2.2 集成电路材料
导电能力可以分为导体、半导体和绝缘体三 类 。是微电子系统则应用到所有三类材料 。
分类
材料
导体
铝（Al）、金（Au）、钨（W）、铜（Cu）等金 属，镍铬（NiCr）等合金；重掺杂的多晶硅
电导率 （S·cm-1）
~ 105
半导 硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、磷化铟 体 （GaP）、氮化镓（GaN）等
空带
所有能级均未被电子填充的能带。由原子的激发态能级分裂而 成，正常情况下是空的。当有激发因素（热激发、光激发等） 时，价带中的电子能够被激发进入空带。在外电场作用下，这 些电子的转移同样可以形成电流。所以，空带也是导带的一种。
禁带
在能带之间的能量间隙区，由于量子力学限制电子不能填充， 这段能级区域称为禁带。导带和价带之间的禁带宽度对晶体的 导电性有重要的作用。禁带不是一定存在的，如果上下能带重 叠，其间的禁带就不存在 。
（a）砷化镓材料的闪锌矿结构
（b）硅材料的金刚石结构
2.3.2 固体能带结构基础
2.3.2.1能带的形成
对单个原子而言，电子在原子核外运动的轨迹是 分立能级
如果两个相同原子相互靠近，由于原子的相互作 用，使得较高能级将分裂成邻近的两个能级，以 满足泡利不相容原理
当大量相同原子靠近并按 照周期性排列后，它们相 互作用并形成周期势场， 导致能级发生分裂。
晶体：宏观上具有对称的几何外形，微观上原子或离子呈现在空间 有规则的周期性的排列。如用来制作集成电路的硅、锗、砷化镓等。 晶体的性质与这种内在的周期性有关，内在的周期性导致电子共有 化运动。
非晶体：无论是否完整都没有固定的形状。如玻璃、橡胶等。
电子共有化
晶体中大量原子 有规则排列,晶体中形成了 如图所示的周期性势场,电子在这种周期性的势场 中运动, 对于高能级的电子，其能量超过势垒高 度，电子可以在整个固体中自由运动。对于能量
价带(valence band Ev)
共价电子所在能级分裂后形成的能带。理想情况下，在价带之 上能带是空的，没有电子 ，在价带之下的能带则是全部填满 的。在半导体中，价带就是能带最高的满带。
导带(conduction band EC)
电子部分填充的能带。导带中的电子容易在外场下运动而形成 电流，所以称为导带。对半导体而言，导带则是紧邻价带的那 个“空带”。
2.3.2.2 导体、绝缘体和半导体的能带结构
量子力学计算表明，固体中若有N个原子， 由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原 子的每一个能级,变成了N条靠得很近的能级， 称为能带。
能带的宽度记作E ，数量级为 E～eV。 能带的一般规律
（1） 外层电子共有化程度显著，能带宽度较宽；
内层电子相应的能带较窄。 （2） 点阵间距越小，能带越宽，E越大。 （3） 两能带有可能重叠。
第二章 集成电路材料与器件物理基础
2.1 引言 2.2 集成电路材料 2.3 半导体基础知识 2.4 PN结与结型二极管 2.5 双极型晶体管 2.6 MOS晶体管的基本结构与工作原理 2.7 金属半导体场效应晶体管MESFET 2.8 本章小结
2.1 引言
集成电路是当今人类智慧结晶的最佳载体，其 强大无比的功能产生于一系列重大的理论发现、重 要的材料特性、奇特的结构构思、巧妙的技术发明 和孜孜不倦的工艺实验。从某种意义上讲，集成电 路设计者就是这一系列理论和技术的“集成”者。 要实现这个集成，首先要对这些理论、材料、结构、 技术与工艺基础等进行全面而深入的理解。本章主 要简单介绍制造集成电路的关键材料、半导体材料 的基础，以及典型器件的工作原理及其物理基础。
能带中的电子排布服从泡利不相容原理和能量最低原 理。电子根据泡利不相容原理先填满能级低的能级再 填能级较高的能级。能带出现五种情况
（a）导带部分填充情况
（b）导带为空带价带为满带，且禁带较窄的情况
满带
能带中各能级都被电子填满。通常发生在内层能带（电子能量 较低）。满带中的电子不能起导电作用。
而半导体材料，也是集成电路制造中的核心 材料，则主要利用半导体掺杂以后形成P型 和N型半导体，在导体和绝缘体材料的连接 或阻隔下组成各种集成电路的元件—半导体 器件。 半导体材料在集成电路的制造中起着 根本性的作用。
2.3半导体基础知识
2.3.1 固体的晶体结构 固体分为晶体和非晶体两大类。
低于势垒高度的电子,也有一定的贯穿概率。
价电子不再为单
个原子所有,而为整个
晶体所共有的现象称为 a
晶体中周期性的势场
晶体原子在空间的周期排列就形成了具有一定几何 外形的晶体，通常将这种周期排列称为晶格。
较为常见的主要有简单立方、体心立方、面心立方 和金刚石结构。
砷化镓材料是一种面心立方；而硅和锗都是金刚石 结构。
10-9 ~ 10 2
绝缘 二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、氮化硅 体 （Si3N4）等
10 -22 ~ 10 -14
作为导体，铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金在集 成电路工艺中主要具有如下功能：
（1）构成低值电阻； （2）构成电容元件的极板； （3）构成电感元件的绕线； （4）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构； （5）与轻掺杂半导体构成肖特基结接触； （6）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触； （7）构成元器件之间的互连； （8）构成与外界焊接用的焊盘。
重掺杂的多晶硅电导率接近导体，因此常常被作为导体看 待，主要用来构成MOS晶体管的栅极以及元器件之间的短 距离互连。
作为绝缘体，二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅的氧 化物和氮化物在集成电路工艺中主要具有如下功能：
（1）构成电容的绝缘介质； （2）构成金属-氧化物-半导体器件（MOS）的栅绝缘层； （3）构成元件和互连线之间的横向隔离； （4）构成工艺层面之间的垂直隔离； （5）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。