1

BÀI GIẢNG MÔN HỌC
CÔNG NGHỆ VI ĐIÊN TỬ
Credits: 2
Prerequisites:- Semiconductor Devices
- Microelectronic Circuit Design References
1. HONG H. LEE, Fundamentals of Microelectronics Processing. 3
rd
Ed., McGraw-Hill; USA; 1990.
2. STEPHEN BROWN and ZVONKO VRANESIC, Fundamentals of Digital Logic with VHDL
Design, 3rd Ed., Mc.Graw-Hill, 2000.
3. SUNG-MO KANG and YUSUF LEBLEBICI, CMOS Digital Integrated Circuits Analysis and
Design. Mc.Graw-Hill, 2005.
4. DAN CLEIN, CMOS IC Layout, Newnes, 2000.
5. DAVID A. HODGES, HORACE G. JACKSON, RESVE A. SALEH, Analysis and Design of Digital
Integrated Circuits in Deep Submicron Technology, Mc.Graw-Hill, 2003.
2
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ CƠNG NGHỆ MẠCH TÍCH HỢP
§1.1 Cạc mảch têch håüp
Cạc mảch têch håüp (IC) l cạc mảch âiãûn tỉí âỉåüc chãú tảo båíi viãûc tảo ra mäüt cạch âäưng thåìi cạc
pháưn tỉí riãng l nhỉ transistor, diodes ... trãn cng mäüt chip bạn dáùn nh (âiãøn hçnh l Si), cạc pháưn tỉí
âỉåüc näúi våïi nhau nhåì cạc váût liãûu kim loải âỉåüc ph trãn bãư màût ca chip. Cạc váût liãûu kim loải âọng
vai tr nhỉ cạc “ wireless wires”. tỉåíng ny láưn âáưu tiãn âỉåüc âỉa ra båíi Dummer nàm 1952. Cạc

Si vồùi caùc õióỷn tổớ cuớa lồùp ngoaỡi cuỡng (lồùp voớ) trong caùc lión kóỳt coỹng hoùa tri (covalent bond) giổợa caùc
nguyón tổớ lỏn cỏỷn. Mọỹt chỏỳt baùn dỏựn coù thóứ õổồỹc õởnh nghộa nhổ laỡ mọỹt vỏỷt lióỷu cú õọỹ dỏựn õióỷn coù thóứ
õióửu khióứn õổồỹc, trong khoaớng trung gian giổợa õióỷn mọi vaỡ kim loaỷi. Khaớ nng thay õọứi õọỹ dỏựn cuớa Si
trong khoaớng nhióửu bỏỷc coù thóứ õổồỹc thổỷc hióỷn bồới vióỷc õổa vaỡo maỷng tinh thóứ Si caùc nguyón tổớ taỷp chỏỳt
hoùa trở 3 nhổ Boron hoỷc hoùa trở 5 nhổ Phosphorus, chuùng õổồỹc goỹi laỡ caùc dopant hoỷc laỡ caùc taỷp chỏỳt
mong muọỳn. Quaù trỗnh naỡy goỹi laỡ quaù trỗnh pha taỷp hay doping. Caùc baùn dỏựn saỷch õổồỹc goỹi laỡ baùn dỏựn
thuỏửn hay intrinsic, caùc baùn dỏựn pha taỷp goỹi laỡ extrinsic. Nóỳu pha taỷp nhoùm 5 (chúng haỷn P) vaỡo Si thỗ
ngoaỡi 4 õióỷn tổớ lión kóỳt coỹng hoùa trở vồùi 4 õióỷn tổớ lồùp voớ cuớa caùc nguyón tổớ Si lỏn cỏỷn, õióỷn tổớ thổù 5 cuớa
nguyón tổớ taỷp coù lión kóỳt loớng leớo vồùi haỷt nhỏn vaỡ coù thóứ chuyóứn õọỹng tổồng õọỳi dóự daỡng trong maỷng tinh
thóứ Si. Daỷng baùn dỏựn naỡy õổồỹc gở laỡ baùn dỏựn loaỷi-n, vaỡ taỷp nhoùm 5 õổồỹc goỹi laỡ taỷp donor. Nóỳu pha taỷp
nhoùm 3 (chúng haỷn B) vaỡo Si thỗ 3 õióỷn tổớ lồùp voớ cuớa nguyón tổớ taỷ
p lión kóỳt coỹng hoùa trở vồùi caùc õióỷn tổớ
lồùp voớ cuớa caùc nguyón tổớ Si lỏn cỏỷn do õoù coù thóứ coi lồùp voớ cuớa nguyón tổớ taỷp coù 7 õióỷn tổớ, vaỡ bở trọỳng
mọỹt õióỷn tổớ. Vở trờ lión kóỳt khuyóỳt naỡy õổồỹc goỹi laỡ mọỹt lọự trọỳng (hole). Mọỹt õióỷn tổớ tổỡ nguyón tổớ Si gỏửn
õoù coù thóứ rồi vaỡo chọự trọỳng naỡy vaỡ lọự trọỳng õổồỹc xem nhổ chuyóứn dồỡi õóỳn vở trờ mồùi. Baùn dỏựn loaỷi naỡy
õổồỹc goỹi laỡ baùn dỏựn loaỷi -p, vaỡ taỷp nhoùm 3 õổồỹc goỹi laỡ taỷp acceptor. Caùc õióỷn tổớ vaỡ lọự trọỳng khi dởch
chuyóứn seợ mang theo chuùng caùc õióỷn tờch ỏm vaỡ dổồng nón õổồỹc goỹi laỡ caùc haỷt taớ
i. Caùc chỏỳt baùn dỏựn coù
thóứ ồớ daỷng nguyón tọỳ (nhổ Si, Ge) hoỷc hồỹp phỏửn. Sọỳ õióỷn tổớ trung bỗnh trón mọỹt nguyón tổớ thổồỡng bũng
4, ngoaỷi trổỡ trổồỡng hồỹp caùc baùn dỏựn A
V
-B
VI
.
Mọỹt baùn dỏựn thuỏửn thổồỡng laỡ õióỷn mọi trổỡ khi noù õổồỹc kờch thờch nhióỷt hoỷc quang. Nóỳu kờch
thờch õuớ maỷnh noù coù thóứ trồớ thaỡnh dỏựn õióỷn. Caùc mổùc nng lổồỹng khaớ dộ cuớa õióỷn tổớ laỡ rồỡi raỷc vaỡ sổỷ kờch
thờch seợ laỡm cho caùc õióỷn tổớ coù thóứ nhaớy lón mổùc nng lổồỹng cao hồn. Vỗ chỏỳt baùn dỏựn coù thóứ laỡ õióỷn mọi
hay dỏựn õióỷn tuỡy thuọỹc vaỡo mổùc õọỹ kờch thờch, nón coù thóứ coi noù bióứu hióỷn nhổ mọỹt chỏỳt dỏựn õióỷn nóỳu
nng lổồỹng kờch thờch vổồỹt quaù mọỹt mổùc ngổồợng nhỏỳt õởnh, goỹi laỡ energy barrier, kyù hióỷu E
g

nhióỷt õọỹ thỏỳp õọỳi vồùi vióỷc hỗnh thaỡnh caùc EHP. Vồùi baùn dỏựn loaỷi -p, vỗ caùc mổùc acceptor rỏỳt gỏửn trón õốnh
vuỡng hoùa trở nón mọỹt kờch thờch nheỷ coù thóứ laỡm cho caùc õióỷn tổớ trong vuỡng hoùa trở nhaớy lón chióỳm caùc
mổùc acceptor vaỡ õóứ laỷi caùc lọự trọỳng trong vuỡng hoùa trở. Do õoù caùc baùn dỏựn loaỷi -p coù thóứ coù nọửng õọỹ lọự
trọỳng lồùn ngay caớ ồớ nhióỷt õọỹ thỏỳp.
Khi mọỹt baùn dỏựn õổồỹc pha taỷp loaỷi-n hoỷc loaỷi -p, mọỹt trong hai loaỷi haỷt taới seợ chióỳm ổu thóỳ vóử
nọửng õọỹ vaỡ õổồỹc goỹi laỡ haỷt taới cồ baớn (hay majority carrier), loaỷi haỷt taới coỡn laỷi õổồỹc goỹi laỡ haỷt taới khọng
cồ baớn (hay minority carrier).
§1.3 Cạc quan hãû cå bn v âäü dáùn âiãûn
Vç chuøn âäüng ca cạc hảt ti tảo ra sỉû dáùn âiãûn, nãn näưng âäü hảt ti l âải lỉåüng âỉåüc quan tám
hng âáưu trong cäng nghãû IC. Våïi bạn dáùn thưn, näưng âäü âiãûn tỉí trong vng dáùn n bàòng näưng âäü läù
träúng trong vng họa trë p:
n = p = n
i
(1.1)
trong âọ n
i
gi l näưng âäü hảt ti näüi ca bạn dáùn thưn åí trảng thại cán bàòng (hay trảng thại ténh).
Gi thiãút cạc tảp cháút phán bäú âäưng nháút. Âãø tha mn âiãưu kiãûn trung ha âiãûn têch (trung ha
ténh âiãûn) trong bạn dáùn thưn, cạc âiãûn têch dỉång phi bàòng cạc âiãûn têch ám. Våïi silicon, cạc tảp cháút
hồûc thiãúu hủt hồûc dỉ thỉìa mäüt âiãûn tỉí so våïi Si. Vç váûy:
P + N
D
= n + N
A
(1.2)
trong âọ, N
D

(1.3)
Quan hãû ny âụng cho cạc loải bạn dáùn báút k åí cán bàòng nhiãût.
Våïi mäüt bạn dáùn loải -n, näưng âäü âiãûn tỉí n
n
cọ thãø nháûn âỉåüc khi thay (1.3) vo (1.2):

(1.4)
()
[]
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
+−+−=
2
1
22
4
2
1
iADADn
nNNNNn

Tỉång tỉû cho bạn dáùn loải -p:

(1.5)
()
[]

A
| noùi chung lồùn hồn rỏỳt nhióửu so vồùi n
i
. Vỗ vỏỷy nọửng õọỹ haỷt taới cồ baớn coù thóứ õổồỹc tờnh
xỏỳp xố tổỡ (1.4) vaỡ (1.5):
n
n
N
D
- N
A
(1.6)
p
p
N
A
- N
D
(1.7)
Nọửng õọỹ haỷt taới khọng cồ baớn (thióứu sọỳ) coù thóứ õổồỹc tờnh xỏỳp xố tổỡ (1.6) , (1.7) vaỡ (1.3):

AD
i
n
NN
n
p


2


+
=

(1.10)

vồùi T laỡ nhióỷt õọỹ tuyóỷt õọỳi, k laỡ hũng sọỳ Boltzmann (8.62 x 10
-5
eV/K = 1.38 x 10
-23
J/K) vaỡ E
F
õổồỹc goỹi
laỡ mổùc Fermi. Mổùc Fermi chờnh laỡ thóỳ hoùa hoỹc cuớa õióỷn tổớ trong chỏỳt rừn, vaỡ coù thóứ xem nhổ mổùc nng
lổồỹng maỡ taỷi õoù xaùc suỏỳt chióỳm traỷng thaùi cuớa õióỷn tổớ õuùng bũng 1/2. ọử thở haỡm phỏn bọỳ xaùc suỏỳt
Fermi-Dirac cho caùc nhióỷt õọỹ khaùc nhau õổồỹc minh hoỹa ồớ hỗnh (1-3): Hỗnh 1-3 phỏn bọỳ xaùc suỏỳt Fermi-Dirac

7
Tổỡ haỡm phỏn bọỳ xaùc suỏỳt Fermi-Dirac, sọỳ khaớ dộ caùc õióỷn tổớ trong baùn dỏựn coù mổùc nng lổồỹng xaùc
õởnh coù thóứ õổồỹc tờnh tổỡ haỡm mỏỷt õọỹ xaùc suỏỳt N(E). Nóỳu sọỳ traỷng thaùi nng lổồỹng trón mọỹt õồn vở thóứ tờch
(hay mỏỷt õọỹ traỷng thaùi) ồớ trong khoaớng nng lổồỹng dE laỡ N(E)dE, thỗ sọỳ õióỷn tổớ trón mọỹt õồn vở thóứ tờch
(hay mỏỷt õọỹ õióỷn tổớ) trong vuỡng dỏựn, n, õổồỹc cho bồới:

dEENEfn


Trong õoù
N
c
õổồỹc cho bồới:

2/3
2
2
2







=

h
kTm
N
n
c
(1.13)



()
kTEE
kTEE
c
fc
Fc
e
e
Ef
/
/
1
1
)(



+
=8
Khi õoù (1.12) trồớ thaỡnh:

(1.15)
( )
kTEE
c
fc
eNn

vVồùi



ì
ì
=


GaAsfor )300/(107
for )300/(1004.1
32/318
32/319
cmT
SicmT
(1.17)

m
p
*
laỡ khọỳi lổồỹng hióỷu duỷng cuớa lọự trọỳng. Caùc phổồng trỗnh (1.15) vaỡ (1.16) coù hióỷu lổỷc cho caớ baùn dỏựn
thuỏửn vaỡ pha taỷp, chố thay E
F
bũng E
I
cho trổồỡng hồỹp baùn dỏựn thuỏửn.
Nóỳu caùc haỷt taới phỏn bọỳ õóửu, mỏỷt õọỹ doỡng õióỷn do sổỷ dởch chuyóứn cuớa caùc õióỷn tổớ vồùi vỏỷn tọỳc

2
àà
=
(1.20)

Vồùi õióỷn tổớ: ,vồùi lọự trọỳng:
Ev
nn
à
=
Ev
pp
à
=

9
ọỹ linh õọỹng cuớa haỷt taới phuỷ thuọỹc vaỡo nọửng õọỹ haỷt taới vaỡ vaỡo nhióỷt õọỹ. Noùi chung õọỹ linh õọỹng
cuớa õióỷn tổớ lồùn hồn õọỹ linh õọỹng cuớa lọự trọỳng. Vồùi Si, ồớ nhióỷt õọỹ 20
o
C, à
n
= 1900 cm
2
/(V.s) vaỡ à
p
= 425
cm
2
/(V.s). Quan hóỷ (1.20) õuùng vồùi cổồỡng õọỹ õióỷn trổồỡng khọng quaù lồùn (thổồỡng nhoớ hồn 0.2V/cm). Vồùi
õióỷn trổồỡng lồùn hồn, õọỹ linh õọỹng tng chỏỷm theo cổồỡng õọỹ õióỷn trổồỡng vaỡ tióỳn tồùi giaù trở baợo hoỡa. Doỡng

tỉí têch cỉûc. Våïi mủc âêch âọ cạc tiãúp xục pn phi âỉåüc ạp âàût thãú phán cỉûc ngỉåüc hồûc bàòng khäng. ÅÍ
chãú âäü ny chiãưu cao ro thãú s tàng khi tàng näưng âäü pha tảp.
Cạc transistor cọ thãø âỉåüc dng nhỉ cạc pháưn tỉí khúch âải hồûc chuøn mảch. Trong cáúu trục ba
låïp ca BJT-transistor, låïp base (låïp giỉỵa) ráút mng v âỉåüc pha tảp êt hån so våïi emitter v collector.
Vç váûy mäüt dng base ráút nh s gáy ra mäüt dng emitter-collector låïn hån nhiãưu. Mäüt BJT cạ
ch ly âiãøn
hçnh dng cho cạc mảch têch håüp âỉåüc mä t åí hçnh (1.2). Hçnh 1.2 Mäüt âån vë npn-BJT cå bn dng cho IC.
Vç c ba cỉûc âãưu phi åí trãn bãư màût ca chip, nãn dng collector phi chy qua mäüt âỉåìng dáùn cọ
âiãûn tråí låïn trong váût liãûu pha tảp nhẻ
n
. Mäüt phỉång phạp chung âãø gim âiãûn tråí collector l dng mäüt
låïp pha tảp mảnh (n+) ngay bãn dỉåïi collector. Låïp n+ ny âỉåüc gi l låïp ngáưm (buried layer). Âãø cạch

11
ly õồn vở BJT naỡy vồùi caùc õồn vở khaùc ngổồỡi ta duỡng lồùp õóỳ p õóứ taỷo ra caùc chuyóứn tióỳp pn caùch ly. Caùc
BJT loaỷi npn õổồỹc duỡng nhióửu vỗ cọng nghóỷ chóỳ taỷo õồn giaớn hồn so vồùi pnp-BJT.
Transistor trổồỡng (FET) dổỷa trón cọng nghóỷ MOS chióỳm ổu thóỳ trong cọng nghóỷ IC, õỷc bióỷt cho
caùc IC logic. MOSFET coù thóứ laỡ kónh n hoỷc kónh p tuỡy thuọỹc vaỡo haỷt taới cho sổỷ dỏựn õióỷn laỡ n hay p. Vỗ
õọỹ linh õọỹng cuớa õióỷn tổớ cao hồn nhióửu so vồùi lọự trọng nón MOSFET kónh n õổồỹc duỡng nhióửu hồn. Mọỹt
lión hồỹp coù tờnh luỏn chuyóứn cuớa NMOS vaỡ PMOS õổồỹc goỹi laỡ CMOS (complimentary MOS), hỗnh ( ).
Hỗnh 1.3 Cỏỳu hỗnh CMOS õồn giaớn
Do khoù khn trong cọng nghóỷ chóỳ taỷo cỏỳu truùc MOS cho GaAs nón MESFET laỡ cỏỳu truùc cồ sồớ
cho IC trón cồ sồớ GaAs. Tuy nhión caùc MESFET-IC trón cồ sồớ GaAs coù tọỳc õọỹ cao, mỏỷt õọỹ tờch hồỹp cao
vaỡ õọỹ rọỹng vuỡ
ng cỏỳm lồùn. Mọỹt cỏỳu truùc õồn giaớn cuớa MESFET trón cồ sồớ GaAs õổồỹc mọ taớ ồớ hỗnh ().
MESFET hoaỷt õọỹng vồùi gate Schottky phỏn cổỷc ngổồỹc vaỡ caùc tióỳp xuùc Ohmic cho drain vaỡ source. óỳ laỡ
GaAs baùn õióỷn mọi do pha taỷp thờch hồỹp, chúng haỷn Cl, sao cho mổùc Fermi õổồỹc ghim ồớ gỏửn giổợa vuỡng

A
L
nqD
L
pqD
I
n
pen
p
nep
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=∆
0
()
( )
2/12/1
,
nnnppp
DLDL
ττ
==
CCC
B
EpEpE
Ep
E
EpEn
Ep
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
II
I

• Chỉ cần giải phương trình trung hoà cho miền Base vì các dòng
được xác định bởi đặc trưng của hạt tải trong 2 miền chuyển
tiếp quanh Base.
• Khi các thế phân cực lớn và Emitter pha tạp mạnh thì:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜

L
W
aI
L
W
aI
L
W
aI
coth
csch

2
tanh
1
1
1

15

()
1,
/
1
−=∆
∆
=
kTqV
Bep
p

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−−=
2
2
1
DDTG
in
D
VVVV
L
ZC
I
µ

Z: chiều sâu của kênh, L: chiều dài kênh, C
i
: điện
dung lớp cách điện trên đơn vị diện tích,
n
µ

độ linh
động bề mặt của điện tử.
=
19
trong õoù laỡ hóỷ sọỳ phuỷ thuọỹc vaỡo mổùc pha taỷp (=2 cho base pha taỷp
õọửng nhỏỳt), vaỡ vaỡo õióỷn trổồỡng aùp õỷt.
Ngoaỡi ra coỡn coù hai tióu chuỏứn cho sổỷ hoaỷt õọỹng bỗnh thổồỡng cuớa
transistor. Mọỹt laỡ thóỳ õaùnh thuớng. Dổồùi õióửu kióỷn phỏn cổỷc ngổồỹc, coù hai
nguyón nhỏn gỏy ra hióỷn tổồỹng õaùnh thuớng. Mọỹt laỡ tunnel do õióỷn trổồỡng
caớm ổùng (thổồỡng giổợa hai mióửn pha taỷp maỷnh, hióỷu ổùng Zener). Hai laỡ õaùnh
thuớng thaùc luợ, do caùc cỷp õióỷn tổớ-lọự trọỳng õổồỹc taỷo ra do caùc haỷt taới õổồỹc
gia tọỳc bồới õióỷn trổồỡng. Thóỳ õaùnh thuớng (BV) thổồỡng lión quan vồùi hóỷ sọỳ
nhỏn collector nhổ sau:

[]
n
CBCB
BVV
M
o
)/(1
1

=Trong õoù n laỡ hũng sọỳ vaỡ (BV)
Cbo
laỡ thóỳ õaùnh thuớng hồớ maỷch.

1
sec
nb
n
b
T
LW
L
W
h
+


EB
GG /1
1
+


Trong õoù L
n
laỡ quaợng õổồỡng khuóỳch taùn cuớa õióỷn tổớ, sọỳ Gummel G
B


>> L
n
.

[]
n
CBoCBbEB
BVVLWGG )/(2//
1
2
+

Nóỳu giaớ thióỳt coù mọỹt phỏn bọỳ Gauss cuớa nọửng õọỹ taỷp chỏỳt (kóỳt quaớ cuớa
uớ nhióỷt), vồùi nọửng õọỹ taỷi bóử mỷt laỡ N
Bo
thỗ:
CBoB
N
Dt
x
xNN = )
4
p(e
221







=

1
2
2
2
0
2/
0
2/
2/1
2Vồùi
()
2/1
1
2Dt
x
t
EB
=


q
WQxN
q
xQ
q
BV
bBoCBo
S
CBo
22
)(
2
11

Vồùi x
1
= x
epi
- x
BC
Caùc phổồng trỗnh (1.6.1 v 1.6.2) duỡng õóứ xaùc õởnh cọng nghóỷ chóỳ taỷo.
Vỏỳn õóử coù thóứ õổồỹc phaùt bióứu dổồùi daỷng: cho caùc giaù trở mong muọỳn cuớa ,
f
T
, (BV)
CBo
, vaỡ R
SB
(trồớ khaùng sheet cuớa base), cỏửn xaùc õởnh kờch thổồùc vaỡ
caùch thổùc pha taỷp cho vióỷc chóỳ taỷo BJT nhổ hỗnh (1.6.1). Baỡi toaùn vaỡ lồỡi

/ = 5x10
13
/45 = 1.11x10
12
cm
-4
s
Nọửng õọỹ pha taỷp trung bỗnh ồớ base thổồỡng laỡ 10
17
cm
-3
.

Tổỡ hỗnh 1-7 õoỹc õổồỹc D
nB
laỡ 15 cm
2
/s. Tổỡ (1.63) suy ra:
Q
Bo
/q = D
nB
G
B
= 1.67x10
13
cm
-2
Tổỡ 1.57 vaỡ 1.58 vồùi = 4 vaỡ giaới cho W
b