[教育学]关关雎鸠 南邮 微电子导论课件 ch3

第三讲微电子器件基础,目录,PN结双极晶体管MOS晶体管,3.1 PN结,PN结,N,P,3.1.1 PN结基本结构,PN结形成的微观过程,N-Si,P-Si,3.1.2 平衡PN结,PN结形成的微观过程,接触,N-Si,P-Si,3.1.2 平衡PN结,PN结形成的微观过程,扩散,N-Si,P-Si,扩散电流,3.1.2 平衡PN结,PN结形成的微观过程,复合,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N-Si,P-Si,扩散电流,3.1.2 平衡PN结,PN结形成的微观过程,自建电场,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N-Si,P-Si,漂移电流,3.1.2 平衡PN结,PN结形成的微观过程,平衡,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N-Si,P-Si,漂移电流扩散电流,空间电荷区,3.1.2 平衡PN结,空间电荷区,XM,Ebi,Vbi,载流子数量极少。高阻区。耗尽区,XN,XP,XN XP XM,NDXN NAXP,根据电中性：,自建场,自建势,3.1.2 平衡PN结,PN结的能带,EC,EV,EC,EV,PN结形成之前,EC,EV,EC,EV,PN结形成之后,qVbi,XM,3.1.2 平衡PN结,PN结的偏置,N,P,VD,N,P,V,正向偏置,NSi：低电位PSi： 高电位,反向偏置,NSi：高电位PSi： 低电位,3.1.3 PN结的IV特性,PN结的正向偏置,N,P,N区,P区,电子：,扩散,漂移,N,P,N区,P区,空穴：,扩散,漂移,N区,P区,电子：,扩散,漂移,N区,P区,空穴：,扩散,漂移,VD,VD,3.1.3 PN结的IV特性,PN结正向偏置的能带,EC,EV,EC,EV,qVbi,XM,EC,EV,EC,EV,q（VbiVD）,XM,平衡状态,正偏状态,3.1.3 PN结的IV特性,PN结的正向电流,VD,I,(1)V=0:平衡态，电流为零；(2) 0 Vbi：势垒消失，电流迅速增大。,Vbi0.7V,3.1.3 PN结的IV特性,PN结的反向偏置,N区,P区,电子：,扩散,漂移,N,P,N区,P区,空穴：,扩散,漂移,N区,P区,电子：,扩散,漂移,N区,P区,空穴：,扩散,漂移,V,3.1.3 PN结的IV特性,PN结反向偏置的能带,EC,EV,EC,EV,qVbi,XM,EC,EV,EC,EV,q（VbiV）,XM,平衡状态,反偏状态,3.1.3 PN结的IV特性,PN结的反向电流,反向饱和电流,3.1.3 PN结的IV特性,雪崩击穿的物理过程,(1)高能载流子产生：当在PN结的两端加非常高的反向电压，空间电荷区内的电场将非常强，通过空间电荷区的电子和空穴将获得非常大的能量。(2)碰撞电离：当其与晶格原子发生碰撞时，可以将处于平衡位置的电子撞离平衡位置，从而产生一个电子空穴对，该过程称为碰撞电离。,3.1.3 PN结的IV特性,雪崩击穿的物理过程,(3)载流子倍增：碰撞电离产生的电子空穴对仍然有非常高的能量，它们可以通过碰撞晶格原子产生新的电子空穴对，即产生载流子倍增效应。(4)雪崩击穿：载流子倍增速度非常快，类似雪崩现象。当其增加到一定程度，将使电流急剧增加，PN结发生击穿。,3.1.3 PN结的IV特性,PN结的雪崩击穿,雪崩过程,3.1.3 PN结的IV特性,PN结的IV特性,V,I,(1) V=VB: 雪崩击穿；(2) VB Vbi：势垒消失，电流随偏压增加而迅速增大。,Vbi,VB,-Is,3.1.3 PN结的IV特性,集成电路中的PN结,P衬底,N+,P+,3.1.4 集成电流中的PN结,PN结的特性和应用,整流特性整流二极管稳压特性稳压二极管变容特性变容二极管,3.1.5 PN结的特性和应用,作业,一个硅PN结的掺杂浓度为NA31015cm-3,ND=51015cm-3，（1）若平衡时P型硅一侧的耗尽区宽度为0.9m，求此时总的耗尽区宽度。（2）若给此PN结施加偏压后，总耗尽区宽度变为1.6 m，求P侧和N侧的耗尽区宽度，并判断此时PN结处于正偏还是反偏。一个硅PN结二极管，室温（300K）下饱和电流为1.4810-13A，正向电流已知为0.442A，求此时的正向电压。,目录,PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,3.2 双极晶体管,基本结构和分类,三层结构,NPN晶体管,PNP晶体管,BJT: Bipolar Junction Transistor,3.2.1 双极晶体管的基本结构,NPN晶体管,发射区,集电区,基区,集电结,发射极,集电极,基极,发射结,Emitter,Base,Collector,（1）两个PN结：发射结、集电结（2）三个区：发射区、基区、集电区（3）杂质浓度：发射区基区集电区（4）窄基区：小于数微米,3.2.1 双极晶体管的基本结构,双极晶体管的符号,NPN,c,b,e,c,b,e,PNP,3.2.1 双极晶体管的基本结构,NPN共发射极接法,发射结（eb结）：正偏集电结（cb结）：反偏,输入,输出,发射区,集电区,基区,集电结,发射极,集电极,基极,发射结,3.2.2 NPN晶体管的工作机理,共发射极工作机理,发射区,集电区,基区,发射极,集电极,基极,Ie,Ib,3.2.2 NPN晶体管的工作机理,共发射极工作机理,发射区,集电区,基区,发射极,集电极,基极,自建场方向,Ie,Ib,3.2.2 NPN晶体管的工作机理,共发射极工作机理,发射区,集电区,基区,发射极,集电极,基极,Ie,Ib,电流增益：通过基区的电流与在基区复合的电流之比。,Ic,3.2.2 NPN晶体管的工作机理,共发射极工作机理,Ie,Ib,Ic,3.2.2 NPN晶体管的工作机理,晶体管特性曲线,Vce v.s. Ic,Vbe,Vce,e,c,b,Vce,Ic,Ib=0,Vbe0Vce较小： eb结和cb结均正偏， Ic随Vce增加而增加。Vce较大： eb结正偏而cb结反偏， IcIb。,截止区,放大区,3.2.3 NPN晶体管特性曲线,集成电路中的NPN晶体管,N+,N+,P衬底,P,N,E,C,B,3.2.4 集成电路中的双极晶体管,双极晶体管的特性和应用,放大特性模拟电路开关特性数字电路特点：开关速度快高频应用易于获得大电流大功率应用电流控制，关态时仍有电流，功耗大,3.2.5 双极晶体管的特性和应用,作业,定义通过基区流入集电结的电流和发射极注入电流之比为电流传输率，证明：共发射极接法晶体管中，基极电流Ib20A，电流传输率0.996，试求此时的发射极电流Ie。,目录,PN结双极晶体管MOS场效应晶体管,3.3 MOS场效应晶体管,基本结构和分类,N MOSFET,P MOSFET,N+,P,Sourse源极,N+,Gate栅极,Drain漏极,P+,N,Sourse源极,P+,Gate栅极,Drain漏极,MetalOxideSemiconductor Field Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管,3.3.1 MOSFET的基本结构,符号,N MOSFET,P MOSFET,G,S,D,G,S,D,3.3.1 MOSFET的基本结构,NMOS接法,源极,N+,P,N+,栅极,漏极,漏结,源结,沟道Channel,3.3.1 MOSFET的基本结构,NMOS电容,源极,N+,P,N+,栅极,漏极,VGS=0,VDS=0,VS=0,3.3.2 MOS电容的特性,空间电荷区（耗尽区）,NMOS电容,源极,N+,P,N+,栅极,漏极,VGS0（小）,VDS=0,VGS0（小）:栅氧化层下出现空间电荷区（耗尽区）,VS=0,3.3.2 MOS电容的特性,耗尽区,反型层,NMOS电容,源极,N+,P,N+,栅极,漏极,VGS,VDS0,VGS增加： 空间电荷向下扩展，栅氧化层下的半导体表面出现多余自由电子，相当于在表面形成一层导电类型相反的半导体层，称为反型层。此时的VGS称为阈值电压VT(0.5V-1.0V)。,VS=0,3.3.2 MOS电容的特性,NMOS电容,VGSVT:表面反型程度进一步加深，半导体表面积累更多的电子，同时反型层的屏蔽作用使得耗尽区停止扩展。,耗尽区,反型层,源极,N+,P,N+,栅极,漏极,VGSVT,VDS0,VS=0,3.3.2 MOS电容的特性,阈值电压,英文： Threshold Voltage符号：VT影响因素：沟道杂质浓度：NA，VT； NA ，VT 。栅氧化层厚度：Tox ，VT； Tox ，VT 。,3.3.2 MOS电容的特性,N MOSFET工作机理,VGS0:漏结耗尽区扩展，使得栅极下方耗尽区宽度从源到漏逐渐增加，晶体管截止，IDS0。,源极,N+,P,N+,栅极,漏极,VGS0,IDS,3.3.3 MOSFET的工作机理,N MOSFET工作机理,VGSVT,VDS0（小）:栅极下方耗尽区宽度从源到漏逐渐增加，而反型层宽度从源到漏逐渐减小，ID随VDS增加而线性增加。,源极,N+,P,N+,栅极,漏极,VGSVT,VDS,ID,VDS0(小),IDS,3.3.3 MOSFET的工作机理,N MOSFET工作机理,VGSVT,VDS=Vsat:漏结附近反型层宽度减小到零，ID达到最大值。Vsat称为饱和电压,ID称为饱和电流。,源极,N+,P,N+,栅极,漏极,VGSVT,VDS,ID,VDSVsat,IDS,Vsat=VGS-VT,Vsat=VGS-VT,Isat,3.3.3 MOSFET的工作机理,NMOS工作机理,VGSVT，VDSVsat:沟道被夹断，随着VD的增加有效沟道长度减小，ID饱和。,源极,N+,P,N+,栅极,漏极,VGSVT,VDS,ID,VDSVsat,IDS,Vsat=VGS-VT,Isat,3.3.3 MOSFET的工作机理,NMOS工作机理,思考题：电子是如何通过高阻区的？,VDS,有效沟道长度,IDS,高阻区长度,IDS,IDS不变(饱和),3.3.3 MOSFET的工作机理,I-V特性曲线,线性区,VSD,ID,饱和区,截止区,3.3.3 MOSFET的工作机理,线性区：,饱和区：,P衬底,3.3.