集成电路学习.pptx

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1、1.半导体的结构半导体的结构原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构：构构 成成 一一 个正四个正四面体，面体，具具 有有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构第1页/共81页半导体半导体的结合和晶体结构的结合和晶体结构金刚石结构金刚石结构 半导体有元素半导体，如：半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS第2页/共81页2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：本征半导体：n=p=ni第3页/共81页电子：电子：Electron，带负电的导电载流，带负电的导电

2、载流子，是价电子脱离原子束缚子，是价电子脱离原子束缚 后后形成的自由电子，对应于导带形成的自由电子，对应于导带中占据的电子中占据的电子空穴：空穴：Hole，带正电的导电载流子，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成后形成的电子空位，对应于价带中的的电子空位，对应于价带中的电子空位电子空位第4页/共81页3.半导体的能带半导体的能带(价带、导带和带隙价带、导带和带隙)量子态和能级量子态和能级固体的能带结构固体的能带结构 原子能级原子能级 能带能带第5页/共81页共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态共价键固体：成键

3、态、反键态原原 子子 能能 级级 反反 成成 键键 态态 成成 键键 态态第6页/共81页价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：禁带：导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导导导 带带带带价价价价 带带带带E E E Eg g g g第7页/共81页半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑

4、了晶格作用后的真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量电子和空穴的有效质量m*m*第8页/共81页4.半导体的掺杂半导体的掺杂BAs 受受 主主 掺掺 杂杂 施施 主主 掺掺 杂杂第9页/共81页施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中中掺掺的的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半

5、导体，掺入半导体的杂质原子向半导体中中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B第10页/共81页施主能级施主能级受主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态第11页/共81页本征载流子浓度：本征载流子浓度：n=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关5.本征载流子本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度载流子浓度 电电 子子 浓浓 度度 n,空空 穴

6、穴 浓浓 度度 p第12页/共81页6.6.非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子在非本征情形在非本征情形:热平衡时热平衡时:N型半导体：型半导体：n大于大于pP型半导体：型半导体：p大于大于n第13页/共81页多子：多数载流子多子：多数载流子n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子第14页/共81页7.电中性条件电中性条件:正负电荷之和为正负电荷之和为0p+Nd n Na=0施主和受主可以相互补偿施主和受主可以相互补偿p=n+Na Ndn=p+Nd Na第15页/共81页n型半导

7、体：电子型半导体：电子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半导体：空穴 p Na 电子电子 n ni2/Na第16页/共81页8.过剩载流子过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用，半导由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子公式公式不成立不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合第17页/共81页9.9.载流子

8、的输运载流子的输运漂移电流迁移率 电阻率单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力 载载流流子子的的漂漂移移运运动动：载载流流子子在在电电场场作作用用下下的的运运动动 引 入 迁 移 率 的 概 念 影 响 迁 移 率 的 因 素第18页/共81页影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热 运 动 引 起）电离杂质散射第19页/共81页扩散电流电子扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动第20页/共81页过剩载流子的扩散和复合过剩

9、载流子的复合机制：直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程扩散长度扩散长度L Ln n和和L Lp p:L=(D:L=(D )1/21/2第21页/共81页描述半导体器件工作的基本方程描述半导体器件工作的基本方程 泊松方程泊松方程 高斯定律高斯定律 描述半导体中静电势的变化规律描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米能级静电势由本征费米能级Ei的变化决定的变化决定能带向下弯，能带向下弯，静电势增加静电势增加第22页/共81页方程的形式1方程的形式2电荷密度(x)可动的 载流子（n,p)固定的 电离的施主、受主特例：均匀Si中，无外加偏压时，方程RHS0，静电势为常数第23

10、页/共81页 电流连续方程 可动载流子的守恒热平衡时：产生率复合率np=ni2电子：空穴第24页/共81页 电流密度方程 载流子的输运方程在漂移扩散模型中扩散项漂移项方程形式1第25页/共81页爱因斯坦关系波耳兹曼关系方程形式2电子和空穴的准费米势：费米势第26页/共81页重重 点点半导体、半导体、N型半导体、型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产

11、生、复合输运、漂移、扩散、产生、复合第27页/共81页作作 业业载流子的输运有哪些模式，对载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述这些输运模式进行简单的描述设计一个实验：首先将一块本设计一个实验：首先将一块本征半导体变成征半导体变成N型半导体，然后型半导体，然后再设法使它变成再设法使它变成P型半导体。型半导体。第28页/共81页半导体器件物理基础半导体器件物理基础北京大学北京大学第29页/共81页*据统计：半导体器件主要有据统计：半导体器件主要有67种，另种，另外还有外还有110个相关的变种个相关的变种*所有这些器件都由少数基本模块构成：所有这些器件都由少数基本模块构成：pn结结金

12、属半导体接触金属半导体接触 MOS结构结构 异质结异质结 超晶格超晶格半导体器件物理基础半导体器件物理基础第30页/共81页PN结的结构结的结构第31页/共81页1.PN结的形成结的形成NP空间电荷区空间电荷区XM空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层X XN NX XP P空间电荷区为高阻区，因为空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子缺少载流子第32页/共81页2.平衡的平衡的PN结结：没有外加偏压没有外加偏压能带结构能带结构能带结构能带结构载流子漂移载流子漂移(电流电流)和扩散和扩散(电流电流)过程保持平衡过程保持平衡(相等相等)，形成自建场和自建势，形成自建场和自建

13、势自建场和自建势自建场和自建势自建场和自建势自建场和自建势第33页/共81页费米能级费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：能级被电子占据的几率为：E=EF时，能级被占据的几率为时，能级被占据的几率为1/2本征费米能级位于禁带中央本征费米能级位于禁带中央第34页/共81页自建势qVbi费米能级平直平衡时的能带结构第35页/共81页3.正向偏置的PN结情形正向偏置时，扩散大于漂移正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：正向电流正向电流电子：P区N区扩散扩散漂移漂移NP第36页/共81页正向的PN结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程

14、第37页/共81页4.PN结的反向特性N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移反向电流反向电流反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散NP第38页/共81页N区P区电子：扩散漂移空穴：P区N区扩散漂移反向电流反向电流反向偏置时，漂移大于扩散反向偏置时，漂移大于扩散第39页/共81页5.PN结的特性结的特性单向导电性：单向导电性：正向偏置正向偏置 反向偏置反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压正向导通电压Vbi0.7V(Si)反向击穿电压反向击穿电压Vrb第40页/共81页6.PN结的击穿雪

15、崩击穿齐纳/隧穿击穿7.PN结电容第41页/共81页 2.4 双极晶体管双极晶体管1.1.双极晶体管的结构双极晶体管的结构双极晶体管的结构双极晶体管的结构由两个相距很近的由两个相距很近的由两个相距很近的由两个相距很近的PNPN结组成：结组成：结组成：结组成：分为：分为：分为：分为：NPNNPN和和和和PNPPNP两种形式两种形式两种形式两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度发射区发射区收集区收集区基区基区发发射射结结收收集集结结发发射射极极收收集集极极基极基极第42页/共81页双极晶体管的双极晶体管的两种形式两种

16、形式：NPN和和PNPNPNcbecbePNP第43页/共81页双极晶体管双极晶体管的结构和版的结构和版图示意图图示意图第44页/共81页第45页/共81页2.3 NPN2.3 NPN晶体管的电流输运机制晶体管的电流输运机制正常工作时的载流子输运正常工作时的载流子输运相应的载流子分布相应的载流子分布第46页/共81页NPNNPN晶体管的电流输运晶体管的电流输运NPNNPN晶体管的电流转换晶体管的电流转换电子流电子流空穴流空穴流第47页/共81页2.3 NPN2.3 NPN晶体管的几种组晶体管的几种组晶体管的几种组晶体管的几种组态态态态共基极共基极共发射极共发射极共收集极共收集极共基极共基极共发

17、射极共发射极共收集极共收集极NNP晶 体 管 的 共 收 集 极 接 法cbe第48页/共81页3.3.晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性3.1 3.1 共发射极的直流特性曲线共发射极的直流特性曲线共发射极的直流特性曲线共发射极的直流特性曲线三个区域：三个区域：饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区第49页/共81页3.3.晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性晶体管的直流特性3.2 3.2 共基极的直流特性曲线共基极的直流特性曲线共基极的直流特性曲线共基极的直流特性曲线第50页/共81页4.晶体管的特性参数晶体管的特性参数4.1 4.1 晶体管的电流增益

18、（放大系数晶体管的电流增益（放大系数晶体管的电流增益（放大系数晶体管的电流增益（放大系数共基极直流放大系数和交流放大共基极直流放大系数和交流放大共基极直流放大系数和交流放大共基极直流放大系数和交流放大系数系数系数系数 0 0 、两者的关系两者的关系两者的关系两者的关系共发射极直流放大系数交流放共发射极直流放大系数交流放共发射极直流放大系数交流放共发射极直流放大系数交流放大系数大系数大系数大系数 0 0、第51页/共81页4.晶体管的特性参数晶体管的特性参数4.2 4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压晶体管的反向漏电流和击穿电压晶体管的反向漏电流和击穿电压晶体管的反向漏电流和击穿电压反向漏电流反

19、向漏电流反向漏电流反向漏电流I Icbocbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流发射极开路时，收集结的反向漏电流发射极开路时，收集结的反向漏电流发射极开路时，收集结的反向漏电流I Ieboebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流收集极开路时，发射结的反向漏电流收集极开路时，发射结的反向漏电流收集极开路时，发射结的反向漏电流I Iceoceo：基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流 晶体管的主要参数之一晶体管的主要参数之一晶体管的主要参数之一晶体管的主要参数之一第52页/共81页4.

20、4.晶体管的特性参数晶体管的特性参数 （续）（续）4.3 4.3 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压BVBVcbocboBvBvceoceoBVBVeboeboBVBVeeoeeo晶体管的重要直流参数之一晶体管的重要直流参数之一第53页/共81页4.4.晶体管的特性参数晶体管的特性参数 （续）（续）4.4 4.4 晶体管的频率特性晶体管的频率特性 截止频率截止频率 f f ：共基极电流放共基极电流放大系数减小到低频值的大系数减小到低频值的 所对应的频率值所对应的频率值 截止频率截止频率f f ：特征频率特征频率f fT T：共发射极电流放大系数为共发射极电流放大系数为1 1时对应的工作频率时对应

21、的工作频率最高振荡频率最高振荡频率f fMM：功率增益为功率增益为1 1时对应的频率时对应的频率第54页/共81页5.BJT的特点的特点优点优点垂直结构垂直结构与输运时间相关的尺与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大与光刻尺寸关系不大易于获易于获得高得高fT高速应高速应用用整个发射结上有整个发射结上有电流流过电流流过可获得单位面积可获得单位面积的大输出电流的大输出电流易于获得易于获得大电流大电流大功率应大功率应用用开态电压开态电压VBE与与尺寸、工艺无关尺寸、工艺无关片间涨落小，可获片间涨落小，可获得小的电压摆幅得小的电压摆幅易于小信易于小信号应用号应用模拟电

22、路模拟电路第55页/共81页输入电容由扩散输入电容由扩散电容决定电容决定随工作电流的减随工作电流的减小而减小小而减小可同时在大或小的电流下工可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度流的载流子密度高跨导高跨导第56页/共81页缺点：缺点：存在直流输入电流，存在直流输入电流，基极电流基极电流功耗大功耗大饱和区中存储电荷上升饱和区中存储电荷上升开关速度慢开关速度慢开态电压无法成为设开态电压无法成为设计参数计参数设计设计设计设计BJTBJT的关键：的关键：的关键：的关键：获得尽可能大的获得尽可能大的获得尽可能大的

23、获得尽可能大的I IC C和尽可能小和尽可能小和尽可能小和尽可能小的的的的I IB B第57页/共81页当代当代BJT结构结构特点：特点：深槽隔离深槽隔离多晶硅发多晶硅发射极射极第58页/共81页 2.5 MOS场效应晶体管场效应晶体管 MOS电容结构电容结构 MOSFET 器件器件第59页/共81页1.MOS 电容电容pp电容的含义电容的含义ppMOSMOS结构结构pp理想的理想的MOSMOS电容特性电容特性pp非理想的非理想的MOSMOS电容特性电容特性第60页/共81页关于电容平行板电容器+Q-QEd+-V面积A电容C定义为：QVC斜率直流和交流时均成立第61页/共81页一 MOS结构交

24、流电容交流电容C定义为：+Q-QEd+-V面积A+Q-Q VQVC（V斜率对于理想的交流电容，C与频率无关这里理想指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线2、介质层不吸收能量第62页/共81页非理想的电容：CidealRpRS半导体中的电容通常是交流电容例如：突变PN结电容和平行板电容器形式一样+-VP+Nxd偏压改变 V第63页/共81页施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型第68页/共81页施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型第69页/共81页施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型第70页/共81页MOS场效应晶体管场效应晶体管结型场效应晶体管 （JFET）金属半导体场效应晶体管（MESFET）MOS 场效应 晶体管（MOSFET）第71页/共81页第72页/共81页第73页/共81页第74页/共81页第75页/共81页第76页/共81页转移特性曲线+提取阈值电压+研究亚阈特性第77页/共81页长 沟M O S F E T的 输 出 特 性第78页/共81页亚0.1微米MOSFET器件的发展趋势N+(P+)N+(P+)P(N)Source Gate DrainN+(P+)第79页/共81页作业作业描述二极管的工作机理描述二极管的工作机理讨论讨论PMOSPMOS晶体管的工作晶体管的工作原理原理第80页/共81页感谢您的观看。第81页/共81页