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为什么现在的CMOS工艺一般都是用P衬底而不是N衬底

时间:2023-01-11 05:00:00 cmos半导体集成电路pnp外延平面硅晶体管pnpnpn多外延型晶体管npn40p集成电路ic硅外延型晶体管usb14集成电路

第一种解释

为什么CMOS工艺采用P衬底而不是N衬底?

这主要从两个方面考虑:一是材料和工艺问题;二是电气性能问题。 P型半导体是在单晶硅(或锗)中加入微量三价元素,如硼、镓或铝;N在单晶硅(或锗)中加入微量五价元素,如磷、锑、砷等。P型半导体和N型半导体在材料成本上应该差别不大,但要做成电子产品,生产工艺上会有很大的差异。例如,用本征锗材料制成PNP与本征锗材料相比,晶体管是由本征锗材料制成的NPN晶体管容易得多,因为锆和锗容易结合(扩散);同样,它是由本征硅材料制成的NPN与用本征硅材料制作的晶体管相比,PNP要容易得多。一种半导体生产工艺的诞生一天完美的,需要大量的实验和经验积累。早期生产的场效应管大部分是结型场效应管,这种结型场效应管在结构方面与PNP晶体管非常相似,两者的区别主要是基区引出电极的区别(基极与源极和漏极)。晶体管中间有一层(N区)当成一个电极引出称为基极,其余上下两层(P-P区)分别作为发射极和集电极引出;场效应管将基区视为导电沟(N沟通),并在两端引出一个电极,称为源极和漏极,其余两层(P-P当源极和栅极分别引出区)。绝缘栅场效应管从结型场效应管演变而来,结型场效应管中的栅极(P用金属氧化物代替型半导体可以成为绝缘栅场效应管,简称mos管。早期的MOS大量管道采用N沟结构(N以P型半导体为衬底的沟通结构),P沟通结构的场效应管(P沟道结构采用N型半导体做衬底)的诞生,相对要比N沟通结构的场效应管晚。可能是因为工艺原因,P沟场效应管的价格一直远高于n沟场效应管,但电性能却远低于n沟结构场效应管,因此,P很少有人使用沟场效应管。P沟场效应管比N沟场效应管电性能差的主要原因是沟材的电气性能不同。电子在N沟中参与导电,而在P沟中参与导电的是空穴,两者在单位电场强度下的迁移率相差很大。电子迁移率远大于空穴迁移率,即N沟的导电性能优于P沟。因此,N沟场效应管的导通速度或工作频率远高于P沟场效应管。此外,用于生产场效应管栅极的金属氧化物与N型半导体的接点电位差,与P型半导体的接点电位差,不仅值不同,而且极性也不同。金属氧化物作为场效应管栅极,与P型半导体的接点电位差低于N型半导体的接点电位差(绝对值)。因此,P沟场效应管和N沟场效应管的工作电压极性也不同,两者好相反,输入输出特性也不完全相同。P输入、输出特性及沟道场效应管PNP晶体管的输入、输出特性相似;而N输入、输出特性及沟道场效应管NPN晶体管的输入输出特性相似。但场效应管属于电压控制特性,而晶体管属于电流控制特性,两者仍存在本质区别。所谓节点电位差,是指当两个不同性质的物体相互接触时,两个物体接触界面产生的电位差(一个带正电,另一个带负电)。MOS由于早期生产,管道的诞生相对较早MOS与晶体管相比,管道可靠性差,因此MOS管道延迟未大量使用。直到微型计算机和大量数字电路产品出现,特别是CMOS大规模集成电路技术诞生后, MOS广泛使用管道。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 互补金属氧化物半导体是由两种工艺(垂直延伸和水平延伸)同时制造的MOS鉴于N沟场效应管在生产工艺和电气性能上优于P沟场效应管,CMOS电路使用P衬底是理所当然的,因为在使用中CMOS在生产过程的集成电路中,N沟场效应管的数量远高于P沟场效应管。

链接https://bbs.elecfans.com/jishu_232426_1_1.html

第二种解释

从电路设计的角度来看,如果衬底是p型的,那么衬底就会接地实现pn结反偏,这样在电路设计上比较简单。毕竟是地,选择一个质量好的地连接就可以了。… 对应,n型衬底需要连接衬底的电源,以确保pn结反偏。事实上,现在soc芯片上会有几种电源,比如1.1v 的core 电源,1.1v的soc电源,1.8v 模拟电源,3.3v的IO电源,5v的usb电源…为了保证这么多电源,因为衬底是公共的pn结一定是反偏的,那就要将n型衬底接到最高的5v就电源而言,问题来了,在实际应用中,这个usb可能不用,那它的5v没有电源,所以,n事实上,型衬底不知道接收到了什么电压值,导致整个电压值chip不能正常工作。因此,目前使用n型衬底soc设计不太方便

链接:https://www.zhihu.com/question/20086302/answer/136336263

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