主要内容：2.1 了解集成电路材料2.2 半导体基础知识2.3 PN结与结型二极管2.4 双极型晶体管基本结构与工作原理2.5 MOS晶体管基本结构与工作原理2.1 了解集成电路材料集成电路中应用到的三种材料：导体(conductor)、半导体(semi-conductor)、绝缘体(isolator).表2.1 集成电路制造所应用到的材料分类半导体材料的特性：◆掺杂特性：通过掺入杂志可以改变半导体的电导率例子：在室温300C时，在纯净锗中掺入亿分之一的杂质，电导率会增加几百倍。

◆热特性：当半导体受到外界热的刺激时，其导电能力将发生显著变化。

例子：半导体热敏器件，温度传感器◆光敏特性：光照可以改变半导体的电导率，通常成为半导体的光电效应。

例子：光敏电阻、光电二极管、光电耦合器◆发光特性：多种由半导体材料形成的结构中，当注入电流时，会发射出光，，从而可以制造出发光二极管和激光二极管。

硅(Si)◆原材料丰富：占地球元素总量的25％，仅次于氧◆纯化制作容易，成本较低◆市场上90％的IC产品都是基于Si工艺的砷化镓(GaAs)◆能工作在超高速超高频，其原因在于这些材料具有更高的载流子迁移率，和近乎半绝缘的电阻率◆主要有三种有源器件：MESFET、HEMT、HBT磷化铟(InP)◆广泛应用于光纤通信系统中绝缘材料◆SiO2 、SiON和Si3N4是IC 系统中常用的几种绝缘材料◆作用：a：实现器件、导线之间的电隔离b：充当离子注入及热扩散的阻挡层c：作为器件表面的钝化层，保护器件不受外界影响金属材料(重点)◆金属材料有三个功能：a：形成器件本身的接触线b：形成器件间的互连线c：形成焊盘◆半导体表面制作了金属层后，根据金属的种类及半导体掺杂浓度的不同，可形成肖特基型接触或欧姆接触a：如果掺杂浓度较低，金属和半导体结合面形成肖特基型接触，构成肖特基二极管。

b：如果掺杂浓度足够高，使隧道效应可以抵消势垒影响，那么就形成了欧姆接触。

◆器件互连材料包括金属，合金，多晶硅，金属硅化物a：在Si基VLSI技术中，由于Al几乎可满足金属连接所有要求，被广泛用于制作欧姆接触及导线b：铜的电阻率为1.7 ⋅Ωμcm,比铝3.1 ⋅Ωμcm的电阻率低, 后,以铜代铝将成为半导体技术发展的趋势c：硅铝、铝铜、铝硅铜等合金已用于减小峰值、增大电子迁移率、增强扩散屏蔽，改进附着特性等。

d：非掺杂的多晶硅薄层实质上是半绝缘的，电阻率为300 Ω·cm 。

通过不同杂质的组合，多晶硅的电阻率可被控制在500—0.005 Ω·cm，主要用于FET管的栅极、高精度电阻。

◆IC工艺的多层布线工艺VLSI至少采用两层金属布线。

第一层金属主要用于器件各个极的接触点及器件间的部分连线，这层金属通常较薄，较窄，间距较小。

第二层主要用于器件间及器件与焊盘间的互联，并形成传输线。

寄生电容大部分由两层金属及其间的隔离层形成。

2.2 半导体基础知识2.2.1 半导体晶体结构晶体：是原子、离子或分子按照一定的周期性，结晶过程中，在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的电子称为价电子。

它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。

共价键中的电子为这些原子所共有，并被它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。

硅晶体平面结构图硅晶体立体结构图2.2.2 本征半导体与杂质半导体本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。

制造半导体器件的材料的纯度必须达到99.9999999%。

本振半导体的特性:1. 热力学绝对零度和没有外界能量激发时，价电子受共价健束缚，晶体中不存在自由移动的电子，半导体不能导电。

2.当受到光照或温度升高的影响，某些共价健中的价电子获得了足够的能量，足以摆脱共价健的束缚，越升到导带，成为自由电子。

3.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，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等。

人们常称这种呈现正电性的空位为空穴。

4.本征激发：由热激发产生的跃迁过程，也叫热激发。

5.由本征激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。

游离的自由电子也可以回到空穴中去，称为复合。

本征激发和复合在一定温度下达到平衡。

6.空穴的移动：自由电子的定向移动形成电子电流。

空穴的定向运动也可以形成空穴电流，不过方向相反。

空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子一次填充空穴来实现的，因此空穴的导电能力不如自由电子。

杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性能发生显著变化。

掺入的杂质主要是3价或5价元素，掺入杂质后的本征半导体叫杂质半导体。

1)N型半导体在本征半导体中掺入5价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体，N型半导体的载流子为电子。

解析：因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。

在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。

2)P型半导体本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成P型半导体，也称为空穴型半导体。

因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。

三价杂质因而也称为受主杂质。

P型半导体的结构示意图2.3 PN结与结型二极管PN结定义：在一块完整的晶体上，利用掺杂的方法使晶体内部形成相邻的P型半导体区和N型半导体区，在这两个区的交接面处就形成了PN结。

物理过程：扩散前：P型半导体――多子空穴、不能移动的负离子、本征激发产生的电子孔穴对N型半导体――多子电子、不能移动的正离子、本征激发产生的电子空穴对整个半导体呈电中性扩散：载流子浓度差形成扩散，P区中的空穴向N区扩散，在P区中留下带负电荷的受主杂质；N区中的电子向P区扩散，在N区中留下带正电荷的施主杂质离子．复合：由P区扩散到N区中的空穴将逐渐与N区中的自由电子复合，；同样，由N区扩散到P区中的自由电子将逐渐与P区中的空穴复合。

形成耗尽层：由漂移和复合过程在紧靠接触面的两边形成了数值相等、符号相反的一层很薄的空间电荷区，成为耗尽层。

PN结的平衡：在耗尽区中正负离子产生一个电场，这个电场一方面阻止了扩散运动的继续进行，另一方面将产生漂移在作用，最后达到动态平衡。

PN结型二极管在半导体PN结的左右两面加上欧姆接触的电极，就得到由PN结构成的半导体二极管。

PN结二极管原理性结构符号PN结二极管I-V特性曲线1)PN结加正向电压下的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN 结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。

内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。

扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响, PN 结呈现低阻性。

2) PN结加反向电压下的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。

内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。

此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本身就很小，PN结呈现高阻性。

在一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

(1)D D S qV I I e kT =- PN 结外加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN 结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN 结具有单向导电性。

2.4 双极型晶体管结构在半导体的晶体中形成两个靠得很近得PN 结即可构成双极型晶体管。

特点：1) 发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区2)基区很薄，集电结的面积大于发射结的面积◆工作原理1)四中工作状态发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态；发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态；发射结反偏，集电结也反偏时，为截止工作状态；发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。

2) NPN晶体管放大工作状态分析发射结通过V BE正偏，集电结通过V BC反偏，三个电极的电势从高到低依次为：集电结－基极－发射结。

发射极电子注入：发射结正偏，发射结宽度变窄，扩散运动占优势，高掺杂发射区的大量电子注入到基区，形成电子电流I E。

基区复合：电子成为少子，继续向集电结方向扩散。

同时与基区的多子空穴复合，形成基极复合电流I B.集电极漂移：大部分电子到达集电结边界，在电场作用下，漂移到集电极形成集电极电流I C。

双极晶体管的放大作用就用正向电流放大倍数βF来描述,βF定义为：β F =I C/I B。