az_集成电路设计原理_02_1

第二章集成电路设计基础集成电路的生产工艺生产集成电路的本质如何在基片（eg.硅片）上生成一系列的器件(有源or无源)和连接线。这些器件和连接线组合在一起完成一些特定的功能。世界第一台电子计算机ENIAC电子数字积分器与计算器1946年2月14日使用了18800个真空管每秒可从事5000次的加法运算1.器件半导体的导电原理cm/4109410~10910材料金属半导体绝缘体电阻率举例铝、铜、金硅、锗、砷化镓陶瓷、二氧化硅金属-半导体-绝缘体半导体主要特点：•在纯净的半导体材料中，导电率随温度的上升成指数增加的趋势；•半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率，而且在重掺杂情况下，温度对电导率的影响较弱；•在半导体中可以实现非均匀掺杂；•光的辐照、高能电子等的注入可以影响半导体的电导率。(a)硅晶体的空间排列（金刚石结构）(b)共价键结构平面示意图(c)半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。1.电子和空穴（1）热激发在一定温度下，晶体中的价电子虽然处于共价键的束缚中，但也同时在键中作热运动，由于这些价电子所受束缚较弱，因此，在室温下，处于热运动的价电子有一部分会因为具有较大的热运动能量，冲破共价键的束缚成为一个自由电子，在这同时破坏了一个共价键，在该共价键上留下了一个空位。这个过程称为“热激发”。原子是电中性热激发电子(-q)空穴(+q)电场作用定向移动为了处理方便，将空位的运动看成是一个单位正电荷的“粒子”的运动，这个“粒子”就称为“空穴”。（2）“空穴”的概念可见因热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。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合的过程运动是相对的（3）半导体中的载流子：电子和空穴本征半导体没有杂质和缺陷的纯净半导体杂质半导体掺杂了其他杂质，产生特殊电气特性的半导体。生产集成电路的目的：通过人为可控的掺杂其他元素，使得半导体产生设计人员预期的电气特性N型半导体（Negative）在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。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。N型半导体结构示意图在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子）,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子）,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。P型半导体（Positive）在本征半导体中掺入三价杂质元素，例如硼，可形成P型半导体,也称空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图PN结PN结的形成在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散PN节的形成不带电But空穴[+]不安分P型半导体不带电But电子[-]不安分N型半导体【+】【-】带负电带正电带负电带正电--------++++++++STOPPN节的平衡最初促使载流子移动的动力是“浓度差”后来阻止载流子移动的动力是“电势能”对抗电势能============浓度差PN节的形成多子浓度最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层（势垒区）。PN结的形成过程PN结的单向导电性如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。PN节的形成不带电But空穴[+]不安分P型半导体不带电But电子[-]不安分N型半导体【+】【-】带负电带正电带负电带正电--------++++++++STOP(1)PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内建电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区，成为非平衡载流子。这一现象称为PN结的正向注入。PN结加正向电压时的导电情况如图所示。(2)PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。PN结加反向电压时的导电情况如图所示。此时N区的少子一旦达到空间电荷区边界，就要被电场拉向P区，而P区的少子一旦达到空间电荷区边界，就要被电场拉向N区。这称为PN结的反向抽取作用。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小.反向电流趋于一个反向偏压大小无关的饱和值，仅与少子浓度、扩散长度、扩散系数等有关。这个电流也称为反向饱和电流。【注意】加反向电压时不是一点电流都没有的，而是有点反向电流的PN结的击穿特性当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：雪崩击穿：当反向电压足够高时，PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压，耗尽层可获得很大的场强，足以将价电子从共价键中拉出来，而获得更多的电子空穴对，使反向电流骤增。