第四章器件技術(shù)

1、 每種半導體器件對使用者都有特定的功能，每種半導體器件對使用者都有特定的功能，在具體的集成電路中具有各自的結(jié)構(gòu)特點。在具體的集成電路中具有各自的結(jié)構(gòu)特點。 通用的半導體器件包括電阻、電容、二極通用的半導體器件包括電阻、電容、二極管和晶體管。管和晶體管。4.1電路類型電路類型分為兩種基本類型：數(shù)字電路和模擬電路分為兩種基本類型：數(shù)字電路和模擬電路1.模擬電路模擬電路 指其電參數(shù)在一定的電壓、電流、功耗值指其電參數(shù)在一定的電壓、電流、功耗值范圍內(nèi)變化的一種電路。范圍內(nèi)變化的一種電路。 可以設(shè)計成由直流（可以設(shè)計成由直流（DC)、交流（、交流（AC）或）或者兩者的混合，以及脈沖直流來作為工作者兩者的

2、混合，以及脈沖直流來作為工作電流。電流。2.數(shù)字電路數(shù)字電路 指在兩種性質(zhì)不同的電平信號指在兩種性質(zhì)不同的電平信號高電平高電平和低電平和低電平下工作。下工作。 邏輯高電平用二進制數(shù)邏輯高電平用二進制數(shù)1表示，邏輯低電平表示，邏輯低電平用二進制數(shù)用二進制數(shù)0表示。表示。4.2無源器件結(jié)構(gòu)無源器件結(jié)構(gòu) 無源器件：無論怎樣和電源相連，都能傳輸電流，無源器件：無論怎樣和電源相連，都能傳輸電流，例如電阻和電容例如電阻和電容4.2.1集成電路的電阻結(jié)構(gòu)集成電路的電阻結(jié)構(gòu) 可以通過金屬膜、摻雜的多晶硅，或者通過雜質(zhì)可以通過金屬膜、摻雜的多晶硅，或者通過雜質(zhì)擴散到襯底的特定區(qū)域中產(chǎn)生。擴散到襯底的特定區(qū)域中產(chǎn)

3、生。 寄生電阻：在集成電路元件設(shè)計中產(chǎn)生的多余電寄生電阻：在集成電路元件設(shè)計中產(chǎn)生的多余電阻，存在于器件結(jié)構(gòu)中是因為器件的尺寸、形狀、阻，存在于器件結(jié)構(gòu)中是因為器件的尺寸、形狀、材料類型、摻雜種類及摻雜數(shù)量。會降低集成電材料類型、摻雜種類及摻雜數(shù)量。會降低集成電路器件的性能；是可積累的。路器件的性能；是可積累的。4.2.2集成電路電容器結(jié)構(gòu)集成電路電容器結(jié)構(gòu) 電容器是由兩個分立的導電層被介質(zhì)材料隔電容器是由兩個分立的導電層被介質(zhì)材料隔離開而形成。芯片制造中介質(zhì)材料通常是離開而形成。芯片制造中介質(zhì)材料通常是二氧化硅。二氧化硅。 平面型電容器可由金屬薄層、摻雜的多晶硅，平面型電容器可由金屬薄層、摻

4、雜的多晶硅，或者襯底的擴散區(qū)形成?；蛘咭r底的擴散區(qū)形成。 寄生電容：由于襯底材料的緣故會自動產(chǎn)寄生電容：由于襯底材料的緣故會自動產(chǎn)生電容，會影響集成電路的性能，引起電生電容，會影響集成電路的性能，引起電路的不穩(wěn)定性，產(chǎn)生寄生振蕩，甚至產(chǎn)生路的不穩(wěn)定性，產(chǎn)生寄生振蕩，甚至產(chǎn)生不需要的交流信號短路。不需要的交流信號短路。4.3有源元件結(jié)構(gòu)有源元件結(jié)構(gòu) 用于控制電流方向，可放大信號，與電源用于控制電流方向，可放大信號，與電源相連時需要確定電極的正負，工作時利用相連時需要確定電極的正負，工作時利用了電子和空穴的流動。了電子和空穴的流動。4.3.1PN結(jié)二極管結(jié)二極管 在集成電路中可被設(shè)計成某一功能部件

5、，在集成電路中可被設(shè)計成某一功能部件，也可以作為非功能二極管存在。是雙擊晶也可以作為非功能二極管存在。是雙擊晶體管和場效應晶體管工作原理的基礎(chǔ)。體管和場效應晶體管工作原理的基礎(chǔ)。 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?（1 1）外加正向電壓（正偏）外加正向電壓（正偏） 當當電源電源正極接正極接P P區(qū)，負極接區(qū)，負極接N N區(qū)時，稱為給區(qū)時，稱為給pnpn結(jié)加正向電壓或正向偏置。由于結(jié)加正向電壓或正向偏置。由于PNPN結(jié)是高阻區(qū)，結(jié)是高阻區(qū)，而而P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的電阻很小，所以正向電壓幾乎全部區(qū)的電阻很小，所以正向電壓幾乎全部加在加在PNPN結(jié)兩端。在結(jié)兩端。在PNPN結(jié)上產(chǎn)生一個外電場，其方結(jié)

6、上產(chǎn)生一個外電場，其方向與內(nèi)電場相反，從而削弱了內(nèi)建電場的強度，向與內(nèi)電場相反，從而削弱了內(nèi)建電場的強度，空間電荷數(shù)量減少，使空間電荷區(qū)變窄。內(nèi)電場空間電荷數(shù)量減少，使空間電荷區(qū)變窄。內(nèi)電場減弱，破壞了減弱，破壞了PNPN結(jié)原有的動態(tài)平衡。于是擴散運結(jié)原有的動態(tài)平衡。于是擴散運動超過了漂移運動，擴散電流大于漂移電流。所動超過了漂移運動，擴散電流大于漂移電流。所以就有凈擴散電流流過以就有凈擴散電流流過pnpn結(jié)，構(gòu)成結(jié)，構(gòu)成pnpn結(jié)的正向電結(jié)的正向電流。與此同時，電源不斷向流。與此同時，電源不斷向P P區(qū)補充正電荷，向區(qū)補充正電荷，向N N區(qū)補充負電荷。正向電流隨著正向電壓的增大而區(qū)補充負電荷

7、。正向電流隨著正向電壓的增大而增大。增大。 （2）外加反向電壓（反偏）外加反向電壓（反偏） 當電源正極接當電源正極接N區(qū)、負極接區(qū)、負極接P區(qū)時，稱為給區(qū)時，稱為給PN結(jié)加反向電壓或反向偏置。反向電壓產(chǎn)生的外加結(jié)加反向電壓或反向偏置。反向電壓產(chǎn)生的外加電場的方向與內(nèi)電場的方向相同，使電場的方向與內(nèi)電場的方向相同，使PN結(jié)內(nèi)電場結(jié)內(nèi)電場加強，使加強，使PN結(jié)進一步加寬，結(jié)進一步加寬，PN結(jié)的電阻增大，結(jié)的電阻增大，打破了打破了PN結(jié)原來的平衡，在電場作用下的漂移運結(jié)原來的平衡，在電場作用下的漂移運動大于擴散運動。這時通過動大于擴散運動。這時通過PN結(jié)的電流，主要是結(jié)的電流，主要是少子形成的漂移電

8、流，稱為反向電流少子形成的漂移電流，稱為反向電流IR。由于在。由于在常溫下，少數(shù)載流子的數(shù)量不多，故反向電流很常溫下，少數(shù)載流子的數(shù)量不多，故反向電流很小，而且當外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時，它幾小，而且當外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時，它幾乎不隨外加電壓的變化而變化，因此反向電流又乎不隨外加電壓的變化而變化，因此反向電流又稱為反向飽和電流。當反向電流可以忽略時，就稱為反向飽和電流。當反向電流可以忽略時，就可認為可認為PN結(jié)處于截止狀態(tài)。值得注意的是，由于結(jié)處于截止狀態(tài)。值得注意的是，由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇，導致電子一空穴本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇，導致電子一空穴對增多，因而反向電流將隨溫度

9、的升高而成倍增。對增多，因而反向電流將隨溫度的升高而成倍增。（3）PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性 伏安特性伏安特性曲線曲線：加在：加在PN結(jié)兩端的電壓和流結(jié)兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關(guān)系曲線稱為伏安過二極管的電流之間的關(guān)系曲線稱為伏安特性曲線，如圖所示。特性曲線，如圖所示。u0的部分稱為正向的部分稱為正向特性，特性，u0的部分稱為反向特性。它直觀形的部分稱為反向特性。它直觀形象地表示了象地表示了PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴＝Y(jié)的單向?qū)щ娦浴?4.3.2雙極晶體管雙極晶體管有三個電極和兩個有三個電極和兩個pn結(jié)。結(jié)。1.偏置偏置npn晶體管的導電模式晶體管的導電模式 發(fā)射結(jié)正偏，使發(fā)射區(qū)多子（電子）

10、擴散到基區(qū)，形成發(fā)射結(jié)正偏，使發(fā)射區(qū)多子（電子）擴散到基區(qū)，形成IE，同時基區(qū)多子（空穴）也向發(fā)射區(qū)擴散，但摻雜濃度，同時基區(qū)多子（空穴）也向發(fā)射區(qū)擴散，但摻雜濃度低可忽略不計。低可忽略不計。電子在基區(qū)的擴散和復合電子在基區(qū)的擴散和復合 由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子，成為基區(qū)的少子，且濃度不由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子，成為基區(qū)的少子，且濃度不均勻，要向集電結(jié)擴散，同時，部分電子與基區(qū)多子（空均勻，要向集電結(jié)擴散，同時，部分電子與基區(qū)多子（空穴）復合，復合掉的空穴由穴）復合，復合掉的空穴由 EE 補充產(chǎn)生新的空穴，形成補充產(chǎn)生新的空穴，形成電流電流IB （較?。＃ㄝ^?。?。集電區(qū)收集電子集電區(qū)收集電子 因

11、集電結(jié)反偏，到達集電結(jié)邊緣的電子會受集電結(jié)內(nèi)電因集電結(jié)反偏，到達集電結(jié)邊緣的電子會受集電結(jié)內(nèi)電場的作用迅速漂移過集電結(jié)，進入集電區(qū)形成場的作用迅速漂移過集電結(jié)，進入集電區(qū)形成IC同時基同時基區(qū)少子（電子）和集電區(qū)少子（空穴）也漂移過集電結(jié)，區(qū)少子（電子）和集電區(qū)少子（空穴）也漂移過集電結(jié)，形成反向飽和電流形成反向飽和電流ICBO 。從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子（形。從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子（形成成IE），一部分被復合掉（形成），一部分被復合掉（形成IB），一部分被集電區(qū)收），一部分被集電區(qū)收集（形成集（形成IC ） 4.3.3場效應晶體管場效應晶體管 在線性在線性/模擬電路中作為放大器以及在數(shù)字模擬電

12、路中作為放大器以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件使用。電路中作為開關(guān)元件使用。 特點：高輸入阻抗、適中的放大特性、低特點：高輸入阻抗、適中的放大特性、低功耗和可壓縮性。功耗和可壓縮性。1.Nmos 電子為多數(shù)載流子，溝道為電子為多數(shù)載流子，溝道為n型，在型，在p阱內(nèi)阱內(nèi)形成。形成。2.Pmos溝道為溝道為P型，在型，在n阱內(nèi)形成，空穴為多數(shù)載流阱內(nèi)形成，空穴為多數(shù)載流子。子。工作原理與工作原理與NMOS相似。相似。區(qū)別在于區(qū)別在于P溝晶體管的速度比溝晶體管的速度比N溝晶體管的速溝晶體管的速度慢，因為空穴比電子運動的慢。度慢，因為空穴比電子運動的慢。4.3.4CMOS技術(shù)技術(shù) 是在同一集成電路上是在同一集成電路上nmos和和pmos晶體管晶體管的混合。的混合。4.3.5BiCMOS 是將是將CMOS和雙極技術(shù)的優(yōu)良性能集中在同和雙極技術(shù)的優(yōu)良性能集中在同一塊集成電路器件中。綜合了一塊集成電路器件中。綜合了CMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的低功耗、高集成度和的低功耗、高集成度和TTL或或ECL器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)的高電流驅(qū)動能力。的高電流驅(qū)動能力。4.