本章主要内容 PN结和MOS晶体管结构 IC制造主要基本工艺 N阱CMOS简化工艺及工艺的改进 CMOS反相器电路结构及版图 无源器件：R、C、L 版图设计规则 西安交通大浮微电子学系 Chap2 P.2
微电子学系 Chap2 P. 2 本章主要内容 PN结和MOS晶体管结构 IC制造主要基本工艺 N阱CMOS简化工艺及工艺的改进 CMOS反相器电路结构及版图 无源器件：R、C、L 版图设计规则
本征硅、n型和p型半导体的硅晶格（二维表示）室温下，掺杂比仅为1:10(ppb），1cm3硅的电阻由347K欧姆变为92.6欧姆西安交通大泽微电子学系Chap2 P.3
微电子学系 Chap2 P. 3 本征硅、n型和p型半导体的硅晶格（二维表示） 室温下，掺杂比仅为1:109(ppb)，1cm3硅 的电阻由347K欧姆变为92.6欧姆
PN结的结构IC中的PN结TopcontactDaxnepitaxyn+buriedlayerp substratePN结Back contactGSoDBoIC中的PN结P型衬底西安交通大学微电子学系Chap2 P.4
微电子学系 Chap2 P. 4 PN结的结构 ICIC中的中的PNPN结结 PNPN结结 ICIC中的中的PNPN结结
PN结形成空间电荷区一耗尽层自建电场?载流子漂移H+（电流）和扩散X（电流）过程保持平衡（相C+等），形成自XNXpP建场和自建势空间电荷区XM空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子西安交通大学微电子学系Chap2 P. 5
微电子学系 Chap2 P. 5 PN结形成 空间电荷区－耗尽层 空间电荷区－耗尽层 空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子 N P 空间电荷区XM XN XP 自建电场 载流子漂移 (电流)和扩散 (电流)过程保 持平衡(相 等)，形成自 建场和自建势
PN结的单向导电性能PN结最显著的特点是具有整流特性，它只允许电流沿一个方向流动，不允许反向流动。外加电场外加电场自建场一自建场++++NENtP区为负、N区为P区为正、N区为正时，PN结为反负时，PN结为正向偏置向偏置西安交通大泽微电子学系Chap2 P. 6
微电子学系 Chap2 P. 6 PN结最显著的特点是具有整流特性，它只允许电 流沿一个方向流动，不允许反向流动。 PN结的单向导电性能 P区为正、N区为 负时，PN结为正 向偏置 P区为负、N区为 正时，PN结为反 向偏置
Forward-bias currentdominatedbyminoritycarrierinjectionReverse current dueto drift current inthedepletion region正向偏置的PN结，电流随电压的增加而迅速增加。反向偏置的PN结，电流很小基本可以忽略不计。西安交通大泽微电子学系Chap2 P.7
微电子学系 Chap2 P. 7 正向偏置的PN结，电流随电压的增加而迅速增加。反 向偏置的PN 结，电流很小基本可以忽略不计
PN结寄生电容(1)扩散电容：扩散区中电荷随外加电压的变化所产生的电容效应称为PN结的扩散电容势垒电容：势垒区的电荷随外加偏压变化所引起的电容效应称为势垒电容。势垒电容产生的机理：当外加电压有△V的变化时，耗尽区宽度会发生变化，使耗尽区的空间电荷出现△Q变化。AQ-A -QQPNXmAxAx,西安交通大学微电子学系Chap2 P. 8
微电子学系 Chap2 P. 8 PN结寄生电容(1) 扩散电容：扩散区中电荷随外加电压的变化所产生的 电容效应称为PN结的扩散电容 势垒电容：势垒区的电荷随外加偏压变化所引起的电 容效应称为势垒电容。 势垒电容产生的机理：当外加电压有 △V 的变化时，耗尽 区宽度会发生变化 ，使耗尽区的空间电荷出现△Q变化。 P N − Q Q mx − ΔQ ΔQ n Δx Δxp
PN结寄生电容(2)PN结电容包括势垒电容和扩散电容，它们都是结电压的函数，其相对重要性强烈依赖于结电压。■在反向偏置时，扩散电容可以忽略，PN结在功能上等效为一个势垒电容。在正向偏置下，扩散电容占主导地位，PN结等效为一个扩散电导和扩散电容的并联西安交通大学微电子学系Chap2 P. 9
微电子学系 Chap2 P. 9 PN结寄生电容(2) PN结电容包括势垒电容和扩散电容，它们都 是结电压的函数，其相对重要性强烈依赖于结 电压。 在反向偏置时，扩散电容可以忽略，PN结在 功能上等效为一个势垒电容。 在正向偏置下，扩散电容占主导地位，PN结 等效为一个扩散电导和扩散电容的并联
150125Vg = 0.7Vn p junction000000A=3.72×10- cm2100N^=8.8×10l5cm-375C(pF)-Cjo =120pF50-?0000000000000025V11So-50-20-15-10-25V(V)1N5472突变结二极管势垒电容随反偏电压的测量结果西安交通大学微电子学系Chap2 P, 10
微电子学系 Chap2 P. 10 V(V ) 1N5472突变结二极管 势垒电容随反偏电压的测量结果 n p junction + 3 2 A 3.72 10 cm − = × 15 3 8.8 10 − NA = × cm Cj0 =120 pF Vbj = 0.7V
10-1010C-VDate8ee2-0.00.20.40.6Voltage(V)1N5472突变结二极管正偏时电容的测量结果西安交通大学微电子学系Chap2 P. 11
微电子学系 Chap2 P. 11 1N5472突变结二极管 正偏时电容的测量结果