晶体管结构与作用PPT课件.ppt

微电子制造原理与技术第二部分芯片制造原理与技术 李明 材料科学与工程学院 芯片发展历程与莫尔定律晶体管结构与作用芯片微纳制造技术 主要内容 半导体基础知识MOSFET晶体管结构和工作原理晶体管应用举例 2 导体 半导体 绝缘体 单元素半导体 Si Ge Sn等 外壳电子数为4的C族元素化合物半导体 GaAs GaP InAs ZnSe等 一般由B和N族组成的化合物 氧化物半导体 ZnO MnO2 MnO Cr2O3 NiO TiO2 Cu2O SnO2等 电阻率的影响因素 杂质 温度 光 结构缺陷 3 本征半导体 本征半导体 纯净的单元素半导体硅 锗 以及等价化合物半导体GaAs GaN等 本征半导体的导电机理 在温度非常低的条件下 最外层价电子被束缚得很紧 几乎无自由电子或空穴存在 故本征半导体在低温下的电阻率很高 变为绝缘体 在受热或光照射的条件下 价电子被激发而成为自由电子 同时产生等数量的带正电荷的空穴 这些自由电子和空穴在外界电场的作用下移动而形成电流 束缚电子 自由电子 电子空穴 4 掺杂物半导体 N型半导体 向本征半导体中掺杂少量的价电子数为5的N族元素 则可获得自由电子 而成为N Negative 型半导体 N型半导体的导电性主要靠自由电子的移动来完成 P型半导体 向本征半导体中掺杂少量的价电子数为3的B族元素 则可产生空穴 而成为P Positive 型半导体 P型半导体的导电性主要靠空孔的的移动来完成 束缚电子 自由电子 电子空穴 5 PN结与二极管的特性与构造 整流特性 当向PN结由P向N方向施加反向电压时 PN结合部位将出现空乏层 电流无法导通 图左 但施加正向电压时 自由电子和空穴会顺利移动而形成电流 这就是PN结二极管重要的整流特性 电子的移动方向空穴的移动方向 PN结 PNJunction 二极管 Diode 电子空穴 电子空穴 6 PN结的电流特性 7 电至光转换 电发光原理 正负电在半导体P N节处相遇 产生光子而发光 光至电转换 LED照明 光伏太阳能电池 光发电原理 光子照射到P N节 产生电流 产生电力 PN结的应用 电流整流器偏置隔离 8 场效应晶体管 MOSFET 场效应晶体管低电压和低功耗 结型场效应晶体管 JFET 和金属 氧化物型场效应晶体管 MOSFET 9 NMOS型场效应三极管 特性Vg 0 源极与漏极间 由于NPN结的作用无电流通过 Vg 0 且较高时 栅极与P Si的界面间形成电子富集层 电子隧道 源极与漏极连通 电流通过 10 特性与NMOS动作相反 当Vg 0 且绝对值较大时 栅极与N Si的界面间形成空孔富集层 空孔隧道 源极与漏极连通 电流才能通过 由于空孔的移动速度低于电子 故动作速度比NMOS慢 应用较少 电子迁移率 1350cm2 V S 空孔迁移率 480cm2 V S 引出漏极 Vd drain N Si 多晶体 Si栅极 SiO2绝缘膜 引出栅极 Vg gate P Si漏极 P Si源极 基极 Vsub substrate 引出源极 Vs source P型隧道 空孔隧道 PMOS型场效应三极管 11 两个pn结偏置状态相反沟道由反型层构成 与源漏形成通路 场效应晶体管 NMOS的结构 芯片上的实际NMOS结构 12 P N N 3voltsVds 0 7voltsVgs 场效应晶体管工作原理 NMOS 13 NMOS电流电压特性 线性区 MOSFET象电阻 电阻受栅电压控制饱和区 MOSFE象电流源 电流大小与VG2有关 场效应晶体管工作原理 14 栅的作用类似与水闸的闸门 场效应晶体管工作原理 15 CMOS ComplemetaryMetal OxideSemiconductor CMOS型晶体管 并联式MOS型场效应管 当输入电压低时 NMOS不导通 PMOS导通 输出电压为高5V 表现为 1 当输入电压高时 NMOS导通 PMOS不导通 输出电压为低0V 表现为 0 16 将PMOS和NMOS做在同一集成电路上就形成了互补型金属氧化物半导体技术 也就是CMOS技术主要特点为功耗低 是集成电路中被广泛采用的基本回路 CMOS型晶体管 并联式MOS型场效应管 17 CMOS应用例1 反相器 静态无电流 18 CMOS应用例2 乘法逻辑电路 Y A B 19 CMOS应用例3 存储器 掩模ROM 可编程ROM PROM ProgrammableROM 可擦除可编程ROM EPROM ErasablePROM 随机存储器RAM RandomAccessMemory 静态存储器SRAM StaticRAM 主要用于高速缓存和服务器内存 动态存储器DRAM DynamicRAM 按功能特点 EEPROM ElectricallyEPROM E2PROM 只读存储器ROM Read OnlyMemory FlashMemory 快闪存储器 如U盘 FRAM Ferro electricRAM铁电存储器 SDRAM DDR RAM等 非挥发存储器 Non VolatileMemory NVM 挥发存储器 VolatileMemory VM 或者称易失存储器 20 DRAM 四管动态MOS存储单元 存储节点 CMOS应用例3 存储器 21 CMOS应用例4 图像传感器 CIS CCD CMOS20世纪80年代 英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS图像传感器件将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上适合大规模批量生产 22 首先 外界光照射像素阵列 发生光电效应 在像素单元内产生相应的电荷 行选择逻辑单元根据需要 选通相应的行像素单元 行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A D转换器 转换成数字图像信号输出 CMOS应用例4 图像传感器 CIS 23 首先进入 复位状态 此时打开门管M 电容被充电至V 二极管处于反向状态 然后进人 取样状态 这时关闭门管M 在光照下二极管产生光电流 使电容上存贮的电荷放电 经过一个固定时间间隔后 电容C上存留的电荷量就与光照成正比例 这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之中了 最后进入 读出状态 这时再打开门管M