湖南大学期末考试题微电子复习 PPT课件

第二章半导体物理与器件物理 2 1半导体的基础知识 2 3双极型晶体管 2 4场效应管 2 5单结晶体管和晶闸管 2 2半导体二极管 本征半导体的晶体结构 晶格 由原子构成空间排列有序的空间点阵 硅和锗是四价元素 在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子 这种结构的立体示意图见图 它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键 共价键中的价电子为这些原子所共有 并为它们所束缚 在空间形成排列有序的晶体 半导体的共价键结构 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 本征半导体中的两种载流子 电子空穴对 当半导体处于热力学温度0K时 半导体中没有自由电子 常温下 极少数价电子成为自由电子 当温度升高或受到光的照射时 价电子能量增高 有的价电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 原子的电中性被破坏 呈现出正电性 其正电量与电子的负电量相等 人们常称呈现正电性的这个空位为空穴 本征激发 在热激发下产生电子空穴对 这一现象称为本征激发 也称热激发 本征半导体中的自由电子和空穴 空穴的移动 自由电子的定向运动 外电场 形成了电子电流 空穴的定向运动也可形成空穴电流 它们的方向相反 空穴在晶格中的移动 空穴的运动 相邻共价键中的价电子反向 外电场 依次填补空穴来实现的 本征半导体中 自由电子数目 空穴数目 本征半导体中 电流 电子电流 空穴电流 载流子 自由电子 与空穴 本征半导体中 电流 电子电流 空穴电流 载流子 自由电子 与空穴 本征半导体中 电流 电子电流 空穴电流 载流子 自由电子 与空穴 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的 称为本征激发 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去 成对消失 称为复合 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡 本征半导体中载流子浓度一定 自由电子浓度 空穴浓度 本征激发和复合的过程 本征半导体中载流子的浓度 温度升高 自由电子 空穴增多 导电能力强 温度降低 自由电子 空穴减少 导电能力弱 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质 可使半导体的导电性发生显著变化 掺入的杂质主要是三价或五价元素 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体 N型半导体 掺入五价杂质元素 如磷 的半导体 P型半导体 掺入三价杂质元素 如硼 的半导体 本征半导体缺点 1 电子浓度 空穴浓度 2 载流子少 导电性差 温度稳定性差 N型半导体 五价杂质原子中多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子 五价杂质原子因带正电荷而成为正离子 不能移动 称为施主原子 在N型半导体中自由电子是多数载流子 多子 它主要由杂质原子提供 空穴是少数载流子 少子 由热激发形成 N 自由电子浓度 空穴浓度 自由电子导电为主 P型半导体 在P型半导体中空穴是多子 它主要由掺杂形成 自由电子是少子 由热激发形成 P 空穴浓度 自由电子浓度 空穴导电为主 三价杂质原子在与硅原子形成共价键时 缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴 空穴很容易俘获电子 使杂质原子成为负离子 三价杂质因而也称为受主原子 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响 一些典型的数据如下 以上三个浓度基本上依次相差106 cm3 杂质对半导体导电性的影响 2 2PN结的形成及特性 一 PN结的形成 二 PN结的单向导电性 四 PN结的伏安特性 五 PN结的电容效应 三 PN结的电流方程 扩散运动复合多子浓度下降正 负离子区空间电荷区 电位差 内电场 方向及大小 漂移运动动态平衡 扩散多子 漂移少子扩散电流 漂移电流对称结不对称结 一 PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体 此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 二 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 反之称为加反向电压 简称反偏 PN结加正向电压时 低电阻大的正向扩散电流 1 PN结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在PN结区 方向与PN结内电场方向相反 削弱了内电场 空间电荷区 于是 内电场对多子扩散运动的阻碍减弱 扩散电流加大 扩散电流远大于漂移电流 可忽略漂移电流的影响 PN结导通 呈现低阻性 限流电阻结压降 2 PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区 方向与PN结内电场方向相同 加强了内电场 空间电荷区 内电场对多子扩散运动的阻碍增强 扩散电流大大减小 此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流 可忽略扩散电流 PN结呈现高阻性 PN结加反向电压时 高电阻很小的反向漂移电流 PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 PN结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 三 PN结的电流方程 PN结V I特性表达式 其中 IS 反向饱和电流 UT 温度的电压当量 且在常温下 T 300K 四 PN结的伏安特性 PN结外加正向电压 指数规律反向电压 直线当的反向电压增加到一定数值时 反向电流突然快速增加 此现象称为PN结的反向击穿 热击穿 大电流 不可逆 PN结的伏安特性曲线 雪崩击穿 低掺杂 耗尽层宽 高反向 击穿 电压 碰撞价电子 撞出 产生电子空穴对 多次重复 反向电流增大 齐纳击穿 高参杂 耗尽层窄 低反向 击穿 电压 激发价电子 拉出 产生电子空穴对 反向电流增大 半导体三极管图片 2 4 1BJT的结构简介 半导体三极管的结构有两种类型 NPN型和PNP型 两种类型的三极管 发射结 Je 集电结 Jc 基极 用B或b表示 Base 发射极 用E或e表示 Emitter 集电极 用C或c表示 Collector 发射区 集电区 基区 三极管符号 结构特点 发射区的掺杂浓度最高 集电区掺杂浓度低于发射区 且面积大 基区很薄 一般在几个微米至几十个微米 且掺杂浓度最低 管芯结构剖面图 BJT的电流分配与放大原理 1 内部载流子的传输过程 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下 通过载流子传输体现出来的 外部条件 发射结正偏 集电结反偏 发射区 发射载流子集电区 收集载流子基区 传送和控制载流子 以NPN为例 载流子的传输过程 以上看出 三极管内有两种载流子 自由电子和空穴 参与导电 故称为双极型三极管 或BJT BipolarJunctionTransistor 2 电流分配关系 根据传输过程可知 IC InC ICBO IB IB ICBO 通常IC ICBO IE IB IC 载流子的传输过程 根据 IE IB IC IC InC ICBO 且令 2 电流分配关系 由以上分析可知 发射区掺杂浓度高 基区很薄 是保证三极管能够实现电流放大的关键 若两个PN结对接 相当于基区很厚 所以没有电流放大作用 基区从厚变薄 两个PN结演变为三极管 这是量变引起质变的又一个实例 综上所述 三极管的放大作用 主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输 然后到达集电极而实现的 实现这一传输过程的两个条件是 1 内部条件 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度 且基区很薄 2 外部条件 发射结正向偏置 集电结反向偏置 2 4 2BJT的电流分配与放大原理 2 5 1结型场效应管 2 5 3场效应管的主要参数 2 5 4场效应管与晶体管的比较 2 5 2绝缘栅型场效应管 2 5场效应管 场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件 是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件 从参与导电的载流子来划分 它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件 从场效应三极管的结构来划分 它有两大类 1 结型场效应三极管JFET JunctiontypeFieldEffectTransister 2 绝缘栅型场效应三极管IGFET InsulatedGateFieldEffectTransister IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET MetalOxideSemiconductorFET 2 5场效应管 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 耗尽型 分类 2 5 1结型场效应三极管 结构它是在N型半导体硅片的两侧扩散高浓度P离子区 形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构 P区即为栅极 N型硅的一端是漏极 另一端是源极 导电沟道 漏源之间的非耗尽层区域 代表这个区域为高掺杂浓度区域 heavilydopedregion 也就是此区的电子浓度远高于其他区域 2 5 2绝缘栅型场效应管 增强型 Enhancement 耗尽型 Depletion N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 输出特性 转移特性 主要参数 一 N沟导增强型MOSFET EMOS 三 各种FET的特性及使用注意事项 二 N沟导耗尽型MOSFET DMOS 2 5 2绝缘栅型场效应管 N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图 D Drain 为漏极 相当c G Gate 为栅极 相当b S Source 为源极 相当e N沟道增强型MOSFET结构示意图 绝缘栅型场效应三极管MOSFET MetalOxideSemiconductorFET 分为增强型 uGS为0时iD为0 N沟道 P沟道耗尽型 uGS为0时iD不为0 N沟道 P沟道 一 N沟道增强型MOSFET N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构 它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层 然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区 从N型区引出电极 一个是漏极D 一个是源极S 在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G P型半导体称为衬底 用符号B表示 控制原理 电容 感应电荷 漏极电流 1 结构 在结构上以一个金属 氧化物层 半导体的电容为核心 现在的金氧半场效应晶体管多半以多晶硅取代金属作为其栅极材料 氧化层的材料多半是二氧化硅 其下是作为基极的硅 而其上则是作为栅极的多晶硅 这样的结构正好等于一个电容 capacitor 氧化层为电容器中介电质 dielectricmaterial 而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电常数 dielectricconstant 来决定 栅极多晶硅与基极的硅则成为MOS电容的两个端点 若0 uGS uGS th 时 空穴向P衬底下方排斥 出现薄层负离子的耗尽层 耗尽层中少子向表层运动 不足以形成沟道将漏源沟通 所以不可以形成漏极电流ID 2 工作原理 无导电沟道 无漏电流 uGS uDS 0 uGS 0 uDS 0 1 栅源电压UGS的控制作用 当uGS uGS th 时 uGS th 称为开启电压 耗尽层加宽 N型薄层 有漏源电压 可形成漏极电流iD 导电沟道中的电子 与P型半导体的多子空穴极性相反 故称为反型层 随着uGS的继续增加 iD将不断增加 在uGS 0V时iD 0 只有当uGS uGS th 后才会出现漏极电流 这种MOS管称为增强型MOS管 uGS uGS th uDS 0 uGS uGS th uDS 0 2 漏源电压uDS对漏极电流iD的控制作用 当uGS uGS th 且为固定值时 uDS的不同变化对沟道的影响 uDS uDG uGS uGD uGSuGD uGS uDS uDS为0或较小时uDS基本均匀降落在沟道中 沟道呈斜线 线性 分布 漏源电压uDS对沟道的影响 当uDS增加到使uGD uGS th 时 相当于uDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况 称为预夹断 当uDS增加到uGD uGS th 时 预夹断区域加长 伸向S极 uDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上 iD基本趋于不变 恒流区 iD取决于uGS uGD uGS th uGD uGS uDS 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 gm的量纲为mA V 所以gm也称为跨导 跨导的定义式如下gm iD uGS UDS const 单位mS uGS对漏极电流的控制关系可用iD f uGS UDS const这一曲线描述 称为转移特性曲线 3 特性曲线及电流方程 漏极输出特性曲线 当uGS uGS th 且固定为某一值时 uDS对iD的影响 即iD f uDS UGS const uGD uGS th uGD uGS uDS 二 N沟道耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET是在SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子 当uGS 0时 已经感应出反型层 形成导电沟道 有漏源电压 就有漏极电流存在 uGS为正时 反型层宽 沟道电阻小 电流大 uGS为负时 反型层窄 沟道电阻大 电流小 uGS 0时 随着uGS的减小 沟道消失 漏极电流逐渐减小 直至iD 0 对应iD 0的uGS称为夹断电压 用符号uGS off 小于0 或uP表示 与N沟道结型FET的区别 栅源电压的极性 N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线 三 P沟道MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同 只不过导电的载流子不同 供电电压极性不同而已 这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样 P沟道增强型MOS UGS th 0 uGS可正可负 漏源间负电源 场效应管的符号及特性 场效应三极管的特性曲线类型比较多 根据导电沟道的不同 以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线 其电压和电流方向也有所不同 如果按统一规定正方向 特性曲线就要画在不同的象限 为了便于绘制 将P沟道管子的正方向反过来设定 电流方向 有关曲线绘于下图之中 结型场效应管 N沟道 P沟道 图各类场效应三极管的特性曲线 绝缘栅场效应管 N沟道增强型 N沟道耗尽型 绝缘栅场效应管 P沟道耗尽型 P沟道增强型 三逻辑门电路 1 MOS逻辑门电路2 TTL逻辑门电路 1 逻辑门 实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路 2 逻辑门电路的分类 二极管门电路 三极管门电路 TTL门电路 MOS门电路 PMOS门 CMOS门 分立门电路 NMOS门 3 1MOS开关及其等效电路 MOS管工作在可变电阻区 输出低电平 MOS管截止 输出高电平 当 I VT 当 I VT MOS管相当于一个由vGS控制的无触点开关 MOS管工作在可变电阻区 相当于开关 闭合 输出为低电平 MOS管截止 相当于开关 断开 输出为低电平 当输入为低电平时 当输入为高电平时 3 2CMOS反相器 1 工作原理 vi vGSN vGSP TN TP vO 0V 0V 10V 截止 导通 10V 10V 10V 0V 导通 截止 0V VTN 2V VTP 2V 逻辑图 逻辑表达式 P沟道MOS管输出特性曲线坐标变换 输入高电平时的工作情况 输入低电平时的工作情况 作图分析 2 电压传输特性和电流传输特性 电压传输特性 3 CMOS反相器的工作速度 在由于电路具有互补对称的性质 它的开通时间与关闭时间是相等的 平均延迟时间 10ns 带电容负载 与非门 1 CMOS与非门 a 电路结构 b 工作原理 VTN 2V VTP 2V 3 3CMOS逻辑门 或非门 2 CMOS或非门 VTN 2V VTP 2V 3 异或门电路 A B 4 输入保护电路和缓冲电路 采用缓冲电路能统一参数 使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性 CMOS逻辑门的缓冲电路 输入 输出端加了反相器作为缓冲电路 所以电路的逻辑功能也发生了变化 增加了缓冲器后的逻辑功能为与非功能 3 5CMOS传输门 双向模拟开关 1 CMOS传输门电路 电路 逻辑符号 2 CMOS传输门电路的工作原理 设TP VTP 2V TN VTN 2V I的变化范围为 5V到 5V 5V 5V 5V到 5V GSN VTN TN截止 GSP 5V 5V到 5V 10到0 V 开关断开 不能转送信号 GSN 5V 5V到 5V 0到 10 V GSP 0 TP截止 5V 5V GSP 5V 3V 5V 2V 10V GSN 5V 5V 3V 10 2 V b I 3V 5V GSN VTN TN导通 a I 5V 3V TN导通 TP导通 c I 3V 3V 传输门组成的数据选择器 C 0 TG1导通 TG2断开L X TG2导通 TG1断开L Y C 1 传输门的应用 3 6TTL逻辑门 1 BJT的开关特性 iB 0 iC 0 vO VCE VCC c e极之间近似于开路 vI 0V时 iB 0 iC 0 vO VCE 0 2V c e极之间近似于短路 vI 5V时 iC ICS 很小 约为数百欧 相当于开关闭合 可变 很大 约为数百千欧 相当于开关断开 c e间等效内阻 VCES 0 2 0 3V VCE VCC iCRc VCEO VCC 管压降 且不随iB增加而增加 ic iB iC 0 集电极电流 发射结和集电结均为正偏 发射结正偏 集电结反偏 发射结和集电结均为反偏 偏置情况 工作特点 iB iB 0 条件 饱和 放大 截止 工作状态 BJT的开关条件 0 iB 2 BJT的开关时间 从截止到导通开通时间ton td tr 从导通到截止关闭时间toff ts tf BJT饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间才能完成 CL的充 放电过程均需经历一定的时间 必然会增加输出电压 O波形的上升时间和下降时间 导致基本的BJT反相器的开关速度不高 3 基本BJT反相器的动态性能 若带电容负载 故需设计有较快开关速度的实用型TTL门电路 2 氧化 氧化是指硅和氧气进行化学反应 得到二氧化硅 为加速反应过程 需要干净 高温 SiO2薄膜的用途 1 用作选择扩散时的掩蔽膜 2 用作离子注入时的掩蔽膜及缓冲介质层等 3 用作绝缘介质 隔离 绝缘栅 多层布线绝缘 电容介质等 4 用作表面保护及钝化 n阱CMOS工艺 p型硅衬底 SiO2 磷扩散 1 定义n阱 起始材料 p型衬底初始氧化 光刻 定义出n阱 刻蚀SiO2 n阱磷扩散 p型硅衬底 Si3N4 有源区域 2 定义有源区域 n阱 SiO2 生长一薄层SiO2 淀积Si3N4 光刻 刻蚀Si3N4 p型硅衬底 3 LOCOS氧化 n阱 SiO2 热生长一层厚氧化层 去掉Si3N4 去掉有源区的薄SiO2层 SiO2 SiO2 p型硅衬底 4 形成多晶硅栅极 n阱 多晶硅栅极 SiO2 SiO2 SiO2 生长一层薄的高质量的栅氧化层淀积多晶硅层 光刻 刻蚀 形成多晶硅栅极 p型硅衬底 5 n 扩散 n阱 砷注入 光刻胶 SiO2 SiO2 SiO2 光刻 掺入砷 n型 形成n 源区和漏区 p型硅衬底 6 p 扩散 n阱 硼注入 n 光刻胶 n SiO2 光刻 掺入硼 p型 形成p 源区和漏区 p型硅衬底 7 形成接触孔 n阱 CVD氧化 n p n p 生长一层厚氧化层 光刻 确定孔的位置 刻蚀 形成接触孔 p p SiO2 p型硅衬底 n阱 n n SiO2 8 金属化 nMOSFET pMOSFET 淀积金属层光刻 刻蚀 p p SiO2 CMOS反相器版图 N阱扩散 确定有源区 沉积硅栅 n 扩散 p 扩散 生成接触孔 产生金属连线 能带理论是目前研究固体中电子运动的一个主要理论基础 在二十世纪二十年代末和三十年代初期 在量子力学运动规律确立以后 它是在用量子力学研究金属电导理论的过程中开始发展起来的 最初的成就在于定性地阐明了晶体中电子运动的普遍性的特点 说明了固体为什么会有导体 非导体的区别 晶体中电子的平均自由程为什么会远大于