专用集成电路设计基础总复习.ppt
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1、专用集成电路设计基础 复习,董刚西安电子科技大学微电子学院,考试时间和地点,第二章 集成器件物理基础,知识点:2.1 电子 空穴 2.2 本征半导体 非本征半导体 多子 少子飘移电流 扩散电流2.3 空间电荷区 势垒区 耗尽层 PN结的单向导电性 势垒电容 扩散电容 器件模型 模型参数2.4 双极晶体管的结构 直流放大原理 电流集边效应 特征频率 外延晶体管 最高振荡频率 基区串联电阻 晶体管模型 模型参数2.6 MOS晶体管结构 工作原理 非饱和区和饱和区的特点 阈值电压 MOS晶体管与双极晶体管的特点比较 模型和模型参数,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时,所有的价电子
2、都被共价键紧紧束缚在共价键中,不会成为自由电子,因此本征半导体的导电能力很弱,接近绝缘体。,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常称为“九个9”。,这一现象称为本征激发,也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时,束缚电子能量增高,有的电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由电子。,自由电子,空穴,自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位,称为空穴。,可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高(温度越高),产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下,本征激发和复合同时进行,达到动态平衡。电子空
3、穴对的浓度一定。,常温300K时:,电子空穴对,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,空穴 带正电荷 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量:温度变化,导电性变化;光照变化,导电性变化。,导电机制,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,在本征半导体中掺入三价杂质元素,如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,P型半导体,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散,促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,PN结及其
4、单向导电性,1.PN结的形成,动画演示,动态平衡:,扩散电流 漂移电流,总电流0,PN结加正向电压时,具有较大的正向扩散电流,呈现低电阻,PN结导通;PN结加反向电压时,具有很小的反向漂移电流,呈现高电阻,PN结截止。由此可以得出结论:PN结具有单向导电性。,动画演示1,动画演示2,PN结的电容效应,当外加电压发生变化时,耗尽层的宽度要相应地随之改变,即PN结中存储的电荷量要随之变化,就像电容充放电一样。,(1)势垒电容CB,扩散电容CD,当外加正向电压不同时,PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同,这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容(结电容),
5、BJT的结构,NPN型,PNP型,符号:,三极管的结构特点:(1)发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。(2)基区要制造得很薄且浓度很低。,NPN晶体管的电流输运,NPN晶体管的电流转换,双极晶体管直流电流增益,1 发射效率2 基区输运系数3 共基极直流电流增益4 共射极直流电流增益5 提高增益的途径,影响晶体管直流特性的因素,基区宽变效应,随着Vce的增加,cb结耗尽层宽度随之变宽,使晶体管有效基区宽度Wb减小,影响晶体管直流特性的因素,大电流效应(3),基区横向压降导致的电流集边效应,晶体管的频率特性,双极晶体管交流小信号电流增益,共基极交流小信号电流放大倍数共射极交流小信号电流放大倍数,晶体管
6、的频率特性,晶体管频率特性与晶体管结构参数的关系,提高fT的途径:减小基区宽度;减小发射结和集电结面积;减小基区串连电阻;兼顾功率和频率特性的外延晶体管结构。,晶体管的频率特性,晶体管频率特性与晶体管结构参数的关系,晶体管的频率特性,特征频率与工作电流的关系,在工作电流密度很大的情况下,晶体管内部会出现有效基区宽度扩展效应,使有效汲取宽度变大,基区渡越时间增大,导致特征频率下降。为了描述特征频率随电流增大而下降的现象,在晶体管模型中引入模型参数ITF。,体管的频率特性,最高振荡频率,为了表示晶体管具有功率放大作用的频率极限,使晶体管功率增益下降为1的频率称为最高振荡频率。如果用晶体管组成振荡器
7、,降输出功率群不反馈到输入端,则能维持振荡状态。若频率再高,则振荡难以维持。称之为最高振荡频率。,体管的频率特性,基区串联电阻,基极电流要横向通过很窄的基区通道。呈现一定的基区串连电阻。基区串联电阻上产生横向压降,导致工作电流较大时电流增益的下降。基区串联电阻过大引起最高振荡频率的下降。,体管的频率特性,减小基区串联电阻的方法,将通常采用的单基极的晶体管结构改为双基极结构。增加发射极和基极的长度,同时减少其宽度和间距。提高基区参杂和增大基区宽度。,器件结构,N沟道EMOS管工作原理,MOS管仅依靠一种载流子(多子)导电,故称单极型器件。,三极管中多子、少子同时参与导电,故称双极型器件。,利用半
8、导体表面的电场效应,通过栅源电压VGS的变化,改变感生电荷的多少,从而改变感生沟道的宽窄,控制漏极电流ID。,MOSFET工作原理:,数学模型:,此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器:,VDS很小MOS管工作在非饱区时,ID与VDS之间呈线性关系:,其中:W、L为沟道的宽度和长度。,COX(=/OX)为单位面积的栅极电容量。,注意:非饱和区相当于三极管的饱和区。,饱和区,特点:,ID只受VGS控制,而与VDS近似无关,表现出类似三极管的正向受控作用。,沟道预夹断后对应的工作区。,考虑到沟道长度调制效应,输出特性曲线随VDS的增加略有上翘。,注意:饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区
9、。,数学模型:,若考虑沟道长度调制效应,则ID的修正方程:,工作在饱和区时,MOS管的正向受控作用,服从平方律关系式:,其中:称沟道长度调制系数,其值与l 有关。,通常=(0.005 0.03)V-1,截止区,特点:,相当于MOS管三个电极断开。,沟道未形成时的工作区,条件:,VGS VGS(th),ID=0以下的工作区域。,IG0,ID0,击穿区,VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿 ID剧增。,VDS沟道 l 对于l 较小的MOS管穿通击穿。,第三章 集成电路制造工艺,知识点:3.1 平面工艺的基本概念 掺杂 补偿 平面工艺的NPN的工艺流程 PN结隔离的双极IC工艺流程 两者的区别 3
10、.2 选择性掺杂 氧化工艺的作用3.3 扩散工艺的作用 方块电阻 结深 3.4 离子注入的特点3.5 特征尺寸 3.7 外延生长在双极晶体管实现中的作用3.8 金属化互连系统 3.10 PN结隔离 介质隔离 MOS中场区寄生晶体管效应 3.12 CMOS集成电路的定义工艺 1 N阱生成(N阱氧化、N阱光刻、N阱掺杂)2 有源区确定和场氧氧化(淀积氮化硅、场氧光刻、场氧氧化)3 栅氧和硅栅的生成(栅氧生成、多晶硅淀积、多晶硅光刻)4 生成,平面工艺的基本原理,集成电路技术的核心 由于半导体器件和集成电路是由不同的N型和P型区域组合构成 的,因此,以掺杂为手段,通过补偿作用形成不同类型半导体区 域
11、,是制造半导体器件的基础。而选择性掺杂则是集成电路制 造技术的核心。下面是一个NPN晶体管剖面结构示意图。,基本NPN晶体管工艺流程和版图,1.实现选择性掺杂的三道基本工序2.晶体管管芯制备的工艺流程3.晶体管版图,基本NPN晶体管工艺流程和版图,1.实现选择性掺杂的三道基本工序(1)氧化 Si+O2=SiO2,基本NPN晶体管工艺流程和版图,1.实现选择性掺杂的三道基本工序(2)光刻:与常规的洗像原理相同。,基本NPN晶体管工艺流程和版图,1.实现选择性掺杂的三道基本工序(3)扩散掺杂:扩散是一种常见的自然现象。在IC生产中,扩散的同时进行氧化。,基本NPN晶体管工艺流程和版图,晶体管管芯制
12、备的工艺流程,PN结隔离工艺流程,衬底硅片(P型)外延生长N型硅 隔离氧化 隔离光刻 隔离扩散,PN结隔离双极IC工艺基本流程,PN结隔离双极IC工艺基本流程,PN结隔离双极IC工艺基本流程 衬底材料(P型硅)埋层氧化埋层光刻埋层掺杂(Sb)-外延(N型硅)-隔离氧化隔离光刻隔离掺杂(B)基区氧化基区光刻基区掺杂(B)和发射区氧化 发射区光刻发射区掺杂(P)和氧化 引线孔光刻淀积金属化层 反刻金属互连线合金化 后工序结论:PN结隔离双极IC基本工艺包括6次光刻,因此 版图中包括6个层次。,CMOS 反相器,p+,p+,p+,n,n+,n+,n+,p-type 衬底,氧化工艺,SiO2在集成电路
13、中的作用:*对杂质扩散的掩蔽作用:可以实现选择性掺杂(平面工艺的最核心内容);SiO2需要一定厚度。*作为栅氧化层:厚度越来越小,几百。*作为钝化层:避免后工序可能带来的杂质沾污;减弱环境气氛对器件的影响。*作为互连层之间的绝缘介质:电阻率高达1016欧姆厘米*作为IC中电容的介质,氧化工艺,SiO2生长方法之热氧化:原理:若氧化物质为O2:SiO2SiO2 若氧化物质为水汽:Si2H2OSiO22H2 氧气氧化:干氧:氧气与Si在高温下(例如10001200)直接反应;结构致密,干燥,生长速度慢。湿氧:氧气经过已加热到95的高纯水,和水汽一起在高温 下与硅反应;质量略差,生长速度快。真正工艺
14、:干氧湿氧干氧,光刻工艺,光刻工艺的特征尺寸反映了光刻水平的高低,同时也是集成电路生产线水平的重要标志。通常直接用特征尺寸表征生产线的工艺水平。在设计集成电路版图时,必须考虑光刻工艺能刻蚀出的最细线条尺寸以及不同层次图形之间的套刻精度。“光刻”的基本原理是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应,结合刻蚀方法在各种薄膜上(如SiO2等绝缘膜和各种金属膜)制备出合乎要求的图形,以实现选择掺杂、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。,扩散工艺,扩散原理:由于热运动,任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运动,使其趋于均匀分布的趋势。杂质分布(a)恒定表面源扩散:扩散过程中半导体晶片始终暴露在具有恒定而均匀的杂
15、质源气氛中,使材料表面处杂质浓度恒定,不随时间变化。(b)有限表面源扩散:扩散前样片表面已有一薄层掺入了一定数量的杂质原子,即在整个扩散过程中硅内杂质总数保持不变。特点:在表面处杂质浓度最高,而且杂质浓度随着与表面距离的增加不断减小。结深 若样品中原来掺有另一种导电类型的杂质,浓度为N0,则在N(x,t)=N0处即为PN结的结深xj。若增加扩散时间,杂质不断向样品内部推移,结深xj也随之增加。若增加扩散温度,则扩散过程加快,结深xj也随之增加。,离子注入工艺,离子注入技术的特点:将杂质元素的原子经离化后变成带电的杂质离子,使其在强电场下加速,获得较高的能量(一般为几万到几十万电子伏特)后直接轰
16、击到半导体基片中(称为靶片),再经过退火,使杂质激活,在半导体片内形成一定的杂质分布。特点:可以在较低温度下(400)进行,避免了高温处理。(b)通过控制注入时的电学条件(电流、电压)可精确控制浓度和结深,更好地实现对杂质分布形状的控制。而且杂质浓度不受材料固溶度的限制。(c)可选出单一种元素进行注入,避免混入其他杂质。(d)可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层。同一晶片上杂质不均匀性优于1,且横向掺杂比热扩散小得多。(e)控制离子束的扫描区域,可实现选择注入并进而发展为一种无掩膜掺杂技术。,金属层淀积工艺,真空蒸发方法 在高真空中使金属原子获得足够能量,脱离金属表面束缚成为蒸汽原子,在其飞行途
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