半导体制造技术 西安交通大学微电子技术教研室 第]章 器件技术
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 半导体制造技术 西安交通大学微电子技术教研室 第 16 章 器件技术
目标 通过本章的学习,将能够: 1.辨別出模拟和数字、有源和无源器件的不同。说明在无 源器件中寄生结构的影响; 2.对PN结进行描述,讨论其重要性,并解释其反向偏压和 正向偏压的不同; 3.描述双极技术特征和双极晶体管的功能,偏压、结构及 应用; 描述CMOS技术的基本特征,包括场效应晶体管、偏压 现象以及CMOS反相器 5.描述 MOSFET增强型和耗尽型之间的区别; 6.描述寄生晶体管的影响和CMOS闩锁效应的本质 7.列举一些集成电路产品,描述其各自的一些应用 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 目 标 通过本章的学习，将能够： 1. 辨别出模拟和数字、有源和无源器件的不同。说明在无 源器件中寄生结构的影响； 2. 对PN结进行描述，讨论其重要性，并解释其反向偏压和 正向偏压的不同； 3. 描述双极技术特征和双极晶体管的功能，偏压、结构及 应用； 4. 描述 CMOS 技术的基本特征，包括场效应晶体管、偏压 现象以及CMOS反相器 5. 描述 MOSFET 增强型和耗尽型之间的区别； 6. 描述寄生晶体管的影响和 CMOS 闩锁效应的本质； 7. 列举一些集成电路产品，描述其各自的一些应用
引言 用于微芯片的电子器件是在衬底上构建的。通用 的微芯片器件包括电阻、电容、熔丝、二极管和 晶体管。它们在衬底上的集成是集成电路芯片制 造技术的基础 硅片上电子器件的形成方式被称为结构。半导体 器件结构有成千上万钟。这里只能列举出其中的 部分。本章将讨论器件的实际形成,以了解它 们在应用中是怎样发挥作用的。同时,本章还将 对集成电路产品的不同分类进行回顾。 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 引 言 • 用于微芯片的电子器件是在衬底上构建的。通用 的微芯片器件包括电阻、电容、熔丝、二极管和 晶体管。它们在衬底上的集成是集成电路芯片制 造技术的基础。 • 硅片上电子器件的形成方式被称为结构。半导体 器件结构有成千上万钟。这里只能列举出其中的 一部分。本章将讨论器件的实际形成，以了解它 们在应用中是怎样发挥作用的。同时，本章还将 对集成电路产品的不同分类进行回顾
印刷电路板上的元件 cT1600 SOUND BLASTTR 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 印刷电路板上的元件
电路类型 模拟电路 在电子技术中,模拟电路是指其电参数在 定电压、电流、功耗值范围内变化的一种电 路。模拟电路可以设计成由直流(DC)、交 流(AC)或者两者的混合,以及脉冲电流来 作为工作电源。以模拟电路为工作原理的电子 产品有:无线电发射器和接收器、声音的录制 和回放装置等。然而输入输出信号的放大不能 总是与预定的值相符。例如。用AM/FM收音 机搜索电台时,不是所有无线信号都有相同的 信号强渡。因此,音量的控制必须根据输入信 号的强度作调整。 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 电路类型 • 模拟电路 在电子技术中，模拟电路是指其电参数在 一定电压、电流、功耗值范围内变化的一种电 路。模拟电路可以设计成由直流（DC）、交 流（AC）或者两者的混合，以及脉冲电流来 作为工作电源。以模拟电路为工作原理的电子 产品有：无线电发射器和接收器、声音的录制 和回放装置等。然而输入输出信号的放大不能 总是与预定的值相符。例如。用AM/FM收音 机搜索电台时，不是所有无线信号都有相同的 信号强渡。因此，音量的控制必须根据输入信 号的强度作调整
数字电路 数字电路在两种性质不同的电平信号一一高电 平和低电平下工作。逻辑高电平用二进制数字1表 示,逻辑低电平用二进制0表示。数字电路与计算 机和计算器等逻辑器件有关。其他数字逻辑器件包 括:时钟、手柄式电脑游戏以及条形码阅读器。数 字器件可用于测量并控制事件结果:要求既有开/ 关型命令,又能受模拟线性电路分立增量变化的控 制。这也正是今天区别模拟器件和数字器件如此困 难的原因所在。高低电平准确数值取决于特别的器 件技术。下面是两个逻辑电平的例子 逻辑类型高电平=1 低电平=0 TTL 5 VDC O0 VDC CMOS 35VDC O0 VDC 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda • 数字电路 数字电路在两种性质不同的电平信号－－高电 平和低电平下工作。逻辑高电平用二进制数字1表 示，逻辑低电平用二进制0表示。数字电路与计算 机和计算器等逻辑器件有关。其他数字逻辑器件包 括：时钟、手柄式电脑游戏以及条形码阅读器。数 字器件可用于测量并控制事件结果：要求既有开/ 关型命令，又能受模拟线性电路分立增量变化的控 制。这也正是今天区别模拟器件和数字器件如此困 难的原因所在。高低电平准确数值取决于特别的器 件技术。下面是两个逻辑电平的例子： 逻辑类型 高电平＝1 低电平＝0 TTL 5 VDC 0.0 VDC CMOS 3.5VDC 0.0 VDC
无源元件结构 在电路中电阻和电容都是无源元件。因为这些元 件无论怎样和电源连接,它们都能传输电流。例 如,一个电阻无论是与电源的正极还是负极连接 ,它都能传输同样的电流。 集成电路电阻结构 集成电路中的电阻可以通过金属膜、掺杂的 多晶硅,或者通过杂质扩散到衬底的特定区域产 生。这些电阻是微结构,因此它们只占用衬底很 小的区域。电阻和芯片电路的连接是通过与导电 金属(如铝、钨等)形成接触实现的(见下图) 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 无源元件结构 • 在电路中电阻和电容都是无源元件。因为这些元 件无论怎样和电源连接，它们都能传输电流。例 如，一个电阻无论是与电源的正极还是负极连接 ，它都能传输同样的电流。 • 集成电路电阻结构 集成电路中的电阻可以通过金属膜、掺杂的 多晶硅，或者通过杂质扩散到衬底的特定区域产 生。这些电阻是微结构，因此它们只占用衬底很 小的区域。电阻和芯片电路的连接是通过与导电 金属（如铝、钨等）形成接触实现的(见下图）
Examples of Resistor Structures in ICs Metal contact Film type resistor Metal contact SiO dielectric material SiO dielectric material 半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda Figure 3.1 电信学院微电子教研室
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda Examples of Resistor Structures in ICs Metal contact Film type resistor SiO2, dielectric material Metal contact SiO2, dielectric material Figure 3.1
寄生电阻结构 寄生电阻是在集成电路元件设计中产生的多 余电阻。它存在于器件结构中是因为器件的尺寸 形状、材料类型、掺杂种类以及掺杂数量。寄 生电阻不是我们所需要的,因为它会降低集成电 路器件的性能。下图表示了晶体管中寄生电阻的 位置。 寄生电阻是可积累的,这意味着一串电阻总 的效应比单个电阻大。在集成电路器件中。这些 寄生电阻的影响成为能否降低芯片上器件特征尺 寸的关键因素。随着集成度的提高,电阻将会增 加,是电性能总体下降。为此设计者可选用低电 阻金属作为接触层和特别工艺设计以减小有源器 件的体(buk)电阻。 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda 寄生电阻结构 寄生电阻是在集成电路元件设计中产生的多 余电阻。它存在于器件结构中是因为器件的尺寸 、形状、材料类型、掺杂种类以及掺杂数量。寄 生电阻不是我们所需要的，因为它会降低集成电 路器件的性能。下图表示了晶体管中寄生电阻的 位置。 寄生电阻是可积累的，这意味着一串电阻总 的效应比单个电阻大。在集成电路器件中。这些 寄生电阻的影响成为能否降低芯片上器件特征尺 寸的关键因素。随着集成度的提高，电阻将会增 加，是电性能总体下降。为此设计者可选用低电 阻金属作为接触层和特别工艺设计以减小有源器 件的体（bulk）电阻
Cross Section of parasitic Resistances in a Transistor Base Emitter Collector Metal contact resistance RCB Bulk resistance p Substrate 半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda Figure 3.2
半导体制造技术 电信学院微电子教研室 by Michael Quirk and Julian Serda Cross Section of Parasitic Resistances in a Transistor REC RBB REB RBC RCC RCB Metal contact resistance Bulk resistance n + n + p - Base Emitter Collector p - Substrate Figure 3.2