以下文章来源于中科院半导体所 ,作者娇娇的越王楼
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作者:娇娇的越王楼
转载自中科院半导体所
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一块半导体晶体一侧掺杂成P型半导体,另一侧掺杂成N型半导体,中间二者相连的接触面称为PN结。
PN结
card from wiki
由pn结构成的二极管最早用于通信技术。20世纪50年代后期开始用半导体三极管做开关电路,1959年制成了第一台晶体管电子计算机。这就是所谓第二代电子计算机。
晶体管计算机还经历了一次从锗晶体管到硅晶体管的转变,这主要是因为锗本征半导体的禁带宽度较小,因此,锗器件的温度稳定性也较差。
我国的第二代计算机是在20世纪60年代初研制成功的,比较有代表性的是109乙机和441B机。
60年代中期,中国科学院还研制成功了我国第一台运算百万次的655计算机。那时我国正处于层层国际封锁之中,从半导体原料的提纯到整机的构成,都是中国科学工作者和工程技术人员自己解决的。第二代计算机普遍采用了磁芯存储器。
磁芯存储卡电路板
实际尺寸为10.8×10.8cm
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从MOSFET说起
在各种新型的半导体开关器件中,最值得介绍的是所谓“金属氧化物-半导体场效应管”,英文缩写是MOSFET,或者简单叫MOS。它几乎是像继电器一样简单的开关,而且最适合于一种新的工艺——硅的平面工艺。硅平面工艺已经成为大规模集成电路的基础。
首先在纯净的高电阻的p型硅单晶片上,长一层薄薄的二氧化硅(SiO2),它是很好的绝缘体,同时可以保护硅晶面不受其他杂质拈污。现代工艺还要在氧化硅上再沉积一层氮化硅(SiN4),这也是性能很好的绝缘体。
然后在氧化硅表面上腐蚀出两个小洞,用扩散或离子注入的办法,使小洞处的硅掺杂成n型半导体。最后在n型硅和小洞之间的氧化硅上面,蒸发或沉积金属电极,并且作出引线。这样就造出了如图所示的MOS晶体管。
从n型区接出的两个极称为源极(S)和漏极(D),氧化层上的金属极称为栅极(G)。
近来虽然更多改用多晶硅来制造栅极,但MOS的名字仍然沿用下来,没有变成SOS!
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对于NMOS而言,真正用来作为沟道、让载流子通过的只有MOS电容正下方半导体的表面区域。
当一个正电压施加在栅极上,带负电的电子就会被吸引至表面,形成沟道,让N型半导体的多数载流子—电子可以从源极流向漏极。
如果这个电压被移除,或是放上一个负电压,那么沟道就无法形成,载流子也无法在源极与漏极之间流动,也就是可以透过栅极的电压控制沟道的开关。
图所示的场效应管,源极和漏极参杂成n型区,栅极处于正点位时在源漏之间诱导出n型导电沟道,S和D导通。这样的三极管称为N型金属氧化物半导体管,简称NMOS。
还可以把上面讨论中的n和p互换,制造PMOS管。它在栅极处于负电位时因诱发p型导电沟道使源极和漏极导通。
MOS管的开关能量和延迟时间都是由源极和漏极之间的半导体硅通道的长度决定的,因此多年来增加芯片上三极管密度的努力主要靠缩短这一通道的尺寸。
目前大规模集成电路中更多采用对称型双栅极MOS管和共用NMOS与PMOS的互补式的CMOS电路。
双栅极MOS管
如何用机器生产机器?
空间光调制器(SLM)成像单元
光刻工艺的思想,源于印刷电路板的制造。把电子元件用导线焊接到一起,本来是一种费事的手工劳动。20世纪50年代人们开始使用印刷电路板工艺,先在贴有铜箱的绝缘板上涂敷一层感光胶,再盖上事先设计好的模板。模板不透明部分保护下面的涂层不使其感光,而透明部分感光之后连同下面的铜箱一起被腐蚀掉,剩下的铜箱便构成印刷电路,经过打孔、孔壁金属化等手续,使绝缘板两面的印刷线路适当连接起来,并在相应孔中插上晶体管和阻、容元件。令插好元件的印刷板从熔融的锡槽上面通过。设法在锡槽中吹起一道波浪,元件插脚从波峰中经过时便被焊到印刷板上,这叫作“波峰焊”。为了实现复杂的电路联接,有时要使用多层印刷板。这一套工艺使电路板的生产实现了流水线化,大为提高了电子产品的劳动生产率。
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最初的光刻技术就是把印刷电路工艺搬到硅单晶片上。为了实现精确的线路和元件布置,要设计尺寸相当大的“光刻掩膜”,用照相方法缩小,最后“照”到敷在硅片表面的感光胶上。曝光之后,根据需要进行腐蚀、扩散或离子注入、氧化或者外延生长。要多次使用其他掩膜重复类似的过程。为了制成一块集成电路,往往要用很多种掩膜,重复进行“光刻”。这些掩膜必须极为精确地对准。
整个生产环境也必须十分清洁,因为一粒灰尘就可能破坏整个电路。通常在一块直径为3~12英寸(76~305毫米)的圆形硅单晶片上,要制备大量相同的集成电路。然后把硅片切割、引线、封装,制成产品。
早年集成电路的产品合格率很低,后来各个生产环节全面使用电子计算机控制,集成度即单位面积上的元件数目和产品合格率不断提高。目前一些大的集成电路生产厂家,自动化生产线上源源不断的产品可以前后彼此不同,因为只要用特定的语言把电路的设计方案描述出来,计算机就控制整个生产过程,实现相应的元件和布线,制出不同的芯片。
参考资料:
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