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半导体器件物理基础 PN结的形成 正向偏置的PN结情形 正向偏置时的能带图 正向偏置时 扩散大于漂移 N区 P区 空穴 正向电流 电子 P区 N区 扩散 扩散 漂移 漂移 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 反向偏置时的能带图 反向偏置时 漂移大于扩散 PN结的特性 单向导电性 正向偏置反向偏置 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 正向导通电压Vbi 0 7V Si 反向击穿电压Vrb 2 4双极晶体管 1 双极晶体管的结构 由两个相距很近的PN结组成 分为 NPN和PNP两种形式 基区宽度远远小于少子扩散长度 NPN晶体管的电流输运 NPN晶体管的电流转换 晶体管的直流特性 共发射极的直流特性曲线 三个区域 饱和区放大区截止区 4 晶体管的特性参数 4 1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系数 0 两者的关系 共发射极直流放大系数交流放大系数 0 4 晶体管的特性参数 4 2晶体管的反向漏电流和击穿电压 反向漏电流 Icbo 发射极开路时 收集结的反向漏电流Iebo 收集极开路时 发射结的反向漏电流Iceo 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 4 晶体管的特性参数 续 4 3晶体管的击穿电压 BVcboBvceoBVebo BVeeo晶体管的重要直流参数之一 4 晶体管的特性参数 续 4 4晶体管的频率特性 截止频率f 共基极电流放大系数减小到低频值的所对应的频率值 截止频率f 特征频率fT 共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率 最高振荡频率fM 功率增益为1时对应的频率 5 BJT的特点 优点 垂直结构 与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定 与光刻尺寸关系不大 易于获得高fT 高速应用 整个发射上有电流流过 可获得单位面积的大输出电流 易于获得大电流 大功率应用 开态电压VBE与尺寸 工艺无关 片间涨落小 可获得小的电压摆幅 易于小信号应用 模拟电路 输入电容由扩散电容决定 随工作电流的减小而减小 可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容 输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度 高跨导 缺点 存在直流输入电流 基极电流 功耗大 饱和区中存储电荷上升 开关速度慢 开态电压无法成为设计参数 设计BJT的关键 获得尽可能大的IC和尽可能小的IB 当代BJT结构 特点 深槽隔离多晶硅发射极 2 5MOS场效应晶体管 MOS电容结构MOSFET器件 1 MOS电容 电容的含义MOS结构理想的MOS电容特性非理想的MOS电容特性 关于电容 平行板电容器 电容C定义为 直流和交流时均成立 一MOS结构 交流电容 交流电容C定义为 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 非理想的电容 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 V P N xd 偏压改变 V 未加偏压时的MOS结构 MOS电容的结构 MOS电容中三个分离系统的能带图 功函数 无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲 平带电压 平带电压 使表面势为0 所需在栅上加的偏压 施加偏压后的不同状态 积累 耗尽 反型 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 转移特性曲线 提取阈值电压研究亚阈特性 长沟MOSFET的输出特性 亚0 1微米MOSFET器件的发展趋势 作业 讨论PMOS晶体管的工作原理 第三章大规模集成电路基础 3 1半导体集成电路概述 集成电路 IntergratedCircuit IC 芯片 Chip Die 硅片 Wafer 集成电路的成品率 成品率的检测 决定工艺的稳定性 成品率对集成电路厂家很重要 集成电路发展的原动力 不断提高的性能 价格比 集成电路发展的特点 性能提高 价格降低 集成电路的性能指标 集成度速度 功耗特征尺寸可靠性 主要途径 缩小器件的特征尺寸增大硅片面积 集成电路的关键技术 光刻技术 DUV 缩小尺寸 0 25 0 18mm增大硅片 8英寸 12英寸 亚0 1mm 一系列的挑战 亚50nm 关键问题尚未解决 新的光刻技术 EUVSCAPEL BellLab 的E Beam X ray 集成电路的制造过程 设计工艺加工测试封装 集成电路产业的发展趋势 独立的设计公司 DesignHouse 独立的制造厂家 标准的Foundary 集成电路类型 数字集成电路 模拟集成电路 数字集成电路基本单元 开关管 反相器 组合逻辑门模拟集成电路基本单元 放大器 电流源 电流镜 转换器等 3 2双极集成电路基础 有源元件 双极晶体管无源元件 电阻 电容 电感等 双极数字集成电路 基本单元 逻辑门电路 双极逻辑门电路类型 电阻 晶体管逻辑 RTL 二极管 晶体管逻辑 DTL 晶体管 晶体管逻辑 TTL 集成注入逻辑 I2L 发射极耦合逻辑 ECL 双极模拟集成电路 一般分为 线性电路 输入与输出呈线性关系 非线性电路接口电路 如A D D A 电平位移电路等 3 3MOS集成电路基础 基本电路结构 CMOS MOS集成电路数字集成电路 模拟集成电路 MOS数字集成电路 基本电路单元 CMOS开关CMOS反相器 CMOS开关 W W CMOS反相器 与非门 Y A1A2 3 4影响集成电路性能的因素和发展趋势 器件的门延迟 迁移率沟道长度 电路的互连延迟 线电阻 线尺寸 电阻率 线电容 介电常数 面积 途径 提高迁移率 如GeSi材料减小沟道长度 互连的类别 芯片内