構(gòu) 芯片上的實(shí)際芯片上的實(shí)際NMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) P N+N+ 3 volts Vds 0.7 volts Vgs + + + - - - - - - - - - - - 場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理 NMOS NMOS電流電壓特性電流電壓特性 l線性區(qū)，線性區(qū)，MOSFET象電阻，電阻受柵電壓控制象電阻，電阻受柵電壓控制 l飽和區(qū)，飽和區(qū)，MOSFE象電流源，電流大小與象電流源，電流大小與VG2有關(guān)有關(guān) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理 柵的作用類似與水閘的閘門柵的作用類似與水閘的閘門 場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理 CMOS：Compl

10、emetary Metal-Oxide Semiconductor CMOS型晶體管并聯(lián)式MOS型場(chǎng)效應(yīng)管 5V Vs 輸輸 出出 輸輸 入入 Vs PMOS NMOS 32451 3 2 4 5 1 CMOS的輸入輸出特性的輸入輸出特性 輸入電壓輸入電壓 輸輸 出出 電電 壓壓 a)當(dāng)輸入電壓低時(shí)，NMOS不導(dǎo)通， PMOS導(dǎo)通，輸出電壓為高5V，表 現(xiàn)為1。 b) 當(dāng)輸入電壓高時(shí)， NMOS導(dǎo)通， PMOS不導(dǎo)通，輸出電壓為低0V， 表現(xiàn)為0。 l將PMOS和NMOS做在同一集成電路上就形成了互補(bǔ)型金屬氧化 物半導(dǎo)體技術(shù)，也就是CMOS技術(shù) l主要特點(diǎn)為功耗低，是集成電路中被廣泛采用的基本

11、回路 CMOS型晶體管并聯(lián)式MOS型場(chǎng)效應(yīng)管 Metal 1, AlCu P-Epi P-Wafer N-Well P-Well PMD p + p + n + n + W Metal 1 P-well Polycide gate and local interconnection STI N-well CMOS Inverter CMOS應(yīng)用例1：反相器 5V Vs 輸 入 Vd PMOS NMOS 1 0 Off on on off 5V Vs 輸 入 Vd PMOS NMOS 0 1 on off off on 靜態(tài)無電流 CMOS應(yīng)用例2：乘法邏輯電路 輸出輸出 輸入輸入 B Y A

12、Y B A ABY 000 100 010 111 Y = A B CMOS應(yīng)用例3：存儲(chǔ)器 掩模ROM 可編程ROM (PROM-Programmable ROM) 可擦除可編程ROM (EPROM-Erasable PROM) 隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM (Random Access Memory) 靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM (Static RAM) 主要用于高速緩存和服務(wù)器內(nèi)存 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM (Dynamic RAM) 按 功 能 特 點(diǎn) EEPROM (Electrically EPROM)/E2PROM 只讀存儲(chǔ)器ROM (Read- Only Memory) Flash Memory (快閃

13、存儲(chǔ)器，如U盤) FRAM (Ferro-electric RAM 鐵電存儲(chǔ)器) SDRAM, DDR-RAM等 非揮發(fā)存儲(chǔ)器（Non-Volatile Memory-NVM） 揮發(fā)存儲(chǔ)器（Volatile Memory-VM）或者稱易失存儲(chǔ)器 DRAM:四管動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元 存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn) CMOS應(yīng)用例3：存儲(chǔ)器 CMOS應(yīng)用例4：圖像傳感器（CIS） lCCDCMOS l20世紀(jì)世紀(jì)80年代，英國(guó)愛丁堡大學(xué)成功地制造出了世界上年代，英國(guó)愛丁堡大學(xué)成功地制造出了世界上 第一塊單片第一塊單片CMOS圖像傳感器件圖像傳感器件 l將圖像采集單元和信號(hào)處理單元集成到同一塊芯片上將圖像采集單元和信號(hào)處理單元集成到同一塊芯片上 l適合大規(guī)模批量生產(chǎn)適合大規(guī)模批量生產(chǎn) l 首先，外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單 元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。 l行選擇邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。 l行像素單元內(nèi)的圖像信號(hào)通過各自所在列的信號(hào)總線傳 輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成 數(shù)字圖像信號(hào)輸出。 CMOS應(yīng)用例4：圖像傳感器（CIS） l首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，此時(shí)打開門管M。電容被充電 至V，二極管處于反向狀態(tài)； l然后進(jìn)人“取樣狀態(tài)”。這時(shí)關(guān)閉門管M,在光照下二 極管產(chǎn)生光電流，使電容上存貯的電荷放