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IntroductiontoMicroelectronics第二章基本器件技术§2.1硅基MOS器件技术§2.2双极晶体管技术§2.3功率电子器件技术§2.4GaAs器件技术§2.5SiGe器件技术§2.6宽带隙半导体技术§2.7量子器件技术第二章基本器件技术X半导体器件技术的不断创新与发展有力地推动了电子信息技术的一次有一次飞跃。Æ1895年5月7日，无线电创始人波波夫进行了人类第一次无线电信号收发表演，他采用的检波器是用一根金属触丝和一块天然矿石晶体做成的晶体检波器。这就是第一个固体电子器件。Æ1922年前苏联学者洛谢夫发现了晶体检波器的负电阻现象，从而制成了振荡器和再生式收音机。Æ1926年至1930年用氧化亚铜制出了固体整流器，并投入了批量生产。第二次世界大战之后，人们研究清楚了检波器内的物理过程，性能优良的锗、硅检波二极界大战之后，人们研究清楚了检波器内的物理过程，性能优良的锗、硅检波二极管代替了真空二极管。Æ1947年提出了结理论当年12月点接触型锗三极管发明在电子科学领域诱Æ1947年提出了pn结理论，当年12月点接触型锗三极管发明，在电子科学领域诱发了一场技术革命。在深入探索研究后提出了npn和pnp两种半导体三极管的放大作用理论，并在理论指导下研制出了面结型晶体管。第二章基本器件技术Æ1951年人们第次用合金法制成面结型晶体管1952年提出了结型场效应晶体Æ1950年采用切克斯基炉拉出锗单晶，不久又拉出硅单晶。Æ1951年人们第一次用合金法制成面结型晶体管。1952年提出了结型场效应晶体管理论，1953年提出了面势垒型晶体管，1955年利用扩散技术研制出扩散深度可控的薄基区晶体管，使晶体管的截止频率从几百千赫兹提高到几百兆赫兹，此后微合金扩散管、台面型晶体管等新型器件不断问世。Æ1958年制造出开关速度达2的隧道二极管1964年第支400MH输出5WÆ1958年制造出开关速度达2ns的隧道二极管。1964年第一支400MHz、输出5W硅微波功率管问世之后，大大地推动了微波通信和雷达小型化固体化的变革。Æ1966年出现了第一支以肖特基为栅极的GaAsMESFET，GaAs电子迁移率和工作频率比硅高5倍，使器件工作频率从C波段进入到Ku波段。Æ1974年富士通公司做出了10GHz、0.7W，昀高振荡频率为50GHz的GaAs微波功率场效应管，1980年又采用调制掺杂超晶格技术研制出第一只高电子迁移率晶体管率场效应管，年又采用调制掺杂超晶格技术研制出第只高电子迁移率晶体管（HEMT）。第二章基本器件技术Æ为克服GaAs材料热导率低、镜片易碎、成本昂贵、难于制作大直径单晶等缺点，新材料SiGe合金应运而生。采用SiGe/Si外延技术制作SiGe/SiHBT、SiGeHEMT、SiGMODMOSFETSiG器件的工作频率可达K波段Æ以硅和砷化镓为基础材料的半导体器件因其禁带宽度所限只能在200℃以下。SiGeMODMOSFET。SiGe器件的工作频率可达Ku波段。为适应国防、武器装备的需求，以SiC、GaN为代表的一批高温半导体器件不断涌现，它们可以工作在500℃高温，可靠性、抗辐射、高功率方面有独到之处。Æ半导体器件朝着两大方向开展，其一是更高的工作频段，其二是更大的功率容量。电力电子器件从20世纪50年代的SCR发展到GTO、功率MOSFET、IGBT等。Æ在传统的半导体器件研究基础上，近十年来在微电子技术领域又出现了许多新型器件如MEMS纳米电子器件超导电子器件有机电子器件等这些新结构新器件，如MEMS、纳米电子器件、超导电子器件、有机电子器件等。这些新结构、新原理的电子器件将对21世纪信息技术的发展起着强有力的推动作用。第二章基本器件技术§2.1硅基MOS器件技术XMOS器件的基本结构¦金属-氧化物-半导体场效应晶体管，缩写为MOSFET。MOSFET是一种单极型晶体管只靠种极性的载流子（电子或空穴）传输电流有N沟MOSFET和P晶体管，只靠一种极性的载流子（电子或空穴）传输电流，有N沟MOSFET和P沟MOSFET。ÆP沟MOSFET衬底采用P型单晶硅，源区和漏区靠扩散或掺杂形成N+区；N沟ÆP沟MOSFET衬底采用P型单晶硅，源区和漏区靠扩散或掺杂形成N区；N沟MOSFET衬底采用N型单晶硅，源区和漏区靠扩散或掺杂形成P+区。传统栅极采用铝栅，也采用多晶硅栅，微波器件中采用难熔金属作为栅极。第二章基本器件技术§2.1硅基MOS器件技术XMOS器件的工作原理¦MOSFET工作原理以半导体表面电场效应为基础，以栅电压来控制漏极电流。因此是典型的电压控制器件此MOSFET是典型的电压控制器件。Æ位于MOSFET源区和漏区之间的中心部分是一个MOS电容结构，若在栅极和衬底之间加一定的电压所产生的电场方向垂直于Si/SiO界面并在界面的硅一侧感应之间加一定的电压，所产生的电场方向垂直于Si/SiO2界面，并在界面的硅一侧感应出表面空间电荷和自由载流子电荷（电子或空穴）。Æ对于p型衬底MOS电容器，若栅压从负值向正值扫描变化时，衬底表面依次经历Æ对于p型衬底MOS电容器，若栅压从负值向正值扫描变化时，衬底表面依次经历积累、平带、耗尽、本征、弱反型和强反型等状态变换。对于n型衬底MOS电容器，若栅压从正值向负值扫描变化时，衬底表面同样经历积累、平带、耗尽、本征、弱反型和强反型等这些状态变换反型和强反型等这些状态变换。ÆMOSFET若作放大元件应用，叠加在栅源直流偏置电压上的交流分量ΔUGS，将引起输出回路中的漏极电流产生变化ΔID，负载电阻上随即产生ΔURL，由此获得增益。MOSFET也是一种良好的开关器件，UGSUT器件截止，UGSUT器件截止，栅极输入电压可控制器件的沟道状态使其具有开关特性。极输入电压可控制器件的沟道状态使其具有开关特性。第二章基本器件技术§2.1硅基MOS器件技术XMOS器件的类型Æ按导电载流子的极性，MOSFET划分为N沟道和P沟道。按转移特性划分，MOSFET分为增强型和耗尽型两种MOSFET分为增强型和耗尽型两种。Æ按输出电平大小划分为小信号MOSFET（平面MOSFET）和功率MOSFET（双扩散MOSFET，即DMOSFET）。功率MOSFET包括VDMOSFET（垂直双扩散MOSFET）和LDMOSFET（横向双扩散MOSFET）。横向双扩散MOSFET有很好的微波特性。第二章基本器件技术§2.1硅基MOS器件技术XMOS器件的输出特性IRF630型功率DMOSFET的输出特性Æ从输出特性曲线可以看出，其工作特性分为两个区域：线性区域——其导通电阻大致不变，饱和区域——漏电流大致不变。第二章基本器件技术§2.1硅基MOS器件技术XMOS器件的主要制造工艺¦N沟道难熔金属钼栅功率VDMOSFET的主要工艺流程如下：N沟道难熔金属钼栅功率VDMOSFET的纵向结构示意图MOSFET详细工艺流程：§2.2双极晶体管技术第二章基本器件技术X双极晶体管的基本结构Æ双极晶体管工作时，半导体中的两种载流子（电子和空穴）同时起作用，所以成为双极晶体管。该类器件由两个pn结组成，又称为结型晶体管。基本结构有PNP和NPN型两种。Æ中间一层为基区，左边的掺杂区为发射区，右边的掺杂区为集电区（收集区），基区和发射区之间的pn结为发射结，基区和集电区之间的pn结为集电结。通过发射基区和发射区之间的pn结为发射结，基区和集电区之间的pn结为集电结。通过发射结发射载流子，集电区收集载流子。发射极、基极、集电极分别用E、B、C表示。§2.2双极晶体管技术第二章基本器件技术X双极晶体管的工作原理Æ由于存在浓度梯度，电子发射区越过发射结(B-E结)注入到基区，基区很薄，电子在基区基本上不和多子复合就到达集电结(BC结)的边缘集电结内电场会把电子子在基区基本上不和多子复合就到达集电结(B-C结)的边缘，集电结内电场会把电子扫入集电区。在正向有源状态下，势垒降低，电子会源源不断地从发射区注入到基区，然后被集电结的电场收集到集电区，形成持续的电流。Æ双极晶体管属于电流控制器件。在输入端叠加一个信号电压，由于发射结处于Æ双极晶体管属于电流控制器件。在输入端叠加个信号电压，由于发射结处于正偏，信号电压的微小变化都可引起发射极电流的很大变化，同时引起集电极电流的很大变化。集电极电流在负载电阻的电压降的变化可比信号电压的变化大很多倍，因而产生了信号的放大作用。§2.2双极晶体管技术第二章基本器件技术X双极晶体管的类型与连接方式¦按基本结构可分为：NPN型和PNP型晶体管。¦按器件性能及应用可分为：低噪声晶体管、开关晶体管、功率晶体管等。其中功率晶体管又分为连续波功率晶体管线性功率晶体管脉冲功率晶体管等功率晶体管又分为连续波功率晶体管、线性功率晶体管、脉冲功率晶体管等。¦按工作频率可分为：低频低噪声晶体管、微波低噪晶体管、低频小功率晶体管、高频大功率晶体管微波大功率晶体管等高频大功率晶体管、微波大功率晶体管等。§2.2双极晶体管技术第二章基本器件技术X双极晶体管的特性曲线¦双极晶体管有两个pn结，对应有两个回路：输入回路（B-E结），它是正向偏置的输出回路（BC结）它是反向偏置的置的；输出回路（B-C结），它是反向偏置的。共发射极输入特性曲线共发射极输出特性曲线¦双极晶体管的输出特性曲线分为三个区I饱和区BE结和BC结都处于正¦双极晶体管的输出特性曲线分为三个区：I——饱和区，BE结和BC结都处于正偏，集电极电流随集电极电压增大很快增大；II——截止区，BE结和BC结都处于反偏；III——放大区，晶体管作放大器用时工作于此区域，此时BE结正偏，BC结反偏，称为正向有源状态。§2.2双极晶体管技术第二章基本器件技术X双极晶体管的主要制造工艺流程NPN型双极微波功率晶体管的纵向结构示意图§2.2双极晶体管技术第二章基本器件技术X双极晶体管的主要制造工艺流程¦NPN型双极硅微波晶体管的主要工艺流程：¦NPN型双极硅微波晶体管的详细工艺流程：§2.3功率电子器件技术第二章基本器件技术X晶闸管简介Æ晶闸管是晶体闸流管的简称，曾称为可控硅。自从1957年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今已经形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。同时晶闸管又派生出许多新类型，如双向晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等光控晶闸管等。Æ晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安的大电流，实现了弱电对强电的控制。Æ晶闸管具有体积小、重量轻、损耗少、控制特性好的特点，是一种应用广泛的Æ晶闸管具有体积小、重量轻、损耗少、控制特性好的特点，是种应用广泛的功率半导体器件。§2.3功率电子器件技术第二章基本器件技术X晶闸管基本结构各种晶闸管的封装外形及引脚§2.3功率电子器件技术第二章基本器件技术X晶闸管基本结构晶晶闸管电路符号器件内部杂质浓度分布情况器件纵向结构截面图§2.3功率电子器件技术第二章基本器件技术X晶闸管基本结构Æ晶闸管是具有四个不同掺杂类型和浓度区域形成的三个PN结，PNPN四层结构组成的三端器件它有三个电极阳极A阴极K和门极G组成的三端器件。它有三个电极：阳极A、阴极K和门极G。晶闸管的横截面拆分模型及等效电路§2.3功率电子器件技术第二章基本器件技术X晶闸管工作原理Æ当晶闸管加正向阳极电压，门极也加上足够的门极电压时，则有电流IG从门极流入NPN管的基极，即IB2，经NPN管放大后的集电极电流IC2流入PNP管的基极，再经PNP管放大，其集电极电流又流入了NPN管的基极，如此循环，产生强烈的增强式PNP管放大，其集电极电流又流入了NPN管的基极，如此循环，产生强烈的增强式正反馈过程，即使两个晶体管饱和导通。↑↑→↑→→1122)(CBCBGIIIIIÆ晶体管一旦导通，即使IG=0，晶闸管仍保持导通状态。若要晶闸管关断，只有降低阳极电压为零或反向，使得IC1电流减少至NPN管接近截止状态，即流过晶闸管的阳极电流小于维持电流晶闸管才可以恢复阻断状态的阳极电流小于维持电流，晶闸管才