VLSI 基础

文章目录

VLSI 基础
- 1. 基本概念
- 2. 两型半导体
- 3. PN结
- 4. 晶体管（场效应管）
- - 4.1 特点
  - 4.2 结构（以N沟道增强型场效应管为例）
  - 4.3 工作原理
- 5. CMOS工艺
- 参考资料

1. 基本概念

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用，如二极管就是采用半导体制作的器件。

无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。

常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，硅是各种半导体材料应用中最具有影响力的一种。

以硅为例，其为典型的半导体材料，根本原因在于其化学性质，硅原子位于元素周期表第IV主族，它的原子序数为Z=14，核外有14个电子。电子在原子核外，按能级由低硅原子到高，由里到外，层层环绕，这称为电子的壳层结构。硅原子的核外电子第一层有2个电子，第二层有8个电子，达到稳定态。最外层有4个电子即为价电子，它对硅原子的导电性等方面起着主导作用。

外层的四个价电子使得Si处于亚稳态结构，容易同其他原子形成共价键，从而形成稳定结构，VLSI产业常用的单晶硅片，就是纯净的硅原子之间形成共价键后经切割形成的产物。

2. 两型半导体

高纯度的单晶硅片十分稳定，为增强其导电性，一般向纯净的硅材料中掺入一定的其他元素从而改变其导电性能。

常见的是N型半导体和P型半导体，N型半导体通过向单晶硅中掺入5价元素形成，如砷。当砷原子代替单晶硅中的硅原子时，在保持原有的四个共价键的基础上，会多出一个电子，此时材料中自由电子的浓度多余空穴，材料带负电。此处的N为英文单词Negative，意为负电。

同理，P型半导体是通过在单晶硅中掺入3价元素形成，如硼，空穴浓度大于自由电子浓度，即P型半导体带正电，这里P为英文单词Positive，意为正电。

3. PN结

本节介绍PN结的基本知识，通过前面两节，P型和N型半导体都是通过向单晶硅中掺入特定的杂质得到的，那么为什么要这样做呢？因为人们可以通过控制掺入杂质的浓度来控制材料的导电性能，从而得到导电性能可控的材料。

两型半导体常见的应用是PN结，PN结的结构如下图所示。

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。

两种不同载流子的半导体材料放在一起时会形成奇妙的变化，其中P型半导体中空穴多，N型半导体中自由电子浓度大，使得自由电子向P型半导体转移，从而产生内电场。但是自由电子同时会受到N型半导体中原子的吸引（此时原子带正电），经过一段时间的运动，逐渐达到稳定状态，此时，在两种材料的接触面会形成一个不导电的区域，成为耗尽层。在耗尽层中，不存在自由电子和空穴，当然这样讲并不准确，严格来说，应该成为自由电子和空穴进出耗尽层的运行，达到动态平衡。

PN结的特性

从PN结的形成原理可以看出，若外加正向电场，可以使得PN结导通，形成线性的正向电流，若加反向电场，会扩大耗尽层，使得只有微弱的反向电流。因此PN结，具有单向导通、反向饱和漏电或击穿导体的特性。这也是晶体管、集成电路最基础、最重要的物理原理。在这里不详细分析PN结的特性，需要的话，可以查看参考资料。

4. 晶体管（场效应管）

本节介绍晶体管的相关基础概念，常见的晶体管是场效应管，主要有两种类型：结型场效应管和金属氧化物半导体场效应管，所有的场效应管的基础均是PN结。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（107～1015Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

4.1 特点

与双极型晶体管相比，场效应管具有如下特点。

（1）场效应管是电压控制器件，它通过VGS(栅源电压)来控制ID（漏极电流）；

（2）场效应管的控制输入端电流极小，因此它的输入电阻（107～1012Ω）很大。

（3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；

（4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；

（5）场效应管的抗辐射能力强；

（6）由于它不存在杂乱运动的电子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。

4.2 结构（以N沟道增强型场效应管为例）

图中是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底，在其面上扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2）绝缘层，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极）、S（源极）及D（漏极），如图所示。从图中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起，这样，相当于D与S之间有一个PN结。

4.3 工作原理

要使增强型N沟道MOSFET工作，要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS，则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。如图所示。

**若先不接VGS（即VGS=0），在D与S极之间加一正电压VDS，漏极D与衬底之间的PN结处于反向，因此漏源之间不能导电。**如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS时，在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子（空穴）的极性相反，所以称为“反型层”，这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被P型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流ID。当VGS增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道，这个临界电压称为开启电压（或称阈值电压、门限电压），用符号VT表示（一般规定在ID=10uA时的VGS作为VT）。当VGS继续增大，负电荷增加，导电沟道扩大，电阻降低，ID也随之增加，并且呈较好线性关系，如图3所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为，改变VGS来控制漏源之间的电阻，达到控制ID的作用。由于这种结构在VGS=0时，ID=0，称这种MOSFET为增强型。

因此栅极可以看作是否导通的开关，若VGS达到阈值，会使得两个N极之间的导通槽增大，两者连接，电阻减小，产生电流。

5. CMOS工艺

CMOS工艺是在PMOS和NMOS工艺基础上发展起来的。CMOS中的C表示“互补”，即将NMOS器件和PMOS器件同时制作在同一硅衬底上，制作CMOS集成电路。

CMOS集成电路具有功耗低、速度快、抗干扰能力强、集成度高等众多优点。CMOS工艺已成为当前大规模集成电路的主流工艺技术，绝大部分集成电路都是用CMOS工艺制造的。

CMOS电路中既包含NMOS晶体管也包含PMOS晶体管，NMOS晶体管是做在P型硅衬底上的，而PMOS晶体管是做在N型硅衬底上的，要将两种晶体管都做在同一个硅衬底上，就需要在硅衬底上制作一块反型区域，该区域被称为“阱”。根据阱的不同，CMOS工艺分为P阱CMOS工艺、N阱CMOS工艺以及双阱CMOS工艺。其中N阱CMOS工艺由于工艺简单、电路性能较P阱CMOS工艺更优，从而获得广泛的应用。

使用CMOS工艺一般使用P型衬底，在其上建造N阱。如上图中b所示。

为了更好的介绍CMOS具体工作原理，下面以反相器为例。

CMOS反相器

之前已经介绍过，CMOS其实是两个MOS的组合，一个是N沟道，一个P沟道。

以上图为例，左侧红框指出的部分为N沟道增强型场效应管，右侧下部为N型衬底，形成P沟道增强型场效应管。

若输入电压vi=0v_i=0vi=0，S2S_2S2接地，即左侧栅极和源极之间不存在电压，此时该管不导通。再看右边的P沟道晶体管，此时S1S_1S1为高电压，即漏极为高，栅极电压为0，也就是说，正好加了负电压，晶体管导通，在两个P型半导体中间形成P沟道，此时D1D_1D1为高电压。也就是说输出为高电压。

同理分析可得，输入电压为高时，输出电压为低，由此形成了一个CMOS反相器。无论输入电压是高电压还是低电压，总有一个导通而另一个截止，这种电路结构被称为互补对称式金属-氧化物-半导体电路，翻译成英文则为：Complementary-Symmetery Metal-Semiconductior Circuit.简称CMOS管。

这里分析了反相器的变化原理，是集成电路技术的基础。

参考资料

https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%8A%E5%AF%BC%E4%BD%93/385669?fr=aladdin

https://baike.baidu.com/item/PN%E7%BB%93/898090?fr=aladdin

https://baike.baidu.com/item/%E5%9C%BA%E6%95%88%E5%BA%94%E7%AE%A1/151400

https://baike.baidu.com/item/MOSFET/9205693

https://baike.baidu.com/item/CMOS%E5%B7%A5%E8%89%BA/49878867?fr=aladdin

https://blog.csdn.net/zzwu/article/details/46904433

http://www.kiaic.com/article/detail/2427.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/266130658

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