信息材料基础微电子材料与器件.pptx
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1、2.1 半导体物理基础半导体物理基础2.1.1半导体性质半导体性质电导率介于金属和绝缘体之间的材料称为半导体。电导率介于金属和绝缘体之间的材料称为半导体。纯净半导体的电导率随温度升高而指数增加纯净半导体的电导率随温度升高而指数增加杂质的种类和数量决定着半导体的电导率杂质的种类和数量决定着半导体的电导率可以实现非均匀掺杂可以实现非均匀掺杂半导体的电导率受光辐照和高能电子等的影响半导体的电导率受光辐照和高能电子等的影响硅硅(Si)、锗、锗(Ge)原子结构及简化模型:原子结构及简化模型:+14 2 8 4+32 2 8418+4价电子价电子惯性核惯性核完全纯净的半导体称为本征半导体。它们是完全纯净的
2、半导体称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。制造半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和锗共价键结构示意图:硅和锗共价键结构示意图:共价键共价键本征半导体本征半导体q当当T升高或光线照射时升高或光线照射时产生自由电子空穴对。产生自由电子空穴对。q共价键具有很强的结合力。共价键具有很强的结合力。当当T=0K(无外界影(无外界影响)时,共价键中无自由移动的电子。响)时,共价键中无自由移动的电子。这种现象称这种现象称本征激发本征激发。本征激发本征激发当当原原子子中中的的价价电电子子激激发发为为自自由由电电子子时时,原原子子中中留留下空位,同时原子因失去价电子而带正电。下空
3、位,同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动,该运动可等效地看作是一种运动,该运动可等效地看作是空穴的运动空穴的运动。注意:注意:空穴运动方向与价电子填补方向相反。空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子自由电子带负电带负电半导体中有两种导电的载流子半导体中有两种导电的载流子空穴的运动空穴的运动空空穴穴带正电带正电温度一定时:温度一定时:激发与复合在某一热平衡值上达到激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。动态平衡。热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度:热平衡载流子浓度:本征半导体中本征半导体中本征
4、激发本征激发产生自由电子空穴对。产生自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量电子和空穴相遇释放能量复合。复合。T导电能力导电能力ni或光照或光照热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性vN N型半导体:型半导体:杂质半导体杂质半导体+4+4+5+4+4简化模型:简化模型:N型半导体型半导体多子多子自由电子自由电子少子少子空穴空穴自由电子自由电子本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量五价五价元素构成。元素构成。v P P型半导体型半导体+4+4+3+4+4简化模型:简化模型:P型半导体型半导体少子少子自由电子自由电子多子多子空穴空穴空空穴穴本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量三价三价元素构成。元素构
5、成。2.1.2半导体能带结构半导体能带结构电子共有化量子态能级电子共有化量子态能级电子填充能带模型电子填充能带模型当原子组合成晶体后,电子的量子当原子组合成晶体后,电子的量子态将发生质的变化,它不再是固定态将发生质的变化,它不再是固定于个别原子上运动,而是穿行于整于个别原子上运动,而是穿行于整个晶体中,电子运动的这种变化称个晶体中,电子运动的这种变化称为为“共有化共有化”。施主能级施主能级受主能级受主能级2.1.3半导体材料分类半导体材料分类元素半导体:元素半导体:Si、Ge、P、C化合物半导体:化合物半导体:GaAs、GaP、GaN固溶体半导体:固溶体半导体:Si-Ge、Ga1-xAlxAs
6、、HgxCd1-xTe超晶格半导体:超晶格半导体:GaAs/AlGaAs组分型、掺杂型、应变型组分型、掺杂型、应变型2.2.1p-n结的形成结的形成2.2集成电路基础集成电路基础由于由于N型半导体中有富裕的自由电子,而型半导体中有富裕的自由电子,而P型半型半导体中有富裕的自由的空穴,所以当导体中有富裕的自由的空穴,所以当P型和型和N型半导型半导体接触时,体接触时,P型半导体中的空穴就会向型半导体中的空穴就会向N型中扩散,型中扩散,而而N型半导体中的电子向型半导体中的电子向P型中扩散,结果是型中扩散,结果是P型端型端带负电,而带负电,而N型端带正电。因而会形成型端带正电。因而会形成内建电场内建电
7、场,内,内建电场的方向从建电场的方向从N型端指向型端指向P型端,从而又阻止电子型端,从而又阻止电子和空穴的扩散。最后,依靠电子和空穴浓度梯度的和空穴的扩散。最后,依靠电子和空穴浓度梯度的扩散和内建电场的电作用达到平衡,在接触面附近扩散和内建电场的电作用达到平衡,在接触面附近形成一个耗尽层,即形成一个耗尽层,即p-n结结。利用掺杂工艺,把利用掺杂工艺,把P P型半导体和型半导体和N N型半导体在原子型半导体在原子级上紧密结合,级上紧密结合,P P区与区与N N区的交界面就形成了区的交界面就形成了PNPN结。结。掺杂掺杂N型型P型型PN结结p-n结的形成结的形成半导体半导体PN结能带图结能带图半导
8、体半导体PN结能带图结能带图2.2.2双极型晶体管双极型晶体管由两个相距很由两个相距很近的近的PN结组成结组成又称三极管又称三极管NPN晶体管的偏置情况晶体管的偏置情况在正常使用条件下,晶体管发射结加正向小电压,称在正常使用条件下,晶体管发射结加正向小电压,称为正向偏置;收集结加反向大电压,称为反向偏置。为正向偏置;收集结加反向大电压,称为反向偏置。具有具有放大信号放大信号的功能。的功能。2.2.3场效应晶体管(场效应晶体管(FET)场效应晶体管分类场效应晶体管分类S源极;源极;G栅极;栅极;D漏极漏极MOS场效应晶体管的结构场效应晶体管的结构N沟沟MOSFET,电位低的一端为源,电位高的为漏
9、;,电位低的一端为源,电位高的为漏;P沟沟MOSFET,电位高的一端为源,电位低的为漏;,电位高的一端为源,电位低的为漏;MOS场效应晶体管场效应晶体管结型场效应管结型场效应管金属半导体场效应管金属半导体场效应管NN2.2.4集成电路发展简史集成电路发展简史58年,锗年,锗IC59年,硅年,硅IC61年,年,SSI(10100个元件个元件/芯片)芯片)62年,年,MOSIC63年,年,CMOSIC64年,线性年,线性IC65年,年,MSI(1001000个元件个元件/芯片)芯片)69年,年,CCD70年,年,LSI(100010万个元件万个元件/芯片)芯片),1KDRAM71年,年,8位位MP
10、UIC,400472年,年,4KDRAM,I2LIC77年,年,VLSI(10万万1000万个元件万个元件/芯片)芯片),64KDRAM,16位位MPU80年,年,256KDRAM,2 m84年,年,1MDRAM,1 m85年,年,32位位MPU,M6802086年,年,ULSI(1000万万10亿个元件亿个元件/芯片),芯片),4MDRAM(8106,91mm2,0.8 m,150mm),于于89年开始商业化生产,年开始商业化生产,95年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。88年,年,16MDRAM(3107,135mm2,0.5 m,200mm),),于于92年开始商业化生产,年开始商业化生产,
11、97年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。91年,年,64MDRAM(1.4108,198mm2,0.35 m,200mm),),于于94年开始商业化生产,年开始商业化生产,99年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。92年,年,256MDRAM(5.6108,400mm2,0.25 m,200mm),),于于98年开始商业化生产,年开始商业化生产,2002年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。95年,年,GSI(10亿个元件亿个元件/芯片),芯片),1GDRAM(2.2109,700mm2,0.18 m,200mm),),2000年开始商业化生产,年开始商业化生产,2004年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。97年
12、,年,4GDRAM(8.8109,986mm2,0.13 m,300mm),),2003年进入商业化生产。年进入商业化生产。人的大脑:人的大脑:人的大脑:人的大脑:约有约有140亿个脑细胞,每个脑亿个脑细胞,每个脑细胞可完成细胞可完成“异或异或”或或“或非或非”功能,长度功能,长度约为约为150 m,消耗的能量约为,消耗的能量约为0.2pJ。比一比!比一比!大规模集成技术:大规模集成技术:大规模集成技术:大规模集成技术:可在可在14cm2的面积上制的面积上制作出作出140亿个具有同样功能的器件,每个器件亿个具有同样功能的器件,每个器件的长度约为的长度约为15 m,消耗的能量约为,消耗的能量约为
13、0.005pJ,工作寿命可达工作寿命可达10亿小时以上。亿小时以上。集成电路工业发展的第一定律即所谓集成电路工业发展的第一定律即所谓摩尔定律摩尔定律摩尔定律摩尔定律。Intel公司的创始人之一公司的创始人之一戈登戈登摩尔摩尔先生在先生在1965年年4月月19日发日发表于表于电子学杂志电子学杂志上的文章中提出,集成电路的能力将每年上的文章中提出,集成电路的能力将每年翻一番。翻一番。1975年,他对此提法做了修正,称集成电路的能力年,他对此提法做了修正,称集成电路的能力将每两年翻一番。将每两年翻一番。摩尔定律现在的表达是:在价格不变的情况下,摩尔定律现在的表达是:在价格不变的情况下,集成电路集成电
14、路集成电路集成电路芯片上的晶体管数量每芯片上的晶体管数量每芯片上的晶体管数量每芯片上的晶体管数量每 1818 个月翻一番,即每个月翻一番,即每个月翻一番,即每个月翻一番,即每 3 3 年乘以年乘以年乘以年乘以 4 4。2.2.5集成电路的发展规律集成电路的发展规律集成电路工业发展的另一些规律为集成电路工业发展的另一些规律为集成电路工业发展的另一些规律为集成电路工业发展的另一些规律为建立一个芯片厂的造价也是每建立一个芯片厂的造价也是每建立一个芯片厂的造价也是每建立一个芯片厂的造价也是每 3 3 年乘以年乘以年乘以年乘以 4 4;线条宽度每线条宽度每线条宽度每线条宽度每 6 6 年下降一半;年下降
15、一半;年下降一半;年下降一半;芯片上每个器件的价格每年下降芯片上每个器件的价格每年下降芯片上每个器件的价格每年下降芯片上每个器件的价格每年下降 30%30%40%40%;晶片直径的变化:晶片直径的变化:晶片直径的变化:晶片直径的变化:60年:年:0.5英寸,英寸,65年:年:1英寸,英寸,70年:年:2英寸,英寸,75年:年:3英寸,英寸,80年:年:4英寸,英寸,90年:年:6英寸,英寸,95年:年:8英寸(英寸(200mm),),2000年:年:12英寸(英寸(300mm)。)。2.2.6集成电路分类集成电路分类按集成电路功能按集成电路功能:数字集成电路和模拟集成电路:数字集成电路和模拟集
16、成电路按结构形式分类按结构形式分类:半导体集成电路、膜集成电路和:半导体集成电路、膜集成电路和混合集成电路混合集成电路按有源器件类型和工艺按有源器件类型和工艺:双极型集成电路和:双极型集成电路和MOS集成电路集成电路按规模大小分类按规模大小分类:小规模、中规模、大规模、超大:小规模、中规模、大规模、超大规模、甚大规模、巨大规模。规模、甚大规模、巨大规模。指在一块玻璃或陶瓷基片上,用膜形指在一块玻璃或陶瓷基片上,用膜形成技术和光刻技术等形成的多层金属成技术和光刻技术等形成的多层金属和金属氧化物膜构成电路中全部元器和金属氧化物膜构成电路中全部元器件及其互联而实现某种电路功能的集件及其互联而实现某种
17、电路功能的集成电路。成电路。2.2.7 集成电路的发展展望集成电路的发展展望目标:集成度目标:集成度、可靠性、可靠性、速度、速度、功耗、功耗、成本、成本努力方向:线宽努力方向:线宽、晶片直径、晶片直径、设计技术、设计技术199219951998200120042007比特比特/芯片芯片16M64M256M1G4G16G特征尺寸特征尺寸(m)0.50.350.250.180.120.07晶片直径晶片直径(mm)200200200400200400200400200400美国美国19922007年半导体技术发展规划年半导体技术发展规划美国美国19972012年半导体技术发展规划年半导体技术发展规划
18、1997199920012003200620092012比特比特/芯片芯片256M1G4G16G64G256G特征尺寸特征尺寸(m)0.250.180.150.130.10.070.05晶片直径晶片直径(mm)200300300300300450450我国国防科工委对世界硅微电子技术发展的预测我国国防科工委对世界硅微电子技术发展的预测200020102020集成度集成度1G64G256G特征尺寸特征尺寸(m)0.180.100.070.050.01晶片直径晶片直径(mm)300400450可以看出,专家们认为,可以看出,专家们认为,至少在未来至少在未来至少在未来至少在未来 1010 年内,年内
19、,年内,年内,ICIC的发展的发展的发展的发展仍将遵循摩尔定律,仍将遵循摩尔定律,仍将遵循摩尔定律,仍将遵循摩尔定律,即集成度每即集成度每3年乘以年乘以4,而线宽则是每,而线宽则是每6年下降一半。年下降一半。硅技术过去一直是,而且在未来的一段时期内也还将是微硅技术过去一直是,而且在未来的一段时期内也还将是微硅技术过去一直是,而且在未来的一段时期内也还将是微硅技术过去一直是,而且在未来的一段时期内也还将是微电子技术的主体。电子技术的主体。电子技术的主体。电子技术的主体。目前硅器件与集成电路占了目前硅器件与集成电路占了2000多亿美元的多亿美元的半导体市场的半导体市场的95%以上。以上。硅微电子技
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