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Microelectronics微電子概論與新進展緒論篇目錄234微電子技術發(fā)展歷程集成電路分類與產(chǎn)業(yè)分工課程學習路徑1課程介紹v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景3基本介紹一、課程介紹選用教材：《微電子概論》，郝

躍

賈新章

等，2011年《微電子概論與前沿技術》，王少熙

李

偉

汪鈺成

吳玉潘，2025年課程考核平時分30%考試分70%課間點名（50%）課后作業(yè)（50%）基礎知識（80%）創(chuàng)新設計（20%）汪鈺成：副教授，碩導，新型神經(jīng)形態(tài)電子器件及芯片熱管理技術研究，第一/通訊作者發(fā)表SCI論文二十余篇，主持/參與教改項目兩項，教學成果獎兩項，校級一流課程一項v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景4為什么學微電子一、課程介紹技術基石性產(chǎn)業(yè)重要性職業(yè)前景性微電子是現(xiàn)代信息技術的基石微電子機械工程微機電系統(tǒng)光學工程光電子技術生物工程生物微電子柔性工程柔性電子學設計工程師（2024年）本科應屆生（12-20萬/年）碩士應屆生（18-35萬/年）博士應屆生（30-55萬/年）核心崗位（30-100萬/年）目錄234微電子技術發(fā)展歷程集成電路分類與產(chǎn)業(yè)分工課程學習路徑1課程介紹v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景6國外發(fā)展歷程二、微電子技術發(fā)展歷程世界第一只晶體管威廉·肖克萊等貝爾實驗室諾貝爾物理學獎（1956年）電子管時代（1947年前）晶體管時代（1947-1958）世界第一塊集成電路杰克·基爾比德克薩斯儀器（TI）諾貝爾物理學獎（2000年）集成電路時代（1958至今）序號國外技術進展1PN結(jié)和雙極晶體管理論（肖克萊，1949年）2英特爾創(chuàng)始人提出“摩爾定律”（1965年）3第一塊微處理器Inter4004（特德·霍夫，1971年）4第一塊256KDRAM（貝爾實驗室，1982年）序號國外技術進展5BiCMOS技術（日立，1986年）616MbDRAM（三星，1990年）71GbDRAM（IBM，1994年）845nmCPU工藝（Intel，2007年）v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景7國內(nèi)發(fā)展歷程二、微電子技術發(fā)展歷程序號國內(nèi)技術進展備注1中國第一只鍺單晶（北京電子管廠，1956年）北京電子管廠（774廠，現(xiàn)京東方）2中國第一只鍺合金高頻晶體管（王守武/王守覺，1958年）應用于109乙計算機（109廠，現(xiàn)中科院微電子所）3中國第一只硅單晶（林蘭英，1959年）比美國僅晚一年，且此時已與蘇聯(lián)決裂4中科院半導體所和河北半導體研究所成立（1963年）河北半導體研究所，現(xiàn)中電13所5平面光刻技術（黃昆等，1963年）應用于109丙計算機6中國第一批集成電路（王守覺，1965年）1平方厘米硅片電路，包含7個晶體管，1個二極管，7個電阻和6個電容7北京國營東光電工廠、上海無線電十九廠（1968-1970年）中國集成電路南北兩強8四川固體電路研究所成立（1968年）固體電路研究所（現(xiàn)中電24所），中國唯一模擬集成電路研究所黃昆（1919-2005）王守武（1919-2014）林蘭英（1918-2003）v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景8國內(nèi)發(fā)展歷程二、微電子技術發(fā)展歷程序號國內(nèi)技術進展備注9PMOS大規(guī)模集成電路（永川半導體研究所，1972年）比美國晚4年10第一塊1KDRAM（王陽元，北京大學，1975年）比英特爾C1103晚5年11第一塊4KDRAM（王守武，中科院半導體所，1978年）比美國晚6年12中國第一條中、大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線（109廠，1980年）109廠，現(xiàn)中科院微電子所，王守武任廠長13國家縮減電子工業(yè)投入，引進代替研發(fā)盛行（80、90年代）日本逆襲美國，美國扶植韓國，中國受巴統(tǒng)技術研制，僅能引進落后設備14第一塊256KDRAM（無錫華晶，1993年）比韓國落后七年，華晶后被華潤收購15中國芯工程啟動，“方舟一號”、“龍芯一號”、“眾志863”、“漢芯一號”問世（2000年前后）方舟一號（方舟科技）、龍芯一號（中科院計算機所）、眾志863（北大眾志）、漢芯一號（上海交大微電子學院院長陳進，后被爆造假）16中芯國際（2005年）、長電科技（2014年）、南車株洲、紫光集團、長江存儲（2016年）等先后成立數(shù)據(jù)來源：《歷史進程里的中國半導體產(chǎn)業(yè)》目錄234微電子技術發(fā)展歷程集成電路分類與產(chǎn)業(yè)分工課程學習路徑1課程介紹v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景10集成電路分類三、集成電路分類與產(chǎn)業(yè)分工微電子技術：一門研究在微小尺度（微米/納米級）上設計、制造和集成半導體器件及集成電路（IC）的科學技術集成電路：俗稱“芯片”，是一種將大量電子元件（如晶體管、電阻、電容等）集成到基片上的微型電子電路數(shù)字集成電路模擬集成電路信號源數(shù)字信號（離散信號）模擬信號（連續(xù)信號）核心原件邏輯門、觸發(fā)器等放大器、濾波器等功耗特征動態(tài)功耗為主靜態(tài)功耗與線性功耗并存典型應用CPU、GPU、FPGA等電源管理芯片、射頻芯片功能結(jié)構(gòu)數(shù)字集成電路

模擬集成電路數(shù)/?；旌霞呻娐芳啥萐SI小規(guī)模1-100個MSI中規(guī)模100-1000個LSI大規(guī)模1000-10萬VLSI超大規(guī)模10萬-1億ULSI特大規(guī)模1億-10億GSI極大規(guī)模10億以上v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景11集成電路分類三、集成電路分類與產(chǎn)業(yè)分工制作工藝半導體集成電路膜集成電路半導體集成電路：將多個半導體器件整合到半導體基片上，實現(xiàn)各種電子功能膜集成電路：采用薄膜材料（金屬氧化物等）作為基底，并在表面沉積或形成半導體器件，實現(xiàn)各種電子功能導電類型雙極型集成電路單極型集成電路雙極型集成電路：依賴于電子和空穴兩種載流子（雙極）共同參與導電，如晶體管-晶體管邏輯（TTL）電路，發(fā)射極耦合邏輯（ECL）電路等單極型集成電路：依賴于一種載流子導電，如互補金屬半導體場效應晶體管（CMOSFET）集成電路應用領域通用集成電路專用集成電路通用集成電路：面向廣泛市場設計，可適配多種場景的標準化芯片，如微處理器、存儲器、功率放大器等專用集成電路：為特殊場景定制設計的芯片，功能與性能高度專業(yè)化，如航天級芯片等v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景12集成電路產(chǎn)業(yè)分工三、集成電路分類與產(chǎn)業(yè)分工上游設計中游制造下游封測三星華為海思英特爾展訊美光華大高通兆易創(chuàng)新英偉達瑞芯微臺積電中芯國際三星華虹宏力英特爾sk海力士富士通長江存儲力晶科技華力微EDA+IP半導體材料+設備+加工日月光晶方半導體美國安靠長電科技力成科技氣派科技南茂科技華潤安盛京元電子風華芯電半導體封裝+測試v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景13晶圓制造三、集成電路分類與產(chǎn)業(yè)分工單晶硅制造拉單晶磨外圓切片倒角研磨拋光功能結(jié)構(gòu)前道工藝后道工藝工藝定義拉單晶將高純度多晶硅在石英坩堝中熔化，通過籽晶旋轉(zhuǎn)提拉形成單晶硅棒磨外圓用金剛石砂輪將硅棒外圓研磨至標準直徑（如300mm±0.2mm）切片用金剛石線鋸將硅棒切割成0.5-1mm厚的硅片倒角用砂輪或化學機械法對硅片邊緣進行圓弧化處理研磨通過機械研磨使硅片表面平坦化并控制厚度拋光通過化學腐蝕和機械研磨相結(jié)合的表面處理工藝，用于使硅片表面達到原子級平整度v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景14前道工藝三、集成電路分類與產(chǎn)業(yè)分工前道工藝擴散薄膜沉積光刻刻蝕離子注入CMP金屬化重復若干次工藝定義擴散通過高溫熱處理（800°C~1200°C）將摻雜原子（如硼、磷）擴散到硅襯底中，形成特定電學特性的區(qū)域薄膜沉積在晶圓表面生長導電、絕緣或半導體材料薄膜，厚度從納米到微米級光刻利用光敏膠（光刻膠）和掩膜版，通過曝光將電路圖案轉(zhuǎn)移到晶圓表面刻蝕選擇性去除未被光刻膠保護的薄膜或硅襯底材料離子注入將高能摻雜離子注入硅襯底，改變局部電導特性化學機械拋光通過化學腐蝕與機械研磨使晶圓表面全局平坦化金屬化沉積金屬層并圖案化，形成器件間互連線v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景15后道工藝三、集成電路分類與產(chǎn)業(yè)分工后道工藝背面減薄晶圓切割貼片引線鍵合模塑切筋終測工藝定義背面減薄通過機械研磨或化學蝕刻將晶圓背面減薄至50~200μm，以適應封裝厚度要求晶圓切割用切割刀或激光將晶圓分割成獨立芯片貼片將芯片粘貼到封裝基板或引線框架上引線鍵合用金屬導線連接芯片焊盤與封裝引腳模塑將芯片與引線框架用環(huán)氧樹脂封裝成型切筋切除引線框架外框，并將引腳成形至標準尺寸終測對封裝后的芯片進行功能與可靠性測試目錄234微電子技術發(fā)展歷程集成電路分類與產(chǎn)業(yè)分工課程學習路徑1課程介紹v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景17課程目錄四、課程學習路徑微電子基礎微電子實現(xiàn)微電子應用微電子基礎緒論半導體器件基礎目的：掌握半導體基礎理論，熟悉常用半導體器件原理（2+4+4課時）半導體物理基礎微電子實現(xiàn)半導體工藝模擬集成電路目的：掌握半導體制造工藝，熟悉數(shù)字/模擬集成電路基礎（4+2+4+4課時）集成電路基礎數(shù)字集成電路微電子應用新型材料與器件微電子與智能生物微電子與光電子微電子與航空航天目的：了解新型微電子技術，熟悉微電子在常用領域應用（2+2+2+2課時）v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景18定義題：給出如下名詞的定義，如：光刻、引線鍵合、集成電路簡答題1：描述后道工藝主要流程簡答題2：集成電路按照集成度可以分為哪幾類？簡答題3：中國第一只鍺合金高頻晶體管是在哪一年由誰發(fā)明的？簡答題4：同時能夠進行芯片設計和加工制造的公司有哪些？五、思考題微電子學院School

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Microelectronics微電子概論與新進展半導體物理基礎篇目錄234半導體與能帶理論載流子分布規(guī)律半導體輸運1章節(jié)介紹v21西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景章節(jié)解析一、章節(jié)介紹半導體與能帶理論載流子分布規(guī)律半導體輸運半導體與能帶理論半導體基本類型半導體的能帶電子有效質(zhì)量載流子統(tǒng)計分布電子/空穴濃度本征/雜質(zhì)半導體漂移運動擴散運動連續(xù)性方程載流子分布規(guī)律半導體輸運核心問題：什么是半導體？半導體的能帶如何分布？核心問題：不同類型半導體的電子/空穴濃度計算與能帶分布核心問題：半導體漂移擴散方程及兩者關系能量框架驅(qū)動方式電流/電場反饋目錄234半導體與能帶理論載流子分布規(guī)律半導體輸運1章節(jié)介紹v23西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景半導體基本介紹二、半導體與能帶理論電導率絕緣體10-18~10-8半導體10-6~104導體106~108S/m半導體：半導體是一種電導率介于導體與絕緣體之間，且其導電性能可被外部條件顯著調(diào)控的材料常見絕緣體：二氧化硅、三氧化二鋁、金剛石常見半導體：硅、鍺、砷化鎵常見導體：金、銀、銅歷史發(fā)展第一代半導體第二代半導體第三代半導體代表半導體優(yōu)勢應用第一代硅、鍺制備工藝成熟、自然界存儲量大各類分立器件、集成電路、新能源第二代砷化鎵、磷化銦電子遷移率高、光電性能優(yōu)良高速、高頻、大功率及光電器件第三代碳化硅、氮化鎵高導熱率、高電導率、耐高壓半導體照明、電力電子器件、激光器第四代氧化鎵、金剛石超款禁帶半導體，更高熱導率/電導率探測器、高功率射頻器件v24西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景半導體晶體類型二、半導體與能帶理論原子內(nèi)部有序排列非晶體晶體多晶單晶晶粒：原子能在大范圍內(nèi)保持有序排列，這些有序化區(qū)域稱為晶粒單晶：晶體中所有區(qū)域均為有序化區(qū)域，稱為單晶體多晶：晶體中存在多個晶粒，稱為多晶體非晶：通常僅在幾個原子或分子的尺度內(nèi)進行周期性的幾何排列晶格：原子在三維的每一個方向上按照某種間隔規(guī)則周期性重復排列，這種表示原子周期性排列的空間架構(gòu)稱為晶格格點：晶格中的每個原子稱為格點晶胞：構(gòu)成晶格的最基本幾何單元稱為晶胞多晶體單晶體簡立方晶胞體心立方晶胞面心立方晶胞v25西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景半導體晶格與價鍵二、半導體與能帶理論金剛石晶胞與內(nèi)部正四面體結(jié)構(gòu)晶列：晶胞中任意兩個原子之間的連線稱為晶列r晶向：晶列的方向稱為晶向，將pqs化為最簡整數(shù)比，用[pqs]表示，如存在負值則將符號標記至數(shù)字正上方晶面：晶胞中任意三個不在同一晶列上的原子可以構(gòu)成晶面，用晶面指數(shù)（mnl）表示，其中mnl為晶面到各坐標軸截距的倒數(shù)的最簡整數(shù)比半導體的原子價鍵離子鍵共價鍵金屬鍵離子鍵：原子失去電子會成為帶正電荷的離子，而獲得電子則形成帶負電荷的離子。這兩種相反電荷的離子通過庫侖引力相互吸引，形成離子鍵，如Na-Cl共價鍵：原子間通過共用電子對形成的化學鍵稱為共價鍵，如Si-Si金屬鍵：所有原子共享多個自由移動的價電子稱為金屬鍵，如金屬Nav26西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景電子能量二、半導體與能帶理論電子能量孤立原子電子能量自由空間電子能量晶體電子能量經(jīng)典原子理論（波爾）能級：將量子數(shù)n取不同正整數(shù)，可得一系列孤立原子的離散電子能量，稱為能級能帶：宏觀角度來看，能級是“準連續(xù)的”，這種準連續(xù)能級組合形成能帶允帶：允許電子區(qū)域的每一個能帶稱為允帶，完全填滿（滿帶）和沒有電子（空帶）不導電，部分填滿導電禁帶：兩個允帶之間沒有能級，不允許電子存在，稱為禁帶晶體中電子絕緣體半導體（T=0K)導體產(chǎn)生：電子從價帶頂躍遷到導帶底，在原位置留下空穴，逆過程則稱為復合目錄234半導體與能帶理論載流子分布規(guī)律半導體輸運1章節(jié)介紹v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景狀態(tài)密度三、載流子分布規(guī)律電子能量E量子態(tài)Z載流子濃度N問題1：并不是每個能量都能和量子態(tài)一一對應，例如禁帶中沒有允許的量子態(tài)問題2：根據(jù)泡利不相容原理，每個量子態(tài)上最多容納兩個自旋方向相反的電子單位能量下量子態(tài)數(shù)量子態(tài)被電子占據(jù)幾率單位能量下的量子態(tài)數(shù)稱為狀態(tài)密度令簡立方k量子態(tài)密度為2V，體積為半徑為k的球面積4πk2dk，那么dZ為帶入晶體E-k關系可計算導帶底狀態(tài)密度為：簡立方k空間量子態(tài)分布圖v29西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景載流子統(tǒng)計分布三、載流子分布規(guī)律電子能量E量子態(tài)Z載流子濃度N單位能量下量子態(tài)數(shù)量子態(tài)被電子占據(jù)幾率一個能量為E的量子態(tài)被一個電子占據(jù)的概率為T=0K時，若E＜Ef，則f(E)=1T=0K時，若E＞Ef，則f(E)=0表明能量低于費米能級Ef的量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率為1，即量子態(tài)被填滿表明能量高于費米能級Ef的量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率為0，即量子態(tài)是空態(tài)T＞0K時，若E＜Ef，則f(E)＞0.5T＞0K時，若E＞Ef，則f(E)＜0.5表明能量低于費米能級Ef的量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率大于0.5表明能量高于費米能級Ef的量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率小于0.5費米能級：描述電子在絕對零度（0K）時的最高占據(jù)能級，反映了電子填充能態(tài)的概率分布若E-Ef＞＞k0T，此時費米分布函數(shù)（簡并半導體）轉(zhuǎn)化為玻爾茲曼分布函數(shù)（非簡并半導體）v30西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景電子和空穴濃度三、載流子分布規(guī)律電子能量E量子態(tài)Z載流子濃度N單位能量下量子態(tài)數(shù)量子態(tài)被電子占據(jù)幾率對于非簡并半導體，能量E~E+dE的電子數(shù)dN為單位體積的電子數(shù)dn為兩邊進行積分，可得熱平衡狀態(tài)下非簡并半導體導帶電子濃度n0和價帶空穴濃度p0，其中，Nc和Nv為導帶/價帶有效狀態(tài)密度電子和空穴濃度乘積只和溫度T、禁帶寬度Eg相關，如果n0＞p0，稱為N型半導體；反之則為P型半導體v31西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景本征與雜質(zhì)半導體三、載流子分布規(guī)律載流子產(chǎn)生本征激發(fā)雜質(zhì)電離本征激發(fā)：電子從價帶激發(fā)到導帶，同時在價帶相應位置會產(chǎn)生空穴，這個過程稱為本征激發(fā)本征半導體：沒有雜質(zhì)和缺陷的半導體，此時n0=p0將n0和p0代入，可計算本征半導體費米能級Efi，對于硅、鍺半導體，Efi基本在禁帶中央v半導體雜質(zhì)缺陷施主雜質(zhì)受主雜質(zhì)在半導體硅中摻入Ⅴ族元素磷P，每個磷原子會和周圍的四個硅原子形成共價鍵，但仍然還有一個多余的電子，此時磷原子變成了一個正電中心施主雜質(zhì)：電離時能夠提供電子的雜質(zhì)，未電離時電中性，稱為束縛態(tài)/中性態(tài)，電離后稱為正電中心，稱為施主離化態(tài)施主電離：施主雜質(zhì)釋放電子的過程v32西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景本征與雜質(zhì)半導體三、載流子分布規(guī)律半導體雜質(zhì)缺陷施主雜質(zhì)受主雜質(zhì)在半導體硅中摻入Ⅲ族元素硼B(yǎng)，每個硼原子會和周圍的四個硅原子形成共價鍵，因此需要從其他的硅原子中奪走一個電子，被奪走電子的硅原子就產(chǎn)生了一個空穴，而硼原子接收一個電子后變成了負電中心受主雜質(zhì)：電離時能夠提供空穴的雜質(zhì)，未電離時電中性，稱為束縛態(tài)/中性態(tài)，電離后稱為負電中心，稱為受主離化態(tài)受主電離：受主雜質(zhì)釋放空穴的過程電子占據(jù)施主能級的概率針對單一摻雜施主濃度為ND的雜質(zhì)，施主能級電子濃度為電離的施主濃度為v33西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景本征與雜質(zhì)半導體三、載流子分布規(guī)律空穴占據(jù)受主能級的概率針對單一摻雜受主濃度為NA的雜質(zhì)，受主能級空穴濃度為電離的受主濃度為若Ef-EA＞＞k0T，pA+≈NA，說明當受主雜質(zhì)遠低于費米能級時，受主雜質(zhì)全部電離若ED-Ef＞＞k0T，nD+≈ND，說明當施主雜質(zhì)遠高于費米能級時，施主雜質(zhì)全部電離如果半導體同時含有施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)，則滿足電中性條件目錄234半導體與能帶理論載流子分布規(guī)律半導體輸運1章節(jié)介紹v35西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景載流子漂移運動四、半導體輸運設半導體長度為d，橫截面積為S，電阻率為ρ（電導率為σ），兩端電壓為V，半導體內(nèi)部電場為E，有漂移電流密度J可表示為（歐姆定律）漂移電流密度J也可表示為遷移率：單位電場強度下電子的平均漂移速度將漂移電流密度用遷移率代替進去，可得電流密度、電導率關系：對于某均勻半導體，在電場作用下，電子和空穴的運動方向雖然相反，但是形成電流方向相同，因此總電流密度和電導率為載流子散射機制電離雜質(zhì)散射晶格振動散射散射：實際中的載流子在半導體中運動時，會不斷和電離雜質(zhì)離子或熱振動的晶格原子相互作用，即發(fā)生散射v36西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景載流子的散射四、半導體輸運載流子散射機制電離雜質(zhì)散射晶格振動散射電離雜質(zhì)散射：在施主或受主雜質(zhì)電離后，電離施主/受主周圍會形成庫侖勢場，當半導體中載流子運動到電離雜質(zhì)附近時，庫侖引力使載流子運動的方向發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電離雜質(zhì)散射晶格振動散射：在一定的溫度下，晶體中的原子會在各自的平衡位置附近做微弱的振動，載流子在晶體中移動時，可能會與這些振動相互作用，導致運動方向發(fā)生變化，稱為晶格振動散射（聲學波散射、光學波散射等）自由時間：載流子在半導體中受到散射作用，會在兩次散射之間做加速運動，兩次散射之間的時間稱為自由時間假設N個電子以速度v沿著某個方向運動，N(t)為t時刻未被散射的電子數(shù)，散射幾率為P，則當△t很小時，上述公式可以轉(zhuǎn)化為因此，在t~t+dt時間內(nèi)散射的電子數(shù)為載流子在該時間段內(nèi)的平均自由時間為散射幾率的倒數(shù)-v37西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景載流子的散射四、半導體輸運N0個電子的平均漂移速度v是平均自由時間τ和加速度a的乘積根據(jù)遷移率的定義

可得遷移率μ載流子散射機制電離雜質(zhì)散射晶格振動散射若存在多個散射共同作用，總散射幾率P為各散射機制幾率之和，因此遷移率和散射關系在高純或低摻雜樣品中，若摻雜濃度低于1017cm-3，則電離雜質(zhì)散射可被忽略，此時T增加，μ降低隨著摻雜濃度增加，電離雜質(zhì)散射逐漸增強，低溫時T增加，μ緩緩升高，但高溫下晶格振動占主導，此時遷移率會逐漸降低--電阻率和摻雜關系在輕摻雜時，雜質(zhì)全部電離，載流子濃度近似等于摻雜濃度，電阻率和摻雜濃度成反比摻雜濃度增加后，雜質(zhì)不能全部電離，且μ隨N增加而降低，因此電阻率和雜質(zhì)濃度會偏移簡單反比關系v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景載流子的散射四、半導體輸運38在低溫區(qū)間，本征激發(fā)可以忽略，雜質(zhì)電離占主導地位，由于雜質(zhì)電離程度隨溫度升高而增大，因此載流子濃度也隨溫度升高而增大。同時，電離雜質(zhì)散射概率隨溫度升高而減小，因此遷移率會隨著溫度升高而增大，電阻率將會減小室溫附近區(qū)間，雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，本征激發(fā)仍然可以被忽略，因此載流子濃度基本不隨溫度變化，此時的散射機制主要為晶格振動散射（聲學波散射）。散射概率隨溫度升高而增大，因此遷移率會隨著溫度升高而增大，電阻率將會增大高溫區(qū)間，此時本征激發(fā)占主導地位，載流子濃度隨溫度升高而急劇增大。雖然此時的散射機制主要為晶格振動散射（聲學波散射），但是遷移率隨溫度的減小程度遠遠不如載流子，因此總的電阻率將會減小電阻率和溫度關系-v39西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景非平衡載流子四、半導體輸運熱平衡狀態(tài)：系統(tǒng)處于無外部擾動（如無外加電壓、光照、溫度梯度等）且與環(huán)境完全熱交換平衡的狀態(tài)非平衡狀態(tài)：系統(tǒng)受外部擾動（如外加電場、光照、載流子注入等）打破熱平衡，導致載流子濃度偏離平衡值的狀態(tài)非平衡載流子的光注入：用光照使得半導體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子小注入：光注入的非平衡載流子濃度小于多子濃度，但是大于少子濃度，例如對于N型半導體非平衡載流子的壽命：停止外部擾動后，非平衡載流子的平均生存時間τ復合率：單位時間單位體積凈復合消失的電子-空穴對數(shù)△p/τ假定一束光在一塊N型半導體內(nèi)部均勻地產(chǎn)生非平衡載流子，在t=0時停止光照，△p隨時間推移逐漸降低，單位時間內(nèi)非平衡載流子濃度減小數(shù)量為

該值應該等于復合率，即當t取τ時，△p(t)=△p0/e，因此非平衡載流子的壽命為載流子濃度衰減為1/e時所經(jīng)歷的時間v40西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景準費米能級與復合四、半導體輸運半導體處于熱平衡態(tài)時存在統(tǒng)一的費米能級，對于非簡并半導體有當外界激勵破壞了熱平衡后，統(tǒng)一的費米能級不再適用，但是導帶電子和價帶空穴各自趨于局部的平衡狀態(tài)，分別引入局部費米能級（準費米能級）當電子準費米能級Efn越靠近導帶底Ec，非平衡電子濃度越高當空穴準費米能級Efp越靠近價帶底Ev，非平衡空穴濃度越高半導體的非平衡載流子會不斷復合，從而促成系統(tǒng)由非平衡向平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變復合過程直接復合間接復合復合位置表面復合體內(nèi)復合復合能量發(fā)射光子發(fā)射聲子俄歇復合v41西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景載流子的擴散運動四、半導體輸運用適當波長的光去照射半導體表面，假設光在半導體表面薄層被吸收，產(chǎn)生大量的非平衡載流子，而半導體內(nèi)部的非平衡載流子卻很少，那么半導體表面非平衡載流子濃度要比內(nèi)部高，引起非平衡載流子從半導體表面向內(nèi)部擴散考慮一維情況，假定非平衡載流子濃度只隨距離x變化，記為△p(x)，單位時間通過單位面積的粒子數(shù)稱為擴散流密度Sp，該值和非平衡載流子濃度梯度成正比，令擴散系數(shù)Dp：描述物質(zhì)在介質(zhì)中擴散快慢的物理量，定義為單位濃度梯度下粒子通過單位面積的擴散通量，單位是cm2/s考慮非平衡載流子的擴散，單位時間、單位體積內(nèi)積累的空穴數(shù)為在穩(wěn)態(tài)下，上式等于單位時間、單位體積復合消失的空穴數(shù)，即

通解為考慮半導體足夠厚，非平衡載流子未達到另一端就會全部復合，即x趨于∞，△p(x)=0，因此B=0考慮x=0時，△p(x)=△p0，可得

當衰減到原值的1/e時所擴散的距離恰巧等于Lp。因此，Lp標志著非平衡載流子深入半導體的平均距離，也稱擴散長度v42西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景愛因斯坦關系四、半導體輸運如果半導體中非平衡載流子濃度分布不均勻，同時又有外加電場的作用，那么總電流為擴散電流和漂移電流之和假設一個N型均勻半導體，沿水平方向施加均勻電場，從半導體最左邊光注入載流子，空穴和電子總電流密度分別為：在熱平衡態(tài)下，載流子漂移和擴散達到動態(tài)平衡，因此總電流密度為0半導體內(nèi)部電場E計算公式為

，附加的電勢會導致能帶偏移，此時電子濃度修正為對上式兩邊求導

代入可得愛因斯坦關系單位時間、單位體積復合消失的空穴數(shù)量，是漂移、擴散、產(chǎn)生、復合的綜合作用，構(gòu)成連續(xù)性方程擴散漂移復合產(chǎn)生v43西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景作業(yè)名詞解釋：半導體、晶格、擴散長度、準費米能級等簡答題1：遷移率和摻雜濃度、溫度的關系是什么簡答題2：復合過程按照釋放能量的不同可以分為哪幾類簡答題3：什么是施主雜質(zhì)，如何形成施主電離微電子學院School

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Microelectronics微電子概論與新進展半導體器件基礎篇目錄234PN結(jié)金半接觸雙極晶體管1章節(jié)介紹5金屬-氧化物-半導體晶體管v46西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景章節(jié)解析一、章節(jié)介紹雙極晶體管金半接觸MOSFETPN結(jié)與金半接觸PN結(jié)定義與參數(shù)金半接觸理論肖特基二極管與PN結(jié)二極管基本結(jié)構(gòu)工作原理非理想效應MOS電容能帶MOSFET分類非理想效應雙極晶體管MOSFET掌握知識：PN結(jié)和金-半接觸基本知識掌握知識：雙極晶體管基本結(jié)構(gòu)、參數(shù)與特性掌握知識：金屬-氧化物-半導體基本結(jié)構(gòu)、參數(shù)與特性PN結(jié)目錄目錄234PN結(jié)金半接觸雙極晶體管1章節(jié)介紹5金屬-氧化物-半導體晶體管v48西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景PN結(jié)定義二、PN結(jié)PN結(jié)：由P型半導體和N型半導體直接接觸形成的界面結(jié)構(gòu)空間電荷：在PN結(jié)形成后，交界處出現(xiàn)了電子和空穴濃度差。由于擴散作用，電子從N區(qū)流向P區(qū)，留下帶正電荷的施主離子，空穴從P區(qū)流向N區(qū)，留下帶負電荷的受主離子，稱為空間電荷空間電荷區(qū)：空間電荷存在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)，也叫耗盡層，空間電荷區(qū)會形成一個內(nèi)建電場在PN結(jié)形成后，電子從費米能級高的N區(qū)流向費米能級低的P區(qū)，因此N區(qū)費米能級不斷下移空穴從費米能級低的P區(qū)流向費米能級高的N區(qū)，因此P區(qū)費米能級不斷上移兩者在中間相接，PN結(jié)達到熱平衡狀態(tài)（漂移和擴散動態(tài)平衡）中性區(qū)空間電荷區(qū)中性區(qū)v49西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景PN結(jié)參數(shù)計算二、PN結(jié)能帶的彎曲是由費米能級差引起的，因此N區(qū)/P區(qū)電子濃度的計算公式由上式可計算在平衡狀態(tài)下，考慮N區(qū)電子濃度為nn0=ND，P區(qū)濃度pp0=NA，有因此，最終內(nèi)建電勢差為PN結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)泊松方程可表示為其中，xn和xp為空間電荷區(qū)N區(qū)和P區(qū)邊界平衡狀態(tài)下，根據(jù)電荷守恒

且空間電荷區(qū)寬度W為

內(nèi)建電場分布電勢分布v50西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景PN結(jié)參數(shù)計算二、PN結(jié)對空間電荷區(qū)泊松方程進行推導，可得平衡狀態(tài)下PN空間電荷區(qū)電場分布為最大電場強度為內(nèi)建電場分布電勢分布單邊突變結(jié)：PN結(jié)一側(cè)的摻雜濃度遠高于另一側(cè)，對于P+N單邊突變結(jié)，NA>>ND，對于PN+單邊突變結(jié)ND>>NA對于P+N結(jié)，最大電場

空間電荷區(qū)寬度為

接觸電勢差為對于PN+結(jié)，最大電場

空間電荷區(qū)寬度為

接觸電勢差為平衡狀態(tài)PN結(jié)接觸電勢差為空間電荷區(qū)寬度為v51西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景PN結(jié)伏安特性二、PN結(jié)

理想PN結(jié)伏安特性需要滿足以下假設條件：小注入：注入的少子濃度比平衡狀態(tài)的多子濃度小得多耗盡層近似：空間電荷區(qū)載流子全部耗盡，只存在離化雜質(zhì)不考慮耗盡層中載流子產(chǎn)生與復合耗盡層邊界載流子濃度分布滿足玻爾茲曼分布伏安特性曲線對數(shù)坐標理想PN結(jié)伏安特性滿足Is為PN結(jié)飽和電流若外加電壓Va正偏，且qVa>>k0T時

此時電流隨電壓成指數(shù)增加若外加電壓Va反偏

此時反向電流近似為常數(shù)，不隨電壓變化，呈飽和狀態(tài)，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦詖52西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景非平衡狀態(tài)下的PN結(jié)二、PN結(jié)對PN結(jié)外加正向電壓V后，內(nèi)建電場強度削弱，勢壘高度從平衡時qVeqd下降為q(Veqd-V)外加正向電壓增強了擴散運動，減弱了漂移運動，使得擴散電流大于漂移電流。擴散運動導致P/N區(qū)內(nèi)部多子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，形成對方區(qū)域的非平衡少子，這種外加正向電壓使非平衡載流子進入半導體的過程稱為非平衡載流子的電注入對PN結(jié)外加反向電壓V后，內(nèi)建電場強度增強，勢壘高度從平衡時qVeqd下降為q(Veqd+V)外加反向電壓增強了漂移運動，減弱了擴散運動，使得漂移電流大于擴散電流。漂移運動導致P/N區(qū)內(nèi)部多子向己方區(qū)域擴散，這種情況就像少子不斷地被抽出來，所以也被稱為少子的抽取或吸出正偏PN結(jié)能帶變化圖反偏PN結(jié)能帶變化圖正偏電流分布v53西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景非平衡狀態(tài)PN參數(shù)計算二、PN結(jié)平衡態(tài)時空間電荷區(qū)寬度為

非平衡態(tài)時對于P+N結(jié)，空間電荷區(qū)寬度為

對于PN+結(jié)，空間電荷區(qū)寬度為空間電荷區(qū)單位面積總電荷量為

所以代入上式后

對電壓微分，得到勢壘電容C若為單邊突變結(jié)，則空間電荷區(qū)電容

其中NB為單邊突變結(jié)輕摻雜一測濃度v54西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景PN結(jié)的擊穿二、PN結(jié)PN結(jié)擊穿雪崩擊穿（電擊穿）隧道擊穿（電擊穿）熱擊穿PN結(jié)擊穿曲線整流效應：PN結(jié)正向偏置導通，反向偏置截止的特性稱為整流效應擊穿：持續(xù)增加反偏電壓，會導致PN反向電流密度會迅速變大擊穿電壓：PN結(jié)發(fā)生擊穿時的臨界反向電壓，記作VBR當反向電壓足夠高時，耗盡層內(nèi)的少子被強電場加速，獲得足夠動能撞擊晶格原子，產(chǎn)生新的電子-空穴對。這些新載流子又被加速并繼續(xù)碰撞，形成鏈式反應，導致反向電流雪崩式增長，也稱為載流子的倍增效應載流子的倍增效應載流子的隧道擊穿當PN結(jié)在反向電壓下產(chǎn)生的大量電子會從價帶穿過禁帶直接進入導帶，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的隧道效應，由隧道效應引起的PN結(jié)擊穿稱為隧道擊穿，也稱齊納擊穿摻雜濃度適中時，主要為雪崩擊穿；摻雜濃度較高時，空間電荷區(qū)寬度較窄，反向電壓較小會發(fā)生隧道擊穿v55西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景PN結(jié)應用二、PN結(jié)PN結(jié)應用二極管光電池傳感器整流二極管：利用PN結(jié)單向?qū)щ娦裕糜趯⒔涣麟娹D(zhuǎn)化為直流電的半導體器件穩(wěn)壓二極管：利用PN結(jié)反向擊穿時電壓穩(wěn)定不變特性的半導體器件，用于電路穩(wěn)壓變?nèi)荻O管：利用PN結(jié)電容大小隨外加電壓變化的特性制成的半導體器件，反向電壓增大時結(jié)電容減小，反之則結(jié)電容增大，用于調(diào)諧、調(diào)頻、調(diào)相發(fā)光二極管：將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的半導體器件，也稱LED，用于照明、顯示光電二極管：將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的半導體器件，用于光探測、光通訊二極管光電池太陽能電池：利用太陽光直接發(fā)電的光電半導體薄片，用于航天工業(yè)、日常等各類電源光伏效應：當光照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收，使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子，并在PN結(jié)兩側(cè)集聚，形成了光生電壓傳感器太陽能電池：利用PN結(jié)特性變化來檢測環(huán)境參數(shù)（如溫度、光強、磁場、壓力等）的半導體器件，用于各類信號檢測按照功能可以分為：溫度傳感器、光電傳感器、霍爾傳感器、壓阻傳感器等目錄目錄234PN結(jié)金半接觸雙極晶體管1章節(jié)介紹5金屬-氧化物-半導體晶體管v57西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景金半接觸能帶圖三、金半接觸N型半導體功函數(shù)金屬功函數(shù)功函數(shù)：處于費米能級上的電子躍遷到真空能級上所需的能量金屬功函數(shù)

半導體功函數(shù)電子親和能：真空能級和導帶底能級的差值金-半接觸前N型阻擋層當金屬與N型半導體接觸時，若Wm>Ws，為達到費米能級平衡，需要半導體一側(cè)能帶向上彎曲（失去電子）半導體一側(cè)勢壘高度金屬一側(cè)勢壘高度v58西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景金半接觸能帶圖三、金半接觸N型反阻擋層當金屬與N型半導體接觸時，若Wm<Ws，為達到費米能級平衡，需要半導體一側(cè)能帶向下彎曲（獲得電子）當金屬與P型半導體接觸時，若Wm<Ws，為達到費米能級平衡，需要半導體一側(cè)能帶向下彎曲（釋放空穴）P型阻擋層P型反阻擋層當金屬與P型半導體接觸時，若Wm>Ws，為達到費米能級平衡，需要半導體一側(cè)能帶向上彎曲（獲得空穴）條件金屬-N型半導體金屬-P型半導體Wm>WsN型阻擋層N型反阻擋層Wm<WsP型反阻擋層P型阻擋層v59西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景肖特基勢壘三、金半接觸肖特基勢壘：金屬與半導體接觸時，半導體一側(cè)的能帶彎曲形成的載流子輸運勢壘金屬外加正偏電壓后，導致半導體流入金屬電子數(shù)量增多，能帶彎曲程度減小，金屬外加反偏電壓后，半導體流入金屬電子數(shù)降低，能帶彎曲程度增加正偏下肖特基勢壘反偏下肖特基勢壘從理論計算認為，同一種材料的肖特基勢壘和金屬功函數(shù)相關，但是實際情況金屬功函數(shù)對肖特基勢壘的影響不大，這是由于在實際的肖特基二極管中，在界面處晶格的斷裂會產(chǎn)生大量能量狀態(tài)，稱為界面態(tài)或表面態(tài)當界面態(tài)密度很大時，只要費米能級高于qΦ0，界面態(tài)會積累大量負電荷，當能帶彎曲到一定程度時，費米能級就會與界面態(tài)重合，這時表面費米能級就會被釘扎在某一與金屬無關的位置上平衡狀態(tài)高界面態(tài)v60西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景金-半接觸整流理論三、金半接觸N型半導體空間電荷區(qū)金-半接觸伏安特性曲線厚阻擋層：對于N型阻擋層，當空間電荷區(qū)寬度比電子的平均自由程大很多時，電子在跨越空間電荷區(qū)時會發(fā)生多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層厚阻擋層滿足擴散理論，電流密度類似二極管整流特性當V>0時，且qV>>k0T，有當V<0時，且|qV|>>k0T，有J=-JsD,JsD稱為反向飽和電流當N型阻擋層很薄時，電子的平均自由程遠大于勢壘高度，擴散理論不再適用，電流的大小主要取決于勢壘高度，電流包括從半導體內(nèi)部跨越勢壘流入金屬形成的電流和從金屬流入半導體的電流，稱為熱電子發(fā)射總電流密度為金半整流擴散理論熱電子發(fā)射理論v61西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景肖特基二極管與PN結(jié)二極管三、金半接觸肖特基二極管PN結(jié)二極管工作頻率開關速度主要為多子輸運，速度快存在少子存儲，速度慢反向飽和電流正向?qū)妷憾嘧与娏鳛橹?，反向電流大正向?qū)妷焊∩僮与娏鳛橹鳎聪螂娏餍≌驅(qū)妷焊笮ぬ鼗佑|：當金屬與半導體接觸時，若界面處形成顯著的肖特基勢壘（SchottkyBarrier），導致載流子（電子或空穴）的輸運受勢壘高度限制，表現(xiàn)出非線性電流-電壓特性（整流效應），這種接觸稱為肖特基接觸歐姆接觸：金屬與半導體接觸時，界面處無顯著勢壘，載流子可自由通過，電流-電壓關系呈線性（低電阻），且接觸電阻遠小于半導體體電阻，這種接觸稱為歐姆接觸重摻雜的半導體，空間電荷區(qū)寬度窄，可以通過隧道效應形成很小的接觸電阻，因此當半導體重摻雜時，與金屬可以形成接近理想的歐姆接觸目錄目錄234PN結(jié)金半接觸雙極晶體管1章節(jié)介紹5金屬-氧化物-半導體晶體管v63西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景基本結(jié)構(gòu)四、雙極晶體管BJT結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號圖雙極晶體管：一種利用電子和空穴兩種載流子（雙極）參與導電的三端半導體器件，簡稱BJTBJT包括發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，發(fā)射區(qū)和基區(qū)構(gòu)成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，基區(qū)和集電區(qū)構(gòu)成的結(jié)稱為集電結(jié)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度相同，和基區(qū)的摻雜濃度相反，主要分為NPN和PNP兩種類型在電路符號中，字母E代表發(fā)射極、字母B代表基極、字母C代表集電極，電流從B流向E稱為NPN型；電流從E流向B稱為PNP型理想情況，發(fā)射區(qū)濃度遠高于基區(qū)濃度，基區(qū)摻雜濃度均勻分布，電流限制在小注入狀態(tài)實際的BJT是一個N+PNN+結(jié)構(gòu)，基區(qū)是N型外延層上經(jīng)過P型擴散層形成，發(fā)射區(qū)是在基區(qū)上二次擴散形成，集電極從襯底N+引出硅平面NPN型BJT結(jié)構(gòu)圖v64西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景BJT工作原理四、雙極晶體管VBEVBC0放大模式：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏飽和模式：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏截止模式：發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏反向放大模式：發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)正偏共基極BJT在放大模式下工作電路圖BJT主要作為放大管使用，因此多工作在放大模式，即VBC<0、VBE>0VBE>0時，發(fā)射區(qū)電子注入基區(qū)；VBC<0時，注入到基區(qū)的電子會在電場作用下運動到集電區(qū)，這個時候需要把基區(qū)做的很薄，防止在電子在基區(qū)被復合NPN型BJT放大模式工作電流InE為從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子流InC為從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子到達集電區(qū)的電子流InE-InC為從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子通過基區(qū)被復合引起的復合流IpE為從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴流IRE為從發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復合流ICO為從集電結(jié)反向電流v65西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景BJT工作原理四、雙極晶體管發(fā)射極注入效率γ：從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子電流在發(fā)射極總電流中所占的比例，基區(qū)輸運因子βT：從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子能夠到達集電區(qū)所占的比例共基極直流電流增益α：到達集電區(qū)的電子流在整個發(fā)射極電流中所占的比例放大模式下，集電極電流可以表示為共基極BJT伏安特性當發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏（飽和模式），集電結(jié)正偏時向發(fā)射區(qū)注入的電子和空穴擴散電流方向與發(fā)射極擴散電流方向相反，有v66西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景BJT工作原理與非理想效應四、雙極晶體管共發(fā)射極BJT連接示意圖共發(fā)射極BJT伏安特性BJT也可以通過共發(fā)射極連接，此時可求解集電極電流，即式中，hFE為共發(fā)射極直流電流增益，ICEO為基極開路時集電極與發(fā)射極之間電流，也稱為漏電流或穿透電流非理想效應發(fā)射區(qū)禁帶寬度減小基區(qū)緩變效應基區(qū)擴展電阻和電流擁擠效應基區(qū)寬度調(diào)制效應發(fā)射區(qū)禁帶寬度減小：發(fā)射極重摻雜較大達到簡并狀態(tài)，發(fā)射極禁帶寬度減小會影響B(tài)JT的共發(fā)射極電流增益基區(qū)緩變效應：實際工藝中基區(qū)摻雜濃度并不是均勻的，而是緩慢變化的。基區(qū)不均勻摻雜會引入內(nèi)建電場，發(fā)射區(qū)注入的電子會在內(nèi)建電場作用下向集電極漂移基區(qū)擴展電阻和電流擁擠效應：由于基區(qū)摻雜較低，會存在體電阻，以及基區(qū)與發(fā)射區(qū)接觸的邊緣電阻，從而降低發(fā)射結(jié)凈電壓VBE，在邊緣處產(chǎn)生更高的電流基區(qū)寬度調(diào)制效應：BJT在放大模式下，I-V特性中電流斜率為0，實際上IC會隨著VCE增大而增大，這種效應稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應，也叫厄利效應v67西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景BJT的頻率響應四、雙極晶體管BJT小信號增益簡圖低頻下，直流電流增益和頻率無關，但是高頻下放大能力和頻率相關，稱為BJT的頻率響應。共基極交流小信號電流增益為

共射極電流增益為交流小信號電流增益用分貝dB表示，即共基極截止頻率wα：α大小下降為0.707α0時的頻率（下降3dB）共發(fā)射極截止頻率wβ：hfe下降為0.707hFE時的頻率（下降3dB）增益帶寬積（特征頻率）wT：共發(fā)射極小信號直流增益hfe的模量為1時的頻率由于

因此共發(fā)射極截止頻率遠低于共基極截止頻率又因為

，因此增益帶寬積接近wα目錄目錄234PN結(jié)金半接觸雙極晶體管1章節(jié)介紹5金屬-氧化物-半導體晶體管v69西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景MOS管基本結(jié)構(gòu)五、金屬-氧化物-半導體晶體管MOS管由金屬-氧化層（絕緣層）-半導體堆疊而成，在金屬和半導體上施加電壓降后，金屬-氧化物交界處和半導體-氧化物交界處會出現(xiàn)電荷堆積，此結(jié)構(gòu)和電容器充電結(jié)構(gòu)類似，因此也稱為MOS電容MOS電容狀態(tài)多子積累狀態(tài)少子反型狀態(tài)多子耗盡狀態(tài)對于P型半導體MOS，當金半電壓VG<0時，P型半導體中多子（空穴）會在電場作用下向界面聚集，此狀態(tài)稱為多子堆積表面勢：半導體表面與體內(nèi)的電勢差VS，在堆積時Vs<0，表面能帶向上彎曲MOS電容結(jié)構(gòu)圖MOS多子堆積狀態(tài)多子堆積能帶圖v70西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景MOS管狀態(tài)五、金屬-氧化物-半導體晶體管當金半電壓VG>0時，P型半導體中多子（空穴）會被推離界面，此狀態(tài)稱為多子耗盡在耗盡時Vs>0，表面能帶向下彎曲注意，表面能帶從向上彎曲到向下彎曲，有一個水平的過度態(tài)，此狀態(tài)稱為平帶狀態(tài)在多子耗盡狀態(tài)，繼續(xù)增大VG，不但導致更多的多子（空穴）被推離界面，還會吸引少量少子（電子）在界面處聚集，此狀態(tài)稱為少子反型從能帶角度而言，表面能帶進一步向下彎曲，最終表面費米能級EF高于禁帶中線EiMOS多子耗盡狀態(tài)多子耗盡能帶圖少子反型能帶圖v71西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景MOS管相關參數(shù)五、金屬-氧化物-半導體晶體管多子耗盡能帶圖半導體-氧化物界面出現(xiàn)空間電荷區(qū)，寬度為費米勢：半導體內(nèi)部費米能級與本征費米能級之差在多子耗盡時，Vs<φfp，半導體表面仍為P型；但是在少子反型后，Vs>φfp，半導體表面呈現(xiàn)N型半導體特性閾值反型點：半導體表面從耗盡轉(zhuǎn)變?yōu)榉葱偷呐R界點，即Vs=2φfp閾值電壓：達到閾值反型點的柵壓VG，達到閾值反型點后，微小的電壓變化會產(chǎn)生大量的載流子，此時空間電荷區(qū)達到最大值少子反型能帶圖金屬半導體功函數(shù)差的定義式為

其中φm`為修正金屬功函數(shù)，χ`為修正電子親和能滿足半導體平帶狀態(tài)的電壓為平帶電壓

其中Qss`為柵氧化層等價陷阱電荷v72西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景MOS管相關參數(shù)五、金屬-氧化物-半導體晶體管達到閾值反型點的PMOS和NMOS管能帶圖達到閾值反型點的PMOS電荷分布圖以PMOS為例，達到閾值反型點的空間電荷區(qū)寬度為xdT，此時金屬-半導體交接處正電荷為QmT`，單位面積柵氧化層等價電荷為Qss`，由電荷守恒定律柵壓計算公式為代入

有整理得到閾值電壓計算公式為由根據(jù)平帶電壓公式可以得到閾值電壓和平帶電壓關系v73西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景MOSFET分類五、金屬-氧化物-半導體晶體管增強型NMOSFET器件結(jié)構(gòu)和電路圖耗盡型NMOSFET器件結(jié)構(gòu)和電路圖MOSFET是一種利用電場效應控制電流的半導體器件，由源極S、漏極D、柵極G和襯底B構(gòu)成，其核心是MOS電容MOSFET按照導電條件和溝道極性可以分為N溝道增強型\P溝道增強型\N溝道耗盡型\P溝道耗盡型N溝道MOSFET：反型層導電溝道為N型P溝道MOSFET：反型層導電溝道為P型增強型：在零柵壓時無反型導電溝道形成，需要對其施加柵壓才能形成反型導電溝道耗盡型：在零柵壓時有反型導電溝道形成，需要對其施加柵壓才能關閉反型導電溝道增強型PMOSFET器件結(jié)構(gòu)和電路圖耗盡型PMOSFET器件結(jié)構(gòu)和電路圖v74西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景MOSFET工作原理五、金屬-氧化物-半導體晶體管導電溝道關閉和打開時的增強型NMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖對于P型襯底的增強型NMOSFET，當Vg<Vth時，漏極和襯底間的PN結(jié)反偏，因此漏電流為0當Vg>Vth時，金屬柵和P型襯底形成N型反型層，源漏導通，產(chǎn)生源漏電流轉(zhuǎn)移曲線：描述源漏電流ID和柵源電壓VGS的關系，用于確定閾值電壓Vth和跨導gm輸出曲線：描述源漏電流ID和源漏電壓VDS的關系

其中溝道電導gd為當VDS較小時，ID和VDS呈線性關系，進入線性區(qū)繼續(xù)增大VDS后，漏極附近氧化層壓降降低，導電溝道變小，電流上升趨勢變緩導電溝道隨VDS增大變化曲線導電溝道隨VDS增大變化曲線v75西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景MOSFET工作原理五、金屬-氧化物-半導體晶體管繼續(xù)增大VDS后，當

時，溝道反型層消失，此時溝道被夾斷，電流達到最大值當溝道被夾斷后，繼續(xù)增大VDS，溝道會逐漸向左移動，電流保持不變，此時電流區(qū)域進入飽和區(qū)夾斷電壓VDsat：在漏極產(chǎn)生零反型層電荷密度時的源漏電壓非飽和區(qū)電流電壓關系為飽和區(qū)電流電壓關系為增強型輸出曲線耗盡型輸出曲線v76西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景MOSFET非理想效應五、金屬-氧化物-半導體晶體管非理想效應亞閾值電導效應短溝道效應溝道長度調(diào)制效應速度飽和效應理想情況下VG<VT時，沒有反型層出現(xiàn)，漏電流為0實際情況下，當2φfp>φs>φfp時，會出現(xiàn)較弱的導電溝道，此時稱為弱反型，漏電流稱為亞閾值電流亞閾值電流計算公式為亞閾值能帶圖溝道長度調(diào)制當VDS>VDSsat時，導電溝道長度L不再是常數(shù)，而是隨著VDS的增大而減小，此時有漏極附近結(jié)構(gòu)圖v77西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景MOSFET非理想效應五、金屬-氧化物-半導體晶體管短溝道效應：MOSFET導電溝道長度減小到十幾nm以下出現(xiàn)的一些效應當溝道長度降低到一定程度，源、漏附近的空間電荷區(qū)對溝道的影響不能忽略，閾值電壓的偏移量為短溝道MOSFET反型時電荷結(jié)構(gòu)圖在理想情況下，如果電場強度增大，載流子的速度也會增大，實際上載流子的速度會達到飽和考慮速度飽和時，漏極電流為

速度飽和效應會導致IDsat和Vsat要比理想值小非理想效應亞閾值電導效應短溝道效應溝道長度調(diào)制效應速度飽和效應v78西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景名詞解釋：單邊突變結(jié)、BJT、MOSFET、費米勢、閾值電壓等簡答題1：MOSFET存在哪些非理想效應簡答題2：BJT包含哪四種模式簡答題3：肖特基二極管和PN結(jié)二極管的不同之處有哪些六、作業(yè)微電子學院School

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Microelectronics微電子概論與新進展半導體工藝篇目錄234氧化與摻雜工藝薄膜制備與外延工藝光刻與刻蝕工藝1半導體工藝類型5測試與封裝工藝v81西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景硅平面工藝類型一、半導體工藝類型常見的Si平面工藝包括BJT集成電路工藝和CMOS工藝，以BJT為例，具體步驟如下：襯底制備：制備輕摻雜P襯底埋層生長：為了降低集電極串聯(lián)電阻、減小寄生管的影響，在外延層與襯底之間制備埋層外延生長：在襯底上外延生長一層N型硅作為集電區(qū)隔離區(qū)生長：在外延層上產(chǎn)生很多在電性上各自孤立的隔離島，以實現(xiàn)元器件間的絕緣，以PN結(jié)隔離為主基區(qū)生長：繼續(xù)通過氧化、光刻、擴散生長P型基區(qū)發(fā)射區(qū)及集電極歐姆區(qū)生長：生長N型發(fā)射區(qū)，而集電區(qū)摻雜濃度較低，所以必須生長集電極歐姆接觸區(qū)形成金屬互連：制備金屬電極引線以實現(xiàn)電路內(nèi)部的元器件互連及使雙極晶體管與外部電極連接BJT集成工藝與結(jié)構(gòu)圖目錄234氧化與摻雜工藝薄膜制備與外延工藝光刻與刻蝕工藝1半導體工藝類型5測試與封裝工藝v83西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景氧化工藝二、氧化與摻雜工藝氧化工藝：通過熱氧化法在Si表面生長二氧化硅SiO2層，包括干法氧化和濕法氧化SiO2優(yōu)勢：硅的良好親和性、穩(wěn)定的物理化學性質(zhì)、良好的可加工性及對雜質(zhì)的掩蔽能力用途：在硅器件中其經(jīng)常作為金屬電極引線與電的絕緣層，也可作為大規(guī)模集成電路中多層布線間的絕緣層及集成電路中各元器件之間的電隔離層干法氧化化學方程式為900~1200℃，氧化速度慢，但SiO2致密，質(zhì)量高濕法氧化化學方程式為800-1000℃，氧化速率快，但結(jié)構(gòu)疏松當氧化層厚度增加后，氧化層阻擋了氧原子或氫氧根直接與硅片內(nèi)部接觸，因此氧化層的增厚率將越來越小干法氧化裝置濕法氧化裝置v84西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景擴散摻雜二、氧化與摻雜工藝摻雜工藝擴散工藝離子注入工藝摻雜：將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入硅中，并獲得精確的雜質(zhì)分布形狀，包括擴散和離子注入擴散：雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴散，并達到一定濃度，實現(xiàn)半導體定域、定量摻雜的一種工藝，主要指雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴散，屬于固相擴散，包含替位式和填隙式替位式擴散：指雜質(zhì)沿晶格空位跳躍前進，占據(jù)格點位置，不改變晶體結(jié)構(gòu)填隙式擴散：雜質(zhì)進入晶格后不占據(jù)格點位置，而是從間隙到間隙跳躍前進填隙式擴散替位式擴散填隙-替位式液態(tài)源擴散擴散摻雜工藝氣態(tài)源擴散液態(tài)源擴散固態(tài)源擴散旋涂源擴散氣態(tài)源擴散：利用氣態(tài)化合物作為摻雜源，通過載氣將反應氣體輸送到硅片表面，在高溫下分解并釋放雜質(zhì)原子向硅中擴散液態(tài)源擴散：將液態(tài)摻雜劑通過汽化裝置轉(zhuǎn)化為蒸氣，再通入高溫爐管中與硅片反應，實現(xiàn)雜質(zhì)擴散v85西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景擴散與離子注入二、氧化與摻雜工藝固態(tài)源擴散固態(tài)源擴散：使用固態(tài)摻雜材料，通過高溫下雜質(zhì)原子從固態(tài)源向硅片表面釋放并擴散旋涂源擴散：將含摻雜元素的液態(tài)溶液旋涂在硅片表面，烘干后高溫退火，使雜質(zhì)擴散入硅中離子注入機離子注入：將被注入元素的原子電離成帶正電荷的離子，使其經(jīng)高壓電場加速后高速轟擊器件表面，使之注入器件表面一定深度的真空處理工藝，具體步驟如下：選用適當氣體作為產(chǎn)生離子的工作物質(zhì)，用精密可調(diào)針閥控制進入離子源的氣流量在電場激發(fā)下，處于真空狀態(tài)的離子源放電室的氣體被電離為等離子體，等離子體中的正離子被離子源放電室出口處的帶負電位的電極引出用磁鐵對離子束按質(zhì)量進行分離，并用合適的磁場強度選出某一質(zhì)量的離子束。離子束分離完成后還需要進行離子加速、離子掃描和注入量測量等工作目錄234氧化與摻雜工藝薄膜制備與外延工藝光刻與刻蝕工藝1半導體工藝類型5測試與封裝工藝v87西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景薄膜沉積方法三、薄膜制備與外延工藝薄膜沉積：由分子及原子之間的層次控制真空蒸鍍粒子，使之產(chǎn)生薄層，從而獲得在熱平衡時無從獲得的，帶有特定結(jié)構(gòu)和性能的薄層（<1μm）通常在晶圓的表層交替堆積多層薄金屬膜（導電）和介電層（絕緣），再重復采用刻蝕工序剝離剩余部分以產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)化學氣相沉積CVD：利用含有薄膜元素的一種或幾種氣相化合物或單質(zhì)在襯底表面上進行化學反應生成薄膜物理氣相沉積PVD：采用物理方法將材料表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并在低壓氣體環(huán)境中，在半導體基底表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的方法原子層沉積ALD：將物質(zhì)以單原子膜形式一層一層地鍍在基底表面的方法薄膜沉積物理氣相沉積化學氣相沉積原子層沉積CVDPVDALD薄膜均勻性高中低極高沉積速度10-1000nm/min1-100nm/min0.1-10nm/min溫度要求200-1000℃RT-500℃50-400℃設備復雜度高（需氣體輸送系統(tǒng)）中（真空系統(tǒng)+靶材）高（精確時序控制）成本中高（前驅(qū)體昂貴）中高（前驅(qū)體利用率低）v88西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景外延工藝三、薄膜制備與外延工藝外延設備及生長方式圖外延生長：在具有一定晶向的硅單晶襯底上生長一層和襯底的晶向相同、電阻率與厚度不同的晶格結(jié)構(gòu)完整的晶體的工藝同質(zhì)外延：襯底與外延層材料相同異質(zhì)外延：襯底與外延層材料不同，異質(zhì)外延需盡量減小襯底與外延層的晶格失配，如用緩沖層緩解晶格應力外延方式主要包括：化學氣相沉積(CVD，如MOCVD)，分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)等方法原理分子束外延MBE在超高真空下，通過分子束直接沉積到襯底表面，精確控制原子層生長金屬有機化學氣相沉積MOCVD利用金屬有機源氣體在高溫下分解反應，沉積晶體薄膜液相外延LPE通過熔融材料的液相在襯底表面結(jié)晶生長目錄234氧化與摻雜工藝薄膜制備與外延工藝光刻與刻蝕工藝1半導體工藝類型5測試與封裝工藝v90西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景光刻工藝四、光刻與刻蝕工藝光刻工藝示意圖光刻工藝：通過光學曝光將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的晶圓表面的過程，是微電子工藝的關鍵技術，其工藝成本占整個集成電路制造成本的35%以上，具體步驟如下：襯底準備：清洗硅片，清楚表面污染物涂膠：旋轉(zhuǎn)涂覆光刻膠，形成均勻薄膜軟烘：去除溶劑，固化光刻膠曝光：使用紫外光、深紫外光、極紫外光等光源，通過掩膜版照射光刻膠顯影：用化學溶劑去除可溶部分，形成圖案硬烘：增強光刻膠的機械穩(wěn)定性刻蝕工藝：通過物理或化學方法去除未被光刻膠保護的襯底材料，將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到下層材料的過程，包括濕法刻蝕和干法刻蝕濕法刻蝕：利用溶液與被刻