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微电子学复习资料编者：陈瑶 李睿洋 王康Chapter 1 绪论三次产业革命：①1774年瓦特发明蒸汽机，触发了第一次产业革命，产生了近代纺织业和机械制造业 ②第二次技术革命是以电气化为代表的③第三次技术革命包含了新材料、新能源、生物工程、海洋工程、航空航天技术和电子信息技术等，但是影响最大、渗透性最强、最具有新技术革命代表性的是以微电子技术为基础的电子信息技术实现社会信息化地关键是各种计算机和通信设备，但是其基础都是微电子微电子技术不仅在节能、节材等方面能够使传统产业升级换代，而且还可以使传统产品结构、性能等方面发生革命性的质的变化晶体管的三个效应：①晶体管在光照射下电阻变小的光电导效应（1873年发现） ②晶体管和金属接触在光照射下产生电动势的半导体光生伏特效应（1877年发现） ③金属和硅晶体接触产生整流作用的半导体整流效应（1906年发现）世界上第一个点接触型晶体管在1947年12月诞生单晶锗npn结型晶体管晶体管是20世纪最伟大的发明之一，晶体管拉开了人类社会步入电子时代的序幕它对人类社会的所有领域，包括生活、生产甚至战争都产生了并且还正在产生着深刻的影响。

什么是集成电路？集成度的概念？集成电路（简称IC）是指通过一系列特定的加工工艺将多个晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路连接集成在一块半导体单晶片（如Si或GaAs等）或陶瓷等基片上，作为一个不可分割的整体执行某一特定功能的电路组件集成度是指单块芯片上所容纳的器件数目集成电路的发展得益于许多新工艺的发明：1.离子注入工艺；2.扩散工艺；3.外延长工艺；4.光刻工艺什么是MOS、pMOS、nMOS、CMOS？MOS器件分为NMOS和PMOS,而CMOS是指互补的MOS管组成的电路，也就是PMOS,NMOS组成,NMOS是指沟道在栅电压控制下p型衬底反型变成n沟道，靠电子的流动；PMOS是指 n型衬底反型变成p沟道，靠空穴的流动缩写词：IC----集成电路 chip-------芯片 VLSI----超大规模集成电路 ULSI----特大规模集成电路（S-小 M-中 L-大 VL-超大 UL-特大 G-巨大）解释微电子学：微电子学是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路子系统及系统的电子学分支。

微电子学的特点：微电子主要是研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的科学其是以实现电路和系统的集成为目的的，故实用性比较强微电子学是信息领域的重要基础学科；微电子学是一门综合性很强的边缘学科；微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学的发展方向微电子学的渗透性极强，它可以与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科 集成电路按结构分类按规模分类按功能分类数字电路按应用领域分类单片集成电路混合集成电路双极型MOS型pMOS\nMOS\CMOSBiCMOS型BiMOS\BiCMOS厚膜混合集成电路薄膜混合集成电路S\M\L\VL\UL\G(SI)数字模拟混合电路模拟电路组合逻辑电路时序逻辑电路线性电路非线性电路集成电路分类：Chapter 2 半导体物理和器件物理基础自然界中的物质大致可分为气体\液体\固体\等离子体四种基本形态半导体主要特点:1.在纯净的半导体材料中,电导率随温度的上升而指数增加;2.半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率,而且在掺入杂质的情况下,温度对电导率的影响较弱;3.在半导体中可以实现非均匀掺杂;4.光的辐照、高能电子等的注入可以影响半导体的电导率。

常见半导体：元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS施主杂质：V族杂质原子可以向半导体提供一个自由电子而本身成为带正电的离子，通常把这种杂质称为施主杂质N型半导体：当硅中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电子导电，这种依靠电子导电的半导体称为N型半导体受主杂质：Ⅲ族杂质原子可以向半导体硅提供一个空穴，而本身接受一个电子成为带负电的离子，通常把这种杂质称为受主杂质P型半导体：当硅中掺有受主杂质时，主要靠受主提供的空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体被称为P型半导体什么叫施主杂？什么叫受主掺杂？在半导体中掺入施主杂质叫施主掺杂在半导体中掺入受主杂质叫受主掺杂以硅为例，在硅晶体中，如果共价键中的电子获得足够的能量，能够摆脱共价键的束缚，成为可以自由运动的电子，这时在原来是的共价键上留下一个缺位，由于相邻共价键上的电子随时可以跳过来真补这个缺位，从而使缺位转移到相邻共价键上，即可以认为缺位也是能够移动的，这种可以自由移动的缺位称为空穴半导体就是靠电子和空穴移动而导电的，在半导体中电子和空穴统称为载流子能量最高的价电子所填充的能带，称为价带最低的没有被电子填充的能带通常称为导带。

能带之间的间隙称为禁带从一个能带到另一个能带之间的能量差称为禁带宽度在硅或锗中如果同时存在施主和受主杂质时，将相互补偿，这是因为导带和施主能级的能量比价带和受主能级要高得多，所以在导带或施主能级上的电子总是先去填充那些空的受主或价带能级杂质补偿原理：若用ND和NA表示单位体积内施主和受主的数目（即杂质浓度），在室温下NA就是受主和价带中空能级的数目如果，则个施主上的电子除了个填充空能级外，只剩下个电子可以电离到导带如果，则全部个施主电子都去填充空能级，于是个受主能级只剩下个是空的，即只有个能级可以电离而提供个空穴本征是指半导体本身的性质，以区别于外来掺杂的影响本征情况是指半导体中没有杂质而完全靠半导体本身提供载流子的理想情况本征半导体：半导体中没有杂质而完全靠半导体本身提供载流子的半导体本征载流子浓度，它与禁带宽度和温度有关n型和p型半导体的电导率分别为：n型：p型：（定义为载流子迁移率） 漂移：由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移扩散：基于载流子的浓度差异和随机热运动速度，载流子由高浓度区域向低浓度区域扩散平衡pn结是指没有外加偏压情况下的pn结正向注入效应：当在PN结上施加正向偏压时，外加电压方向与自建电场方向相反，削弱了空间电荷区中的自建电场，打破了扩散运动和漂移运动之间的相对平衡，载流子的扩散运动趋势超过漂移运动。

这时，将源源不断地有电子从N区扩散到P区，有空穴从P区扩散到N区，成为非平衡载流子，正向PN结的这一现象称为PN结正向注入效应正向的PN结电流输运过程：以N区注入到P区的电子电流为例:N区的电子漂移到边界XN,越过空间电荷区,注入到P区(少子), 成为电子扩散电流,与右面漂移过来的空穴不断复合,复合的过程使电子扩散电流不断地转换为空穴漂移电流.在XP’完成转换为空穴漂移电流反向抽取作用：当在PN结两端施加反向偏压时，外加电场方向与自建场方向相同，空间电荷区中的电场增强，打破了载流子漂移与扩散的动态平衡，空间电荷区中载流子的漂移趋势将大于扩散趋势，这时N区中的空穴一旦到达空间电荷区边界，就要被电场拉向P区，P区中的电子一旦到达空间电荷区的边界，就被电场拉向N区，这称为PN结反向抽取作用若栅电压为零时未形成反型层导电沟道，必须在栅上施加电压才能形成沟道的器件称为增强型（常断型）MOSFET；若在零偏压下存在反型层导电沟道，必须在栅上施加偏压才能使沟道内载流子耗尽的器件称为耗尽型（常通型）MOSFETPN结的形成原理如何？对于反偏和正偏电压增减，如何判断耗尽层宽度增减的情况？答：PN结的形成原理：当P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度差异，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。

但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使P区和N区中原来的电中性条件破坏了P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是PN结当加入正偏电压后，耗尽层宽度随着电压的增大而变窄，随着电压的减小而变宽当加入反偏电压后，耗尽层宽度随着电压的增大而变宽，随着电压的减小而变窄简述双极型晶体管的工作原理，三个区的特点如何？答：发射结正向偏置，在基区中存在电子的浓度梯度，发射结注入基区的电子将由基极与发射极之间的边界向基极与集电极之间的边界扩散，然后被集电结电场拉向集电区，并漂移通过集电区流出集电极注入基区的电子是非平衡载流子，在扩散通过基区的过程中会与空穴复合而损失掉一部分正向发射结同时还向发射区注入非平衡的少子空穴，注入到发射区的非平衡少子空穴在扩散过程中不断在与电子复合而转换为电子漂移电流基区中与电子复合的空穴和注入到发射区的空穴由基极提供，由基极注入的空穴一部分注入发射区，另一部分与注入基区的电子复合特点：发射区的掺杂浓度较高；基区较薄，掺杂浓度低；集电区面积较大。

简述NMOS的工作原理答：在正常工作条件下，MOSFET的漏源电压使源—衬底和漏—衬底的两个PN结反向偏置对于NMOS，通常源与衬底均接地，VS=VB=0；漏接正电压，VDS>0在栅极上加偏压VGS，若VGS

现今的特征尺寸为45nm，未来22nm①对于n管，画出②对于p管，画出③再在p一端接，n一端接P74，75Chapter 4 集成电路制造工艺要制造一块集成电路，需要经过集成电路设计、掩模版制造、原始材料制造、芯片加工、封装、测试等工序外延：在单晶衬底上生长单晶材料层的工艺也称为外延生长有外延层的衬底叫做外延片热氧化形成SiO2的机理：SiO2生长过程中硅和SiO2表面位置的变化情况，根据硅和SiO2的密度与分子量，可以得到消耗掉的硅层厚度与氧化层厚度之比为0.44，即生长的氧化层厚度为d时，则消耗掉的硅层厚度为0.44d（影响硅表面氧化速率的三个关键因素为：温度、氧化剂的有效性、硅层的表面势）光刻过程完成的是由掩模版到光刻胶的图形转移几种常见的光刻方法：接触式光刻、接近式光刻和投影式光刻正胶：曝光前不溶而曝光后变为可溶的，这种光刻胶称为。