半导体温度传感器及其芯片集成技术_图文.
第12期?传感器技术?
半导体温度传感器及其芯片集成技术*
林凡,吴孙桃。郭东辉
(厦门大学,福建厦门 361005
摘要:半导体温度传感器是利用集成电路的工艺技术,将硅基半导体的温度敏感元件与外围电路集成在同一芯片上,与传统类型的温度传感器比较,具有灵敏度高、线性好、体积小、功耗低、易于集成等优点。分别介绍了双极型工艺和 CMOS工艺下的半导体温度传感器的基本设计原理,并具体提出一种CMOS型集成温度传感器设计电路。此外,还介绍了半导体温度传感器的芯片集成技术,并总结了Ic设计中出现的关键技术问题与解决方法。
关键词:半导体温度传感器;集成电路;单片系统
中图分类号:TN212.11文献标识码:A 文章编号:1002—1841(200312—0001—02
Semiconductor Temperature Sensor and its SoC Tedmology
LIN Fan,、vU Sum-tao,GUO Dong-hui
(Xiamen University,Xiamen 361005,China
Abstract:Using IC technology,Semiconductor temperature鸵nsor caIl realize the in 嘧tion of sensing and di西tal processing func? tions on the班llne chip.G砌1删with otller traditional temperature se删娜,it has the advantages of 800d
sensitivity,lineatrity,low power consumption,etc.Introducing the basic desi伊principles of semiconductor
temt℃rature靶删,using bipolar and CMOS technology re-spectively,and妯ng forward a practical circuit of CMOS integrated temperature senfior.In additions,its system-on-chip(SoCtechnology and key technologies in the IC design am￥1Jmmalq_zed.
Key
Words:Semiconductor Temperature Sensor;Integrated Circuit;System-on-Chip.
1引言性。另外,在cMOS工艺中利用寄生双极晶体管也能达到较好传统的温度传感器(如热电偶、铂电阻、双金属开关等有的传感性能。
许多局限硅,只能提供模拟信号输出,且在大多数应用中输出以往大多数的集成温度传感器是用双极型工艺实现,选择端都需要另外配置比较器、AD转换器或放
大器等。此外还受双极晶体管为温敏器件进行设计。但是现今CMOS工艺成为到封装体积、线性表现以及准确度的制约,限制了其在微型化主导工艺,并随着Ic集成度的提高和便携式设备的普及,能在高端电子产品中的应用。随着集成工艺的发展,半导体集成温标准数字工艺中实现的CMOS集成温度传感器具有低电源、低度传感器将辅助电路中的元件和温度传感元件同时集成在一功耗、占用面积小、易于
在同一芯片上进行信号调节和信号处块芯片上,具有价格低廉、设计简单、测量精确、高度集成等优理的优点,也逐渐得到人们的重视。以下将主要介绍这两种工点,在计算机、电信、工业控制等领域得到广泛的应用。近年艺技术下温度传感器的
设计原理,并提出一种可实际应用的集来,集成温度传感器在平均价格有所下降的同时,销售率却以
成温度传感器电路。
17%。18%的速度持续增长,2000年集成温度传感器总收人为 2.1双极晶体管的温度传感原理
2.3亿美元,据估计2006年总收入将达6亿美元。因此将介绍二极管电流包括
扩散电流和耗尽层、表面层里的产生一复半导体温度传感器的设计原理及其芯片
集成技术,并总结温度合电流,这些电流相对纯扩散电流有不同的温度行为,晶体管
传感器IC的设计中的关键技术问题。的基极可以吸取这部分电流,所以正向偏置的双极晶体管的集
2半导体温度传感器的设计原理
在以硅为基础的半导体集成电路中,可以实现温度传感功能的器件单元主要有集成电阻、MOS晶体管、硅二极管、双极晶体管和CMOS工艺下的寄生双极晶体管等。其中,集成电阻有出色的长期稳定性,但没有较好的线性度,无法满足高精度运用的要求。MOS晶体管的温度基本信号来自阈值电压和迁移率,主要限制因素是高温下会产生漏电流、复现能力低、容差大和长期稳定性差,在高性能要求时必须有大范围的微调和校准工作。硅二极管和双极晶体管的PN结能产生正比于温度的电压,优点是低成本、出色的长期稳定性、高灵敏度、可预测性较高和相关温度的时间非依赖性。缺点是受自生成热、工艺容差的影响,以及热循环后信号有小漂移和小数量级的非线
*国家自然科学基金(No:60076015;福建省自然科学基金(No: A0010019,Eollo004资助项目;厦门市科技资助项目(3502220031089。收稿日期:2003—05—07收修改稿日期:2003—07—25 电极电流基本上都是纯扩散电流。
双极晶体管的理想集电极电流‘在正向工作区与电压亿的关系式是:
比=等k(毒 (1 式中:_|}是波尔兹曼常数;T是绝对温度;18是饱和电流;厶为集电极电流
,c=k(r/ro。
式中:口是温度指数;Jc.是绝对温度,为%时的集电极电流。代入式(1,经整理可得双极晶体管的基极一发射极电压的二次近似[1]:
比=‰一sr小Qr(等2(2 k k+高m_口‘‰ 式中:sr=[飞一k+口%[1一万考爵]+(y 一口‰]。去
万方数据
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式中:%是%时的带隙电压;T是绝对温度;,=4一m,m是有效迁移率指数(空穴
m=2.2,电子m=2.42;¨=KT/q; k是%温度下的基极一发射极电压;A。是基极一发射极面积;%是基极宽度;ⅣDb是基区掺杂浓度;CTE是与温度无关的常数;,。是在温度为%时的集电极电流。
式(3中,%。主要由温度为%时的带隙电压k和来自带隙电位公式的a、b物理常数所决定,与晶体管尺寸无关,也基本上与工艺参数无关(只有迁移率温度指数y
因基极注入浓度而稍有变化。斜率值ST不能精确估值,主要是受到l,k 的影响。‰受工艺参数容差的影响,但这只是影响到斜率值 .sT,没有改变初始值y妇和二次非线性项系数Qr.所以工艺制造过程参数的改变不会影响线性度,并且斜率s,的调整可通过修改晶体管几何尺寸以及集成电极偏置电流密度来完成。 QT主要是由一些物理常量所决定,在它的影响下,‰温度曲线在高温和低温处会略向下弯曲。影响并不大,但为有更好的线性度,也可以采用二次非线性项补偿的方法对其进行补偿。因此在不考虑二次非线性项时,通过‰与温度r之间的线性关系可以实现温度的测量。
2.2a帕S工艺下的温度传感原理
对于CMOS温度传感器的设计,依据不同的传感原理,人们也提出了不同的设计方法[2-5]:利用MOS晶体管在弱反型区的电性质原理;MOS晶体管阈值电压b和增效因子卢的温度性质;环形振荡器的频率温度相关原理;单晶硅内部热扩散常数的热相关性质等。但这些方法都各自存在一些性能上的不足,现在大多数的CMOS 温度传感器的设计是利用CMOS工艺中的寄生双极晶体管作为温度敏感元,从而达
到与双极晶体管接近的温度性能。采用的结构有CMOS纵向双极晶体管 (CVBT和CMOS横向双极晶体管(cIJI玎,如图1所示。
横向晶体管(ogr的剖面图
其中,CMOS纵向双极晶体管(彻是以源漏扩散作为发射极,阱作为基区,衬底作为集电区,它的性能与典型的双极晶体管比较接近,缺点是管子的集电极被固定在芯片的衬底,使
用范围受到限制。如Penijs与Bakker用0.7
tun
CMOS工艺实现的该类型传感器,经二次非线性补偿后在一50—120oC的温度范围内,3盯精确度为±1.5℃,芯片面积为2.8Ⅱ击(包含 AD转换和数字接口Mj。
而CMOS横向寄生双极晶体管(CLWr,是以MOSFET的源、漏扩散为发射极和集电极,沟道区作为基区。它的工序相对更简单,且集电极不受到限制。其性能与典型的双极晶体管相比,不足的是沟道下迁移率的不均匀性(由于基区注入浓度的偏差,以及基极一发射极面积和基极宽度无法精确定义。 Bianchi等设计的这种类型传感器,经二次非线性项补偿后,在一50—150℃的温度范围内的均方根误差小于0.25℃,功耗低于0.55n1W[1|。
这样,在CMOS工艺中采用r这种比较简单的方法也实现了近似双极晶体温度性能的结构,实现了线性的温度测量。 2.3一种㈣S型集成温度电路的设计
利用式(1的k表达式,将两个不同电流密度的匹配晶体管的叱求差值,△‰=‰一k,即为正比于绝对温度 (PrAT的电压信号:
F个 ,已,‘
‰=‰一‰=等h(芹=spt日lT (4
‘
q 。c21’
可见,若利用高精度的电流源使得这两个匹配晶体管的集电极电流相同,则‰。直接由绝对温度和电流密度比决定,与工艺参数无关。依据这个原理,温度可由测量△k得到,而与 PN结的初始正向电压、物理尺寸、泄漏和其他特性无关。
无论是FIAT温度信号还是发射结电压温度信号都只能在0K时实现零信号输出,若将两者结合则可以在温度接近所测温度范围的初始值%时把输出的信号定为0,而不是一定要在0K时,从而简化芯上A/D转换器的设计。如图2,ybe与温度成线性反比关系,而y。是与绝对温度成线性正比相关。若把放大。倍的‰信q--q k信号相减,便可得到具有更好的温度灵敏度的K温度信号,其斜率为‰和yk两者斜率之和,同时可以使得K信号在测温范围的初始值兄处为0。一扩 //已 H的 //K。aKut—kt /
图2由ybe、y。相加减构成的温度
传感信号11,和带隙基准电压I,一
集成数字温度传感器由于在集成系统中增加了模数转换器,所以其芯上的内部基准电源是一个重要的输出,稳定性和精确度直接影响到温度传感器的性能。在图2中,参考电压 %的产生是通过把放大口倍的ypt砒和ybet相加,正负温度系数互相补偿,于是输出基准电压%的温度系数接近为0,以获得低温度系数的基准电压源。
图3设计的一种基于电流模式的CMOS带隙温度传感器电路。图3左边部分是PrAT电路,Ql和Q是两个匹配的 CMOS横向双极晶体管,Q1的发射区面积是Q2的r倍,Ml和坞构成一对MOS镜像电流源,且(耽/L2/(WI儿1=P.根据镜像电流源原理,Q1和Q2的集电极电流比为:,q/I。.=P.多晶硅电阻R1位于Q1和Q2的发射极之间,而Q。和Q2的基极电压相等,所以R1两端的电压为Q。和Q2的基极一发射极电压之差,于是流经Rl的电流就是,pt址电流。,pt日t电流大小为 IV,at=儿
klTgIn(p‘r
(5 (下转第6页
万方数据
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方框为PML层,用于吸收泄漏的电磁场。比较图6和图7可知,加工了一个敏感区的光纤,传输过程中光损耗大于未加工敏感区的光纤。图8和图9为相同弯曲程度的传感光纤,均含有三个敏感区。分析比较可知,敏感区深度越深,泄漏越大。原因主要是入射到光波导的电磁场(光束的功率分解为不同的特征模进行传播,除了因入射光被展开为辐射模的分量从波导辐射(折射出去,不能到达出射端,将产生损耗外,弯曲以及敏感区引入使光束中原展开为导波模的,部分也将转变为辐射模,产生损耗。
4结论
针对薄结构振动测量过程中应变幅值很小以及传统的分布式测量的弊端,提出了分布式光纤曲率模态传感器的研究, 经理论分析与实验数据表明是可行的,并且具有较好的传感性能。
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(上接第2页
图3采用电流模式的CMOS带隙温度传感器电路
Q2的基极一发射极电压通过电阻恐转换为电流k,其中利用了一个放大器和M】o构成的反馈结构使得A、B两点电压相等。参考电流,村是M3的漏极电流(正比于,。和地的漏极电流(正比于k之和,于是获得与温度无关的参考电流。设
M5的W/L是M4的m倍,那么J肿电流为
? ,.巾I正
k=p‘瓦1‘等h(p‘r+:戋‘6 M8的漏极电流(正比于,。减去M6的漏极电流(正比于k得到温度电流信号,一.^16、M7、坻和坞的W/L之比如图 3所示,那么,~电流为
1,印 T,
Itm,p=z‘竞等h(”一丽V be (7 3温度传感器的芯片集成技术与发展
集成温度传感器电路能在芯上集成外围的信号处理电路, 不需要另外设计线性化或冷补偿,也不需要另外设计比较电路或ADc电路,便可直接与数字系统连接。集成温度传感器主要由温度传感、精密电流源(基准电路、AD转换器、寄存器、相关控制电路等构成。温度信号电流j。一经电流模式的∑△式 A/D转换器成为数字温度信号,然后进入温度寄存器故障排队计数器,以避免温控系统受到噪声干扰时产生错误动作;为符合规范的温控系统,增加了温度窗口比较器;为防止因人体静电放电(ESD而损坏芯片,增加了ESD保护电路;增加传感器故障检测功能,能自动检测远程传感器的开路或短路故障等。总之,集成温度传感器利用半导体PIN结的温度特性的原理与热敏电阻、热电耦、RTDs等其他传统温度传感器相比具有精度高、体积小、复现性好、线性好、易操作,能高度集成的优点。使用时更多的考虑了在硅片级上的核准、自测试、适应性、补偿和筛选,于是集成温度传感器的重要性更加明显。双极温度传感器由于具有优良的温度性能,已经得到广泛的应用。另一方面,C2V10S温度传感器能在标准数字技术工艺中实现,以允许在同一芯片上进行信号调节和信号处理,也日渐受到重视和发展。如今的半导体温度传感器依据不同的应用要求,在芯片集成设计技术上比过去有了很大的改进,并且朝着智能型温度传感器方向发展。
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万方数据
半导体温度传感器及其芯片集成技术
作者:林凡 , 吴孙桃 , 郭东辉作者单位:厦门大学,福建,厦门,361005刊名:仪表技术与传感器
英文刊名:INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR年,卷(期:2003,(12被引用次数:
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1.提出一种新型的MEMS温度传感器,采用由导体/介质层/导体组成的多层梁固体可变电容结构。多层梁固体可变电容的上下极板分别为金属和硅 ,中间介质层为二氧化硅。在温度变化时,梁的各层材料因热膨胀系数失配而产生热应力,使梁发生弯曲形变。极板面积和间距的变化以及中间介质层在热应力作用下由于电致伸缩增强效应引起的介电常数的变化使得电容值发生改变,实现了温度-电容的转换。这种基于热机械效应的MEMS温度传感器 ,与IC工艺兼容,体积小,成本低,其测温范围宽,可适合一些恶劣环境的测量。由于采用电容检测,可以方便地与气压、湿度等电容型传感器互换接口,这也是本温度传感器的优点之一。利用按层分析法对多层梁的二维模型进行理论计算,和ANSYS软件模拟出来的结果基本一致。模拟了传感器尺寸与性能的关系曲线,得出选用大面积,低厚度的梁,能够最大限度的提高传感器的灵敏度。定量计算了极板间距变化和面积变化引起的电容变化量。
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艺以及具体的操作方法,制作出了多层悬臂梁结构的温度传感器,三层膜分别为Al、SiO2和低阻硅。
3.通过2次实际工艺流水制作出了多层膜电容式温度传感器的样品,并搭建了简易的测试系统,对其性能进行测试,实际测试了尺寸为
1500μm×300μm和2000μm×500μm的样品。在-40℃~90℃的温度范围内,灵敏度分别为3.5fF/℃和7.6fF/℃。电容由介电常数变化引起的电容变化量分别为
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引证文献(1条
1. 王俭 . 施教芳 . 林志浩 CPU芯片温升与其使用率关系研究 [期刊论文]-微电子学与计算机 2008(4
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集成温度传感器1
非接触式温度传感器 非接触式温度传感器即热探测器，热探测器（有时也放在红外光电式传感器中介绍）是在吸收红外辐射能后温度升高，引起某种物理性质的变化，这种变化与吸收的红外辐射能成一定关系。常用的物理现象有温差热电现象、金属或半导体电阻阻值变化现象、热释电现象、气体压强变化现象、金属热膨胀现象和液体薄膜蒸发现象等。 热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、水晶、酒石碳酸钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。 热释电效应 当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图1表
示了热释电效应形成的原理。 热释电材料是一种具有自发极化的电介质,它的自发极化强度随温度变化,可用热释电系数p来描述,p=dP/dT（P为极化强度，T为温度）。在恒定温度下，材料的自发极化被体内的电荷和表面吸附电荷所中和。如果把热释电材料做成表面垂直于极化方向的平行薄片，当红外辐射入射到薄片表面时，薄片因吸收辐射而发生温度变化，引起极化强度的变化。而中和电荷由于材料的电阻率高跟不上这一变化，其结果是薄片的两表面之间出现瞬态电压。若有外电阻跨接在两表面之间，电荷就通过外电路释放出来。电流的大小除与热释电系数成正比外，还与薄片的温度变化率成正比，可用来测量入射辐射的强弱。 1、热释电型红外传感器（PIR传感器）
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第一部分考试试题 第0章绪论 1.什么叫半导体集成电路？ 2.按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英文缩写？ 3.按照器件类型分，半导体集成电路分为哪几类？ 4.按电路功能或信号类型分，半导体集成电路分为哪几类？ 5.什么是特征尺寸？它对集成电路工艺有何影响？ 6.名词解释：集成度、wafer size、die size、摩尔定律？ 第1章集成电路的基本制造工艺 1.四层三结的结构的双极型晶体管中隐埋层的作用？ 2.在制作晶体管的时候，衬底材料电阻率的选取对器件有何影响？。 3.简单叙述一下pn结隔离的NPN晶体管的光刻步骤？ 4.简述硅栅p阱CMOS的光刻步骤？ 5.以p阱CMOS工艺为基础的BiCMOS的有哪些不足？ 6.以N阱CMOS工艺为基础的BiCMOS的有哪些优缺点？并请提出改进方法。 7. 请画出NPN晶体管的版图，并且标注各层掺杂区域类型。 8.请画出CMOS反相器的版图，并标注各层掺杂类型和输入输出端子。 第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应 1.简述集成双极晶体管的有源寄生效应在其各工作区能否忽略？。 2.什么是集成双极晶体管的无源寄生效应？ 3. 什么是MOS晶体管的有源寄生效应？
4. 什么是MOS晶体管的闩锁效应，其对晶体管有什么影响? 5. 消除“Latch-up”效应的方法？ 6.如何解决MOS器件的场区寄生MOSFET效应？ 7. 如何解决MOS器件中的寄生双极晶体管效应？ 第3章集成电路中的无源元件 1.双极性集成电路中最常用的电阻器和MOS集成电路中常用的电阻都有哪些？ 2.集成电路中常用的电容有哪些。 3. 为什么基区薄层电阻需要修正。 4. 为什么新的工艺中要用铜布线取代铝布线。 5. 运用基区扩散电阻，设计一个方块电阻200欧，阻值为1K的电阻，已知耗散功率为20W/c㎡,该电阻上的压降为5V,设计此电阻。 第4章TTL电路1.名词解释 电压传输特性开门/关门电平逻辑摆幅过渡区宽度输入短路电流输入漏电流 静态功耗瞬态延迟时间瞬态存储时间瞬态上升时间瞬态下降时间瞬时导通时间 2. 分析四管标准TTL与非门（稳态时）各管的工作状态？ 3. 在四管标准与非门中，那个管子会对瞬态特性影响最大，并分析原因以及带来那些困难。 4. 两管与非门有哪些缺点，四管及五管与非门的结构相对于两管与非门在那些地方做了改善，并分析改善部分是如何工作的。四管和五管与非门对静态和动态有那些方面的改进。
宽禁带半导体材料和工艺设计
宽禁带半导体材料与工艺 1.1 宽禁带半导体的概念和发展 宽禁带半导体（WBS）是自第一代元素半导体材料（Si）和第二代化合物半导体材料（GaAs、GaP、InP等）之后发展起来的第三代半导体材料。这类材料主要包括SiC（碳化硅）、C-BN（立方氮化硼）、GaN（氮化镓、）AlN（氮化铝）、ZnSe（硒化锌）以及金刚石等。 第二代半导体GaAs与Si相比除了禁带宽度增大外，其电子迁移率与电子饱和速度分别是Si的6倍和2倍，因此其器件更适合高频工作。GaAs场效应管器件还具有噪声低、效率高和线性度好的特点但相比第三代半导体GaN和SiC，它的热导率和击穿电场都不高，因此它的功率特性方面的表现不足。为了满足无线通信、雷达等应用对高频率、宽禁带、高效率、大功率器件的需要从二十世纪九十年代初开始，化合物半导体电子器件的研究重心开始转向宽禁带半导体。 我们一般把禁带宽度大于2eV的半导体称为宽禁带半导体。宽禁带半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。 1.2 主要的宽禁带半导体材料 近年来，发展较好的宽禁带半导体材料主要是SiC和GaN，其中SiC的发展更早一些，碳化硅、氮化镓、硅以及砷化镓的一些参数如下图所示：
图1-1 半导体材料的重要参数 如上图所示，SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs，相应的本征载流子浓度小于硅和砷化镓，宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体材料。击穿场强和饱和热导率也远大于硅和砷化镓。 2.1 SiC材料 纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC（称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。 SiC是IV-IV族二元化合物半导体，也是周期表IV族元素中唯一的一种固态化合物。构成元素是Si和C，每种原子被四个异种原子所包围,形成四面体单元(图25a)。原子间通过定向的强四面体SP3键(图25b)结合在一起，并有一定程度的极化。SiC具有很强的离子共价键，离子性对键合的贡献约占12%,决定了
半导体集成电路习题及答案
第1章 集成电路的基本制造工艺 1.6 一般TTL 集成电路与集成运算放大器电路在选择外延层电阻率上有何区别?为什么? 答：集成运算放大器电路的外延层电阻率比一般TTL 集成电路的外延层电阻率高。 第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 复 习 思 考 题 2.2 利用截锥体电阻公式，计算TTL “与非”门输出管的CS r 2.2 所示。 提示：先求截锥体的高度 up BL epi mc jc epi T x x T T -----= 然后利用公式： b a a b WL T r c -? = /ln 1ρ ， 2 1 2?? =--BL C E BL S C W L R r b a a b WL T r c -? = /ln 3ρ 321C C C CS r r r r ++= 注意：在计算W 、L 时, 应考虑横向扩散。 2.3 伴随一个横向PNP 器件产生两个寄生的PNP 晶体管，试问当横向PNP 器件在4种可能 的偏置情况下，哪一种偏置会使得寄生晶体管的影响最大? 答：当横向PNP 管处于饱和状态时，会使得寄生晶体管的影响最大。 2.8 试设计一个单基极、单发射极和单集电极的输出晶体管，要求其在20mA 的电流负载下 ，OL V ≤0.4V ，请在坐标纸上放大500倍画出其版图。给出设计条件如下： 答： 解题思路 ⑴由0I 、α求有效发射区周长Eeff L ； ⑵由设计条件画图 ①先画发射区引线孔； ②由孔四边各距A D 画出发射区扩散孔； ③由A D 先画出基区扩散孔的三边； ④由B E D -画出基区引线孔； ⑤由A D 画出基区扩散孔的另一边；
⑥由A D 先画出外延岛的三边； ⑦由C B D -画出集电极接触孔； ⑧由A D 画出外延岛的另一边； ⑨由I d 画出隔离槽的四周； ⑩验证所画晶体管的CS r 是否满足V V OL 4.0≤的条件，若不满足，则要对所作 的图进行修正，直至满足V V OL 4.0≤的条件。（CS C OL r I V V 00 ES += 及己知 V V C 05.00ES =） 第3章 集成电路中的无源元件 复 习 思 考 题 3.3 设计一个4k Ω的基区扩散电阻及其版图。 试求： (1) 可取的电阻最小线宽min R W =?你取多少? 答：12μm (2) 粗估一下电阻长度，根据隔离框面积该电阻至少要几个弯头? 答：一个弯头 第4章 晶体管 (TTL)电路 复 习 思 考 题 4.4 某个TTL 与非门的输出低电平测试结果为 OL V =1V 。试问这个器件合格吗?上 机使用时有什么问题? 答：不合格。 4.5 试分析图题4.5所示STTL 电路在导通态和截止态时各节点的电压和电流，假定各管的 β=20, BEF V 和一般NPN 管相同， BCF V =0.55V , CES V =0.4～0.5V , 1 CES V =0.1～0.2V 。 答：（1）导通态（输出为低电平） V V B 1.21= ， V V B 55.12= ，V V B 2.13= ，V V B 5.04= ，V V B 8.05= ，
宽禁带半导体
半导体材料种类繁多，分类方法各不相同，一般将以硅(Si)、锗(Ge)等为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料；以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)等为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料；以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝（AlN）、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料[1]。以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是从20世纪50年代开始，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域[2]。 20世纪90年代以来，随着移动无限通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，第二代半导体材料开始兴起。由于其具有电子迁移率高、电子饱和漂移速度高等特点，适于制备高速和超高速半导体器件，目前基本占领手机制造器件市场[3]。 当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、 大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求，必须采用新的材料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来，新发展起来了第三代半导体材料--宽禁带半导体材料，该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点[4]，这就从理论上保证了其较宽的适用范围。目前，由其制作的器件工作温度可达到600℃以上、抗辐照1×106rad；小栅宽GaNHEMT器件分别在4GHz下，功率密度达到40W/mm；在8GHz，功率密度达到30W/mm；在18GHz，功率密度达到9.1W/mm；在40GHz，功率密度达到10.5W/mm；在80.5GHz，功率密度达到2.1W/mm，等。因此，宽禁带半导体技术已成为当今电子产业发展的新型动力。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；而GaN技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入[5]。氮化铝、金刚石、氧化锌等宽禁带半导体技术研究报道较少，但从其材料优越性来看，颇具发展潜力，相信随着研究的不断深入，其应用前景将十分广阔。 1宽禁带半导体材料 1.1碳化硅单晶材料 在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言，碳化硅是这族材料中最高的，是宽禁带半导体的核心。SiC材料是IV-IV族半导体化合物，具有宽禁带(Eg：3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点[6]。从结构上讲，SiC材料属硅碳原子对密排结构，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面体空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面体空位[7]。对于碳化硅密排结构，由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种[8]。目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC特别适用于光电子领域，实现全彩显示。 第一代、第二代半导体材料和器件在发展过程中已经遇到或将要遇到以下重大挑战和需求[9,10]： (1)突破功率器件工作温度极限，实现不冷却可工作在300℃～600℃高温电子系统。 (2)必须突破硅功率器件的极限，提高功率和效率，从而提高武器装备功率电子系统的性能。 (3)必须突破GaAs功率器件的极限，在微波频段实现高功率密度，实现固态微波通讯系统、雷达、电子对抗装备更新换代。 (4)必须拓宽发光光谱，实现全彩显示、新的光存储、紫外探测以及固态照明。 随着SiC技术的发展，其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础。因此SiC材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。 SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、 欧洲、日本三足鼎立的局面。目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国
温度传感器
温度传感器温度特性测试与研究(FB810型恒温控制温度传感器实验仪) 实 验 讲 义 杭州精科仪器有限公司
一、集成电路温度传感器的特性测量及应用 随着科技的发展，各种新型的集成电路温度传感器器件不断涌现，并大批量生产和扩大应用。这类集成电路测温器件有以下几个优点：（1）温度变化引起输出量的变化呈现良好的线性关系；（2）不像热电偶那样需要参考点；（3）抗干扰能力强；（4）互换性好，使用简单方便。因此，这类传感器已在科学研究、工业和家用电器温度传感器等方面被广泛使用于温度的精确测量和控制。本实验要求测量电流型集成电路温度传感器的输出电流与温度的关系，熟悉该传感器的基本特性，并采用非平衡电桥法，组装成为一台C 50~0?数字式温度计。 【实验原理】 590AD 集成电路温度传感器是由多个参数相同的三极管和电阻组成。该器件的两端当加有某一定直流工作电压时（一般工作电压可在V 20~5.4范围内），它的输出电流与温度满足如下关系： A t B I +?= 式中，I 为其输出电流，单位:A μ，t 为摄氏温度，B 为斜率,一般590AD 的1)C (A 1B -?μ=,即如果该温度传感器的温度升高或降低C 1?，那传感器的输出电流增加或减少A 1μ，A 为摄氏零度时的电流值，其值恰好与冰点的热力学温度K 273相对应。（对市售一般590AD ， A 278~273A μ=略有差异。）利用590AD 集成电路温度传感器的上述特性，可以制成各种用途的温度计。采用非平衡电桥线路，可以制作一台数字式摄氏温度计，即590AD 器件在C 0?时，数字电压显示值为“0”，而当590AD 器件处于C t ?时，数字电压表显示值为“t ”。 【实验仪器】 810FB 型恒温控制温度传感器 实验仪，如右图所示： 大烧杯、加热器、冰瓶、各种温 度传感器等。 【实验内容】 一．590AD 的测试方法： 1．590AD 为两端式集成电路温 度传感器，它的管脚引出端有两 个，如图1所示：序号1接电源 正端+U （红色引线）。序号2 接电源负端-U (黑色引线)。至 于序号3连接外壳，它可以接地，有时也可以不用。590AD 工作电压V 30~4，通常工作电压V 15~6，但不能小于V 4，小于V 4出现非线性。
半导体温度传感器及其芯片集成技术_图文.
第12期?传感器技术? 半导体温度传感器及其芯片集成技术* 林凡,吴孙桃。郭东辉 (厦门大学,福建厦门 361005 摘要:半导体温度传感器是利用集成电路的工艺技术,将硅基半导体的温度敏感元件与外围电路集成在同一芯片上,与传统类型的温度传感器比较,具有灵敏度高、线性好、体积小、功耗低、易于集成等优点。分别介绍了双极型工艺和 CMOS工艺下的半导体温度传感器的基本设计原理,并具体提出一种CMOS型集成温度传感器设计电路。此外,还介绍了半导体温度传感器的芯片集成技术,并总结了Ic设计中出现的关键技术问题与解决方法。 关键词:半导体温度传感器;集成电路;单片系统 中图分类号:TN212.11文献标识码:A 文章编号:1002—1841(200312—0001—02 Semiconductor Temperature Sensor and its SoC Tedmology LIN Fan,、vU Sum-tao,GUO Dong-hui (Xiamen University,Xiamen 361005,China Abstract:Using IC technology,Semiconductor temperature鸵nsor caIl realize the in 嘧tion of sensing and di西tal processing func? tions on the班llne chip.G砌1删with otller traditional temperature se删娜,it has the advantages of 800d sensitivity,lineatrity,low power consumption,etc.Introducing the basic desi伊principles of semiconductor
半导体集成电路制造PIE常识
Question Answer & PIE
PIE 1. 何谓PIE? PIE的主要工作是什幺? 答：Process Integration Engineer(工艺整合工程师), 主要工作是整合各部门的资源, 对工艺持续进行改善, 确保产品的良率（yield）稳定良好。 2. 200mm，300mm Wafer 代表何意义? 答：8吋硅片(wafer)直径为200mm , 直径为300mm硅片即12吋. 3. 目前中芯国际现有的三个工厂采用多少mm的硅片(wafer)工艺？未来北京的Fab4(四厂)采用多少mm的wafer工艺？ 答：当前1~3厂为200mm(8英寸)的wafer, 工艺水平已达0.13um工艺。未来北京厂工艺wafer将使用300mm(12英寸)。 4. 我们为何需要300mm? 答：wafer size 变大，单一wafer 上的芯片数(chip)变多，单位成本降低200→300 面积增加2.25倍,芯片数目约增加2.5倍 5. 所谓的0.13 um 的工艺能力(technology)代表的是什幺意义？ 答：是指工厂的工艺能力可以达到0.13 um的栅极线宽。当栅极的线宽做的越小时，整个器件就可以变的越小，工作速度也越快。 6. 从0.35um->0.25um->0.18um->0.15um->0.13um 的technology改变又代表的是什幺意义？ 答：栅极线的宽（该尺寸的大小代表半导体工艺水平的高低）做的越小时，工艺的难度便相对提高。从0.35um -> 0.25um -> 0.18um -> 0.15um -> 0.13um 代表着每一个阶段工艺能力的提升。 7. 一般的硅片(wafer)基材(substrate)可区分为N,P两种类型（type）,何谓N, P-type wafer? 答：N-type wafer 是指掺杂negative元素(5价电荷元素，例如：P、As)的硅片, P-type 的wafer 是指掺杂positive 元素(3价电荷元素, 例如：B、In)的硅片。 200mm300mm 8〞12〞
半导体集成电路课程教案
半导体集成电路课程教案 西安理工大学教案(首页) 学院(部):自动化学院系(所):电子工程系 1 课程代码 04110680 总学时:64 学时课程名称半导体集成电路学分 4 讲课:64 学时 上机: 0 学时必修课( ? ) 校级任选课( ) 课程类别实验:0 学时院级任选课( ) 学位课( ? ) 授课专业电子科学与技术授课班级电子、微电 任课教师高勇余宁梅杨媛乔世杰职称教授/副教授通过本课程的教学～要求学生全面掌握各种集成电路包括双极集成电路、MOS集成电路和Bi-CMOS电路的制造工艺～集成电路中元器件的结构、特性及各种寄生效应,学会分析双极IC、数字CMOS集成电路中的倒相器的电路特性～掌握一定的手算分析能力～熟悉版图,掌握静态逻辑、传输门教学目的逻辑及动态逻辑电路的工作原理及特点,了解触发器电路及存储器电路,和要求掌握模拟电路的基本子电路(如电流源～基准源等)的工作原理和特性～掌握基本运算放大器的性能分析和设计方法,掌握AD/DA电路的类型及工作原理～基本了解AD/DA变换器的设计方法。为后继专业课的学习、将来在集成电路领域从事科研和技术工作奠定良好的理论基础。教学的重点是帮助学生在电子技术的基础上建立半导体集成电路的概念。重点讲述集成电路的寄生效应、典型的TTL单元电路以及MOS集成电路的基本逻辑单元和逻辑功能部件，尤其是CMOS集成电路(由于现在的教学重集成电路主流工艺为CMOS集成电路)。难点在于掌握集成电路中的各种点、难点寄生效应，另外，集成电路的发展很快，很多最新发展状态在书本上找不到现成的东西，比如随着集成电路特征尺寸的减小带来
的一些其他二级效应，以及各种不同的新型电路结构各自的特点和原理分析计算。 (1)朱正涌，半导体集成电路，清华大学出版社社 (2)张延庆，半导体集成电路，上海科学技术出版社 (3)Jan M.Rabaey, Anantha Chandrakasan, etc. Digital Integrated Circuits数字集成电路设计透视(影印版.第二版)，清华大学出版社(译本:周润德译电子工业出版社) (4)蒋安平等译，数字集成电路分析与设计,深亚微米工艺，电子工业出版社 教材和参(5)王志功等译，CMOS数字集成电路-分析与设计(第三版)，电子工业出考书版社(原书名:CMOS Digital Integrated Circuits:Analysis and Design, Third Edition，作者:Sung-Mo Kang, Yusuf Leblebici[美]，McGraw-Hill出版社) (6)陈贵灿等译, 模拟CMOS集成电路设计, 西安交通大学出版社(原书 2 名:Design of Analog CMOS Integrated Circuits，作者:毕查德.拉扎维[美]，McGraw-Hill出版社) 西安理工大学教案(章节备课) 学时:2学时章节第0章绪论 通过本章内容学习～帮助学生建立半导体集成电路的概念～使学生了解并教学目的掌握集成电路的发展历史、现状和未来。明确本课程教学内容及教学目标～和要求提出课程要求。要求学生通过本章学习～能够明确学习目标。 重点:集成电路的概念～集成电路的发展规律～集成电路涵盖的知识点重点及集成电路的分类。难点难点: 集成电路的宏观发展与微观发展的关联。 教学内容: 1 集成电路 1.1 集成电路定义
宽禁带半导体光电材料研究进展
宽禁带半导体光电材料的研究及其应用 宽禁带半导体材料(Eg大于或等于3.2ev)被称为第三代半导体材料。主要包 括金刚石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有禁带宽度大,电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好,具有更高的击穿电场、更高的抗辐射能力的特点,其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景,非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。 以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物作为第三代半导体材料,是一种良好的直 接宽隙半导体光电材料,其室温禁带宽度为3.4eV,它可以实现从红外到紫外全可见光范围的光辐射。近年来已相继制造出了蓝、绿色发光二极管和蓝色激光器等光电子器,这为实现红、黄、蓝三原色全光固体显示,制备大功率、耐高温、抗腐蚀器件,外空间紫外探测,雷达,光盘存储精细化、高密度,微波器件高速化等奠定了基础。 氮化镓和砷化镓同属III-V族半导体化合物,但氮化镓是III-V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光,其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短,这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积,从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比,它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上,而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方 面具有明显的实用价值,同时在光电子领域的其他方面也可以得 到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点,但由于氮 化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结,氮化 镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的 努力,1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材
集成电路试题库
半导体集成电路典型试题 绪论 1、什么叫半导体集成电路？ 【答案：】 通过一系列的加工工艺，将晶体管，二极管等有源器件和电阻，电容等无源元件，按一定电路互连。 集成在一块半导体基片上。封装在一个外壳内，执行特定的电路或系统功能。 2、按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英文缩写 【答案：】 小规模集成电路（SSI），中规模集成电路（MSI），大规模集成电路（VSI），超大规模集成电路（VLSI），特大规模集成电路（ULSI），巨大规模集成电路（GSI） 3、按照器件类型分，半导体集成电路分为哪几类？ 【答案：】 双极型（BJT）集成电路，单极型（MOS）集成电路，Bi-CMOS型集成电路。 4、按电路功能或信号类型分，半导体集成电路分为哪几类？ 【答案：】 数字集成电路，模拟集成电路，数模混合集成电路。 5、什么是特征尺寸？它对集成电路工艺有何影响？ 【答案：】 集成电路中半导体器件的最小尺寸如MOSFET的最小沟道长度。是衡量集成电路加工和设计水平的重要标志。它的减小使得芯片集成度的直接提高。 6、名词解释：集成度、wafer size、die size、摩尔定律？ 【答案：】 7、分析下面的电路，指出它完成的逻辑功能，说明它和一般动态组合逻辑电路的不同,分析它的工作原理。 【答案：】
该电路可以完成NAND逻辑。与一般动态组合逻辑电路相比，它增加了一个MOS管M kp，它可以解决一般动态组合逻辑电路存在的电荷分配的问题。对于一般的动态组合逻辑电路，在评估阶段，A=“H” B=“L”, 电荷被OUT处和A处的电荷分配，整体的阈值下降，可能导致OUT的输出错误。 该电路增加了一个MOS管M kp，在预充电阶段，M kp导通，对C点充电到V dd。在评估阶段，M kp 截至，不影响电路的正常输出。 8、延迟时间 【答案：】 时钟沿与输出端之间的延迟 第1章集成电路的基本制造工艺 1、四层三结的结构的双极型晶体管中隐埋层的作用 【答案：】 减小集电极串联电阻，减小寄生PNP管的影响 2、在制作晶体管的时候，衬底材料电阻率的选取对器件有何影响 【答案：】 电阻率过大将增大集电极串联电阻，扩大饱和压降，若过小耐压低，结电容增大，且外延时下推大 3、简单叙述一下pn结隔离的NPN晶体管的光刻步骤 【答案：】 第一次光刻：N+隐埋层扩散孔光刻 第二次光刻：P隔离扩散孔光刻 第三次光刻：P型基区扩散孔光刻 第四次光刻：N+发射区扩散孔光刻 第五次光刻：引线孔光刻
宽禁带半导体材料特性及生长技术_何耀洪
宽禁带半导体材料特性及生长技术 何耀洪, 谢重木 (信息产业部电子第46所,天津,300220) 摘要:叙述了宽带半导体材料SiC、G aN的主要特性和生产长方法,并对其发展动态和存在问题进行了简要评述。 关键词:宽禁带半导体材料;碳化硅;氮化硅 中图分类号:TN304 文章编号:1005-3077(1999)-04-0031-09 The Characteristics and Growth Methods of Wide Bandgap Semiconductor Materials HE Yaohong, XIE Chongmu (T he46th Research Institute,M.I.I.,T ianjin,300220) A bstract:The paper presents the main characteristics and g rowth methods o f wide bandgap semiconduc- tor materials,In aditio n,the lastest developments and problems o n SiC and GaN to be reviewed. Key words:w ide bandgap semiconductor materials;SiC;G aN 1 引 言 在半导体工业中,人们习惯地把锗(Ge)、硅(Si)为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料,把砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料,而把碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的化合物半导体材料称为第三代半导体材料,由于SiC和GaN材料的禁带宽度较Si、GaAs等材料更宽,因而它们一般具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频及大功率器件,故称这类材料为宽禁带半导体材料,也称高温半导体材料。它们在微电子和光电子领域中具有十分广阔的应用潜在优势,如AlGaN HFET最大振荡频率超过100GHz,功率密度大于5.3W/m m(在10GHz时),4H-SiC M EFET在850M Hz(CW)和10GHz(PW)时功率密度3.3W/mm,4H-SiC PIN二极管击穿电压高达5.5kV;在可见光全光固体显示、高密度存储、紫外探测及在节能照明(半导体激光光源能耗仅为相当亮度白炽灯泡的十分之一,而寿命长达10～15年)等方面开创了广阔的应用前景。 2 SiC材料特性及生长技术 近年来,随着半导体器件在航空航天、石油勘探,核能、汽车及通信等领域应用的不断扩 收稿日期:1999-11-30
温度传感器的选用
温度传感器的选用 摘要：在各种各样的测量技术中，温度的测量可能是最为常见的一种，因为许多的应用领域，掌握温度的确切数值，了解温度与实际状态之间的差异等，都具有极为重要的意义。就以测量为例，在力的测量，压力，流量，位置及电平高低等测量的过程中，为了提高测量精度，通常都会要求对温度进行监视。可以说，各种的物理量都是温度的函数，要得到精确的测定结果，必须针对温度的变化，作出精确的校正。 关键字：温度传感器热电偶热电阻集成电路 引言： 工业上常用的温度传感器有四类：即热电偶、热电阻RTD、热敏电阻及集成电路温 度传感器；每一类温度传感器有自己独特的温度测量围，有自己适用的温度环境；没有一种温度传感器可以通用于所有的用途：热电偶的可测温度围最宽，而热电阻的测量线性度最优，热敏电阻的测量精度最高。 1、热电偶 热电偶由二根不同的金属线材，将它们一端焊接在一起构成；参考端温度（也称冷补偿端）用来消除铁-铜相联及康铜-铜联接端所贡献的误差；而两种不同金属的焊接端放置于需 要测量温度的目标上。 两种材料这样联接后会在未焊接的一端产生一个电压，电压数值是所有联接端温度的函数，热电偶无需电压或电流激励。实际应用时，如果试图提供电压或电流激励反而会将误差 引进系统。 鉴于热电偶的电压产生于两种不同线材的开路端，其与外界的接口似乎可通过直接测量两导线之间的电压实现；如果热电偶的的两端头不是联接至另外金属，通常是铜，那末事情 真会简单至此。 但热电偶需与另外一种金属联接这一事实，实际上又建立了新的一对热电偶，在系统中引入了极大的误差，消除此误差的唯一办法是检测参考端的温度，以硬件或硬件-软件相结 合的方式将这一联接所贡献的误差减掉，纯硬件消除技术由于线性化校正的因素，比软件-硬件相结合技术受限制更大。一般情况下，参考端温度的精确检测用热电阻RTD，热敏电 阻或是集成电路温度传感器进行。原则上说，热电偶可由任意的两种不同金属构建而成，但在实践中，构成热电偶的两种金属组合已经标准化，因为标准组合的线性度及所产生的电压与温度的关系更趋理想。 表3与图2是常用的热电偶E,J,T,K,N,S,B R的特性。
半导体集成电路制造PIE常识讲解
Question & PIE Answer
PIE 1. 何谓PIE? PIE 的主要工作是什幺? 答：Process Integration Engineer（工艺整合工程师）, 主要工作是整合各部门的资源, 对工艺持续进行改善, 确保产品的良率（yield）稳定良好。 2. 200mm，300mm Wafer 代表何意义? 答：8吋硅片（wafer）直径为200mm , 直径为300mm硅片即12吋. 目前中芯国际现有的三个工厂采用多少mm的硅片（wafer）工艺？未来北京3.的Fab4（四厂）采用多少mm的wafer 工艺？ 答：当前1~3 厂为200mm（8 英寸）的wafer, 工艺水平已达0.13um 工艺。 未来北京厂工艺wafer 将使用300mm（12 英寸）。 4. 我们为何需要300mm? 答：wafer size 变大，单一wafer 上的芯片数（chip）变多，单位成本降低200→300 面积增加2.25倍,芯片数目约增加2.5 倍 5. 所谓的0.13 um 的工艺能力（technology）代表的是什幺意义？答：是指工厂的工艺能力可以达到0.13 um 的栅极线宽。当栅极的线宽做的越小时，整个器件就可以变的越小，工作速度也越快。 从0.35um->0.25um->0.18um->0.15um->0.13um 的technology改变又代表的是什幺意义？ 答：栅极线的宽（该尺寸的大小代表半导体工艺水平的高低）做的越小时，工艺的难度便相对提高。从0.35um -> 0.25um -> 0.18um -> 0.15um -> 0.13um 代表着每一个阶段工艺能力的提升。 一般的硅片（wafer）基材（substrate）可区分为N,P 两种类型（type）,何谓N, P-type wafer? 答：N-type wafer 是指掺杂negative 元素（5 价电荷元素，例如：P、As）的硅片, P-type 的wafer 是指掺杂positive 元素（3 价电荷元素, 例如：B、 In）的硅片。 8. 工厂中硅片（wafer）的制造过程可分哪几个工艺过程（module）？答：主要有四个部分：DIFF （扩散）、TF（薄膜）、PHOTO （光刻）、ETCH （刻蚀）。其中
氮化物宽禁带半导体—第三代半导体技术
氮化物宽禁带半导体一第三代半导体技术 张国义１，李树明２ 北掌大学韵曩最，卜蘑■一目毫重点宴■宣 ‘２北大董光科技酣青曩公司 北囊１∞耵１ ｉ盲謦。 莳耍曰曩了量化精半导体曲主要持征和应用■量．巨督圈辱上和重内的主曩研兜理状．市场分析与攮测．由此－ｕ蚪再｝１１．氯化韵帕研究已妊成为高科技鬣壤田际竟争的■膏点之一．ｔ为第三代半■体拄术，育形成蠢科技臣夫产＿ｔ群的ｒ口艟 性．也存在着蠢积的竞争和蕞｛；‘翻舶风龄． 众所周知，以Ｇｅ，Ｓｉ为基础的半导体技术，奠定丁二十世纪电子工业的基础．其主要产品形式是以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品．形成了巨大的徽电子产业 群。其技术水平标志是大的晶片尺寸和窄的线条宽度．如１２英寸／０．１５微米技术．是成 功的标志，被称之为第一代半导体技术．以Ｇ“ｓ．ＩｎＰ．包括Ｇ吐ｌ＾ｓ，ＩｆＩＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ瞢 ＩＩＩ—ｖ族砷化物和碑化韵半导体技术，奠定了二十世纪光电子产业的基础，其主要产品形 式是以光发射器件，如半导体发光二极管（Ｌ肋）和激光嚣（ＬＤ）等．为基础的光显示． 光通讯，光存储等光电子系统，形成了巨大的信息光电产业群。其技术水平标志是使通讯 速度，信息容量，存储密度大幅度提高，被称之为第二代半导体技术． 对徽电子和光电子领域来说，二十世纪存在的问矗和二十一世纪发晨趋势是人们关心的问题．高速仍然是微电子的追求目标，高温大功率还是没有很好解决的问题；光电子的 主要发展趋势是全光谱的发光器件，特别是短波长（绿光．蓝光．咀至紫外波段）ＬＥＤ和 ＬＤ．光电集成（０ＥＩｃ）是人们长期追求的目标，由于光电材料的不兼容性，还没有很好的 实现。事实上．这些问题是第一代和第二代半导体材料本身性质决定，不可舱解决的问 题。它需要寻找一种高性能的宽禁带半导体材料．而这一工作二十世纪后半叶就已经开 始．在世纪之交得以确认。那就是第三代半导体技术一ＩＩＩ一族氮化物半导体技术． ＧａＮ、ＡｌＮ和ＩｎＮ以及由它们组成的三元合金是主要的ＩＩＩ族氰化物材料．所有氮化物晶体的稳定结构是具有六方对称性的纤锌矿结构，而在一些特定的条件下，例如在立方豸多。 衬底上外延时，ＧａＮ和ＩｎＮ能够形成立方对称性的闪锌矿结构．这两种结构只是原子层的 堆积次序不同，它们的原予最近邻位置几乎完全相同，而次近邻位置有所不同，因而它们 的性质根接近。三元合金Ａ１ＧａＮ，ＩｎＧａＮ也是重要的氰化物材料。它们的禁带宽度基本符 合ｖｅｇａｒｄ定理［１，２］。№ｔｓｕｏｋａ［３］通过计算指出ＡｌＮ与ＧａＮ可咀组成组份连续变化的合 金，ＩｒＩＮ与ＧａＮ则存在较大的互熔间隙． 以氮化镓为基础的宽禁带半导体可以用来，并已经广泛用来制备高亮度蓝。绿光平＂白光ＬＥＤ，蓝光到紫外波段的激光器（ＬＤ），繁外光传感器，等光屯子器件：高温人功率场 设麻品体管（ＦＥＴ）．双极晶体管（ＨＢＴ），高电子迁移率晶体管（ＨＥＭＴ）等徽电子器 什：这些器件构成了全色火屏幕ＬＥＤ显示和交通信号灯等应Ｈｊ的ＲＧＢ１：鞋：向光ＬＥＤ将构 ?１７?
半导体集成电路工艺复习
第一次作业： 1，集成时代以什么来划分？列出每个时代的时间段及大致的集成规模。答： 类别时间 数字集成电路 模拟集成电路MOS IC 双极IC SSI 1960s前期 MSI 1960s~1970s 100～500 30～100 LSI 1970s 500～2000 100～300 VLSI 1970s后期~1980s后期>2000 >300 ULSI 1980s后期~1990s后期 GSI 1990s后期~20世纪初 SoC 20世纪以后 2，什么是芯片的集成度？它最主要受什么因素的影响？ 答：集成度：单个芯片上集成的元件（管子）数。受芯片的关键尺寸的影响。 3，说明硅片与芯片的主要区别。 答：硅片是指由单晶生长，滚圆，切片及抛光等工序制成的硅圆薄片，是制造芯片的原料，用来提供加工芯片的基础材料；芯片是指在衬底上经多个工艺步骤加工出来的，最终具有永久可是图形并具有一定功能的单个集成电路硅片。 4，列出集成电路制造的五个主要步骤，并简要描述每一个步骤的主要功能。 答：晶圆(硅片)制备(Wafer Preparation)； 硅(芯）片制造(Wafer Fabrication)：在硅片上生产出永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。硅片测试/拣选(Die T est/Sort)：单个芯片的探测和电学测试，选择出可用的芯片。 装配与封装(Assembly and Packaging)：提供信号及电源线进出硅芯片的界面；为芯片提供机械支持，并可散去由电路产生的热能；保护芯片免受如潮湿等外界环境条件的影响。 成品测试与分析（或终测）(Final T est)：对封装后的芯片进行测试，以确定是否满足电学和特性参数要求。 5，说明封装的主要作用。对封装的主要要求是什么。 答：封装的作用：提供信号及电源线进出硅芯片的界面；为芯片提供机械支持，并可散去由电路产生的热能；保护芯片免受如潮湿等外界环境条件的影响。 主要要求：电气要求：引线应当具有低的电阻、电容和电感。机械特性和热特性：散热率应当越高越好;机械特性是指机械可靠性和长期可靠性。低成本：成本是必须要考虑的比较重要的因素之一。 6，什么是芯片的关键尺寸？这种尺寸为何重要？自半导体制造业开始以来，芯片的关键尺寸是如何变化的？他对芯片上其他特征尺寸的影响是什么？ 答：芯片上器件的物理尺寸被称为特征尺寸；芯片上的最小的特征尺寸被称为关键尺寸，且被作为定义制造工艺水平的标准。 为何重要：他代表了工艺上能加工的最小尺寸，决定了芯片上的其他特征尺寸，从而决定了芯片的面积和芯片的集成度，并对芯片的性能有决定性的影响，故被定义为制造工艺水平的标准。
新一代宽禁带半导体材料
新一代宽禁带半导体材料 回顾半导体的发展历程，随着不同时期新材料的出现，半导体的应用先后出现了几次飞跃。 首先，硅材料的发现使半导体在微电子领域的应用获得突破性进展，日用家电和计算机的广泛应用都应该归功于硅材料的应用。 而后，砷化镓材料的研究则使半导体的应用进入光电子学领域。用砷化镓基材料及其类似的一些化合物半导体，如镓铝砷、磷镓砷、铟镓砷、磷化镓、磷化铟和磷砷化镓等，制备出的发光二极管和半导体激光器在光通信和光信息处理等领域起到不可替代的作用，由此也带来了VCD和多媒体等的飞速发展。 目前，人们又开始研究新一代的宽禁带半导体材料，其中最有意义的是碳化硅、氮化镓和氧化锌。这些材料的共同特点是它们的禁带宽度在3．3到3．5电子伏之间，是硅的3倍，比砷化镓的禁带宽度也大了两倍以上。由于它们的一些特殊性质和潜在应用前景使它们备受关注。 碳化硅具有高热导率（硅的3．3倍）、高击穿场强（硅的10倍）、高饱和电子漂移速率（硅的2．5倍）以及高键合能等优点。所以特别适合于制造高频、大功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件，并且可以在几百度高温的恶劣环境下工作。可用于人造卫星、火箭、雷达、通讯、战斗机、海洋勘探、地震预报、石油钻井、无干扰电子点火装置、喷气发动机传感器等重要领域。目前，碳化硅高频大功率器件已应用到军用雷达、卫星通讯和高清晰度电视图像的发送和传播等方面。 氮化镓和砷化镓同属III－V族半导体化合物，但氮化镓是III－V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光，其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短，这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积，从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比，它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上，而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方面具有明显的实用价值，同时在光电子领域的其他方面也可以得到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点，但由于氮化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结，氮化镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的努力，1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材料的性能；1989年，Akasaki等人利用电子辐照方法实现了氮化镓P型材料的生长并制备出PN结；1995年Nakamura等人制备出发蓝紫光的氮化镓发光二极管，效率达到5％，赶上了传统的磷砷化镓发光二极管的效率，寿命超过一万小时。1997年，用氮化镓基材料制备的半导体激光器也开始面世。这一飞速发展的势头反映了氮化镓材料受重视的程度。有人估计，氮化镓器件在化合物半导体市场的份额将由1997年的2％很快上升到2006年的20％，成为光电子产业中非常重要的产品。 与氮化镓材料相比，氧化锌薄膜的紫外发光是刚刚开始的新兴课题。氧化锌是一种具有六方结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为3．36eV，特别是它的激子结合能高达60毫电子伏，在目前常用的半导体材料中首屈一指，这一特性使它具备了室温下短波长发光的有利条件；此外，氧化锌具有很高的导电性，它还和其他氧化物一样具有很高的化学稳定性和耐高温性质，而且它的来源丰富，价格低廉。这些优点使它成为制备光电子器件的优良材料，极具开发和应用的价值。1997年日本和香港科学家合作研究得到了氧化锌薄膜的近紫外受激发光，开拓了氧化锌薄膜在发光领域的应用。由于它产生的受激发射的波长比氮化镓的发射波长更短，对提高光信息的纪录密度和存取速度更加有利，而且价格便宜。目前，除了氧化锌薄膜的发光特性外，也有人发现了氧化锌薄膜的光生伏特效应，显示出用它制备太阳能电