湖南大学期末考试题微电子复习

1、2.1 半导体的基础知识半导体的基础知识2.3 双极型晶体管双极型晶体管2.4 场效应管场效应管2.5 单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管2.2 半导体二极管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本征半导体中的两种载流子 电子空穴对电子空穴

2、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

3、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

4、：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。)2/(2/31kTEiiGOeTKpn杂质半导体杂质半导体 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。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掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。 N型半导体型半导体掺入掺入五五价杂质元素（如磷）的半导体。价杂质元素（如磷）的半导体。 P型半导体型半导体掺入掺入三三价杂质元素（如硼）的半导体。价杂质元素（如硼）的半导体

5、。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型半导体型半导体 五价五价杂质原子中多余杂质原子中多余的一个价电子因无共价键的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电束缚而很容易形成自由电子。子。 五价杂质原子因带正电五价杂质原子因带正电荷而成为荷而成为正离子正离子，不能移，不能移动，称为动，称为施主原子施主原子。 在在N型半导体中型半导体中自由自由电子电子是多数载流子是多数载流子（多子）（多子），它主要由，它主要由杂质原子提供杂质原子提供；空穴空穴是少数载流子是少数载流子（少子）（少子）, 由热激发形成。由热激发形成。 N：自由电子浓度：自由电子浓度 空穴

6、浓度，自由电子导电为主。空穴浓度，自由电子导电为主。 P型半导体型半导体 在在P型半导体中型半导体中空穴是多子，空穴是多子，它主要由掺杂形成它主要由掺杂形成；自由自由电电子是少子，子是少子， 由热激发形成。由热激发形成。 P：空穴浓度：空穴浓度 自由电子浓度自由电子浓度 ，空穴导电为主。，空穴导电为主。 三价三价杂质原子在与硅杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中一个价电子而在共价键中留下一个留下一个空穴空穴。空穴很容。空穴很容易俘获电子，使杂质原子易俘获电子，使杂质原子成为成为负离子负离子。三价杂质。三价杂质 因因而也称为而也称为受主原子受主原子。

7、掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，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一些典型的数据如下: T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 一、 PN结的形成 二、

8、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在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, ,分别分别形成形成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半导体和型半导体和P型型半导体的结合面上形成如下物理过程半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子

9、漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。 多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 二、二、 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加正正向电压向电压，简称

10、，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 PN结加正向电压时：结加正向电压时： 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN 结的伏安特性结的伏安特性 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

11、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。 iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性结的伏安特性 PN结加反向电压时：结加反向电压时： 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，恒定的，基本上与所加反向电压的

12、大小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 iD/mA1.00.5iD=IS0.51.00.501.0 D/V PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单结具有单向导电性。向导电性。 三、三、 PN结的电流方程结的电流方程 PN结结V- I 特性表达式特性表达式其中其中iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/ViD/mA1.00.5iD

13、=IS0.51.00.501.0 D/V) 1() 1(/S/STUukTqueIieIiIS 反向饱和电流反向饱和电流UT温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）V026. 0qkTUTmV 26 四、四、 PN结的伏安特性结的伏安特性PN结结外加外加 正向电压：指数规律正向电压：指数规律 反向电压：直线反向电压：直线 当的反向电压增加到一定数当的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，值时，反向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为PNPN结的结的反向击穿。反向击穿。热击穿（大电流）热击穿（大电流）不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电

14、击穿可逆可逆) 1(/STUueIiPN结的伏安特性曲线结的伏安特性曲线雪崩击穿：雪崩击穿：低掺杂低掺杂，耗尽层宽，耗尽层宽，高高反向（反向（击穿击穿）电压电压， 碰撞价电子（碰撞价电子（撞撞出），产生电子空穴对，多出），产生电子空穴对，多 次重复，反向电流增大。次重复，反向电流增大。齐纳击穿：齐纳击穿：高参杂高参杂，耗尽层窄，耗尽层窄，低低反向（反向（击穿击穿）电压电压， 激发价电子（激发价电子（拉拉出），产生电子空穴对，反出），产生电子空穴对，反 向电流增大。向电流增大。半导体三极管图片2.4.1 BJT的结构简介的结构简介 半导体三极管的结构有两种类型半导体三极管的结构有两种类型:NPN

15、型和型和PNP型。型。两种类型的三极管发射结发射结(Je) 集电结集电结(Jc) 基极基极，用B或b表示（Base） 发射极发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极集电极，用C或c表示（Collector）。 发射区发射区集电区集电区基区基区三极管符号三极管符号 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

16、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 (Bipolar Junction Transistor)。 2. 电流分配关系发射极注入电流发射极注入电流传输到集电极的电流传输到集电极的电流设设 EnCII 即即根据传输过程可知根据传输过程可知 IC= InC+ ICBOIB= IB - ICBO通常通常 IC ICBOECII 则则有有 为电流放大系数，为电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电掺杂浓度有关，与外加电压无关压无关。

17、一般。一般 = 0.9 0.99IE=IB+ IC载流子的传输过程载流子的传输过程 1 又设又设根据根据BCEOCIII 则则 是另一个电流放大系数，是另一个电流放大系数，同样，它也只与管同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般一般 1IE=IB+ IC IC= InC+ ICBOEnCII 且令且令BCCEOCIIII 时时，当当ICEO= (1+ ) ICBO（穿透电流）（穿透电流）2. 电流分配关系 由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基由以上分析可知，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区很薄，是

18、保证三极管能够实现电流放大的关键。键。 若两个若两个PNPN结对接，相当于基区很厚，所以结对接，相当于基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PNPN结结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。例。 综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的综上所述，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发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。现的。实现这一传输过程的两个条件是：实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区发射区杂质浓

19、度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结反发射结正向偏置，集电结反向偏置。向偏置。2.4.2 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理2.5.1 结型场效应管结型场效应管2.5.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数2.5.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较 2.5.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 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

20、子来划分，它有电子作为载体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的流子的N沟道器件和空穴作为载流子的沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。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 (Junction type Field Effect Transister) 2.绝缘栅型场效应三极管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道

21、P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)分类：分类：2.5.1 结型场效应三极管结型场效应三极管结构结构 它是在它是在N型半导体硅片的两侧扩散高浓度型半导体硅片的两侧扩散高浓度P离子区，形离子区，形成两个成两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道的结构。型沟道的结构。 P区即为区即为栅极栅极，N型硅的一端是型硅的一端是漏极漏极，另一端是，另一端是源极源极。 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（代表这个区域为高掺杂浓度区域（heavily doped region），也就是此

22、区），也就是此区的电子浓度远高于其他区域。的电子浓度远高于其他区域。 2.5.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管增强型增强型(Enhancement)耗尽型耗尽型(Depletion)N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET) 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 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图：的结构示意图和符号见图： D(Drain)为漏极，相当为漏极，相当c；G(

23、Gate)为栅极，相当为栅极，相当b；S(Source)为源极，相当为源极，相当e。 N沟道增强型沟道增强型MOSFET结构示意图结构示意图 绝缘栅型场效应三极管绝缘栅型场效应三极管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为。分为 增强型增强型(uGS为为0时时iD为为0) N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型(uGS为为0时时iD不为不为0) N沟道、沟道、P沟道沟道 一、一、N沟道增强型沟道增强型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

24、，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 1、结构、结构n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（dielectric material），而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电常数 （dielectric constant）来决定。栅极多晶硅与基极

25、的硅则成为MOS电容的两个端点。 若若0 0u uGSGSuGS(th)时，空时，空穴向穴向P P衬底下方排斥，出现衬底下方排斥，出现薄层负离子的薄层负离子的耗尽层耗尽层。 耗尽层中少子向表层运耗尽层中少子向表层运动，不足以形成沟道将漏源动，不足以形成沟道将漏源沟通，所以不可以形成漏极沟通，所以不可以形成漏极电流电流I ID D。2、工作原理、工作原理无导电沟道，无漏电流。uGS= uDS 0：uGS0, uDS 0：1)1)栅源电压栅源电压U UGSGS的控制作用的控制作用当uGSuGS(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

26、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uGSuGS(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 0uGS uGS(th), uDS 0 2)漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用（当当uGSuGS(th)，且为且为固定固定值时，值时，uDS的不同变化对沟道的影响）的不同变化对沟道的影响）uDS=uDGuGS =uGDuGS uGD=uGSuDSuDS为为0或较小时或较小时uDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线（线性）分布。漏源

27、电压uDS对沟道的影响uGDuGD=uGS-uDS此时uDS 漏端沟道变窄uDS iD 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uGDuGS(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uGSuGD 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

28、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特性曲线及电流方程漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 当uGSuGS(th)，且固定为某一值时， uDS对iD的影响，即 iD=f(uDS)UGS=constuGD uGS(th), uGD = uGS - uDS 二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型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

29、道 电阻大，电流小； uGS0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、三、P沟道沟道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：U GS(th) 0，uGS0，uGS可正可负，漏源 间负电 源。场效应管的符号及特性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

30、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沟道增强型三三 逻辑门电路逻辑门电路1. MOS逻辑门电路逻辑门电路2. TTL逻辑门电路逻辑门电路1 、逻辑门、逻辑门:实现实现基本逻辑运算基本逻辑运算和和复合逻辑运算复合逻辑运算 的单元电路。的单元电路。2、 逻辑门电路的分类

31、逻辑门电路的分类二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门3.1 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路MOS管工作在可变电阻区，输出低电平管工作在可变电阻区，输出低电平MOS管截止，管截止， 输出高电平输出高电平当当I VT ：MOS管相当于一个由管相当于一个由vGS控制的无触点开关。控制的无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，管工作在可变电阻区，相当于开关相当于开关“闭合闭合”，输出为低电平。输出为低电平。MOS管截止，管截止，相当于开关相当于开关“断开

32、断开”输出为低电平。输出为低电平。当输入为低电平时：当输入为低电平时：当输入为高电平时：当输入为高电平时：3.2 CMOS反相器反相器1. 工作原理工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V-10V截止截止导通导通 10 V10 V 10V 0V导通导通截止截止0 VVTN = 2 V VTP = - 2 V逻辑图逻辑图AL 逻辑表达式逻辑表达式vi (A)0vO(L)1逻辑真值表逻辑真值表10)VVVTPTNDD( P沟道沟道MOS管输出特性曲线坐标变换管输出特性曲线坐标变换输入高电平时的工作情况输入高电平时的工作情

33、况输入低电平时的工作情况输入低电平时的工作情况作图分析：作图分析：2. 电压传输特性和电流传输特性电压传输特性和电流传输特性)v(fvIO 电压传输特性电压传输特性3. CMOS反相器的工作速度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：与关闭时间是相等的。平均延迟时间：10 ns。 带电容负载带电容负载A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止 导通导通 截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止 截止截止导通导通导通导通111

34、0与非门与非门1. CMOS 与非门与非门vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvL(a)电路结构电路结构(b)工作原理工作原理VTN = 2 VVTP = - 2 V0V10V3.3 CMOS 逻辑门逻辑门AB&L或非门或非门LAB2. CMOS 或非门或非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止导通导通截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止截止截止导通导通导通导通10000V10VVTN = 2 VVTP = - 2 VAB13. 异或

35、门电路异或门电路BA BABAXBAL BABA BA =A B4.输入保护电路和缓冲电路输入保护电路和缓冲电路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 输输入入保保护护缓缓冲冲电电路路 输输出出缓缓冲冲电电路路 vi vo 采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电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。路具有相同的输入和输出特性。BABAL CMOS逻辑门的缓冲电路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的逻

36、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能为与非功能3.5 CMOS传输门传输门(双向模拟开关双向模拟开关) 1. CMOS传输门电路传输门电路TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 5V 电路电路vI /vO vO /vI C C T G 逻辑符号逻辑符号I / Oo/ IC等效电路等效电路2、CMOS传输门电路的工作原理传输门电路的工作原理 设设TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2V I的变化范围为的变化范围为5V到到+5V。 5V+5V5V到+5V GSN0, TP截止截止TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 5V 1）当）当c=0，

37、 c =1时时c=0=-5V， c =1=+5V C TP vO/vI vI/vO +5V 5V TN C +5V5V GSP= 5V (3V+5V)= 2V 10V GSN=5V (5V+3V)=(102)V b、 I= 3V5V GSNVTN, TN导通导通a、 I= 5V3VTN导通，导通，TP导通导通 GSP |VT|, TP导通导通c、 I= 3V3VOIvv2）当）当c=1， c =0时时传输门组成的数据选择器传输门组成的数据选择器C=0TG1导通导通, TG2断开断开 L=XTG2导通导通, TG1断开断开 L=YC=1传输门的应用传输门的应用3.6 TTL逻辑门逻辑门1. BJ

38、T的开关特性的开关特性iB 0，iC 0，vOVCEVCC，c、e极之间近似于极之间近似于开路开路,vI=0V时时:iB 0，iC 0，vOVCE0.2V，c、e极之间近似于极之间近似于短路短路,vI=5V时时:iCICSVRCCc很小，约为数很小，约为数百欧，相当于百欧，相当于开关闭合开关闭合可变可变 很大，约为很大，约为数百千欧，相数百千欧，相当于开关断开当于开关断开 c、e间等间等效内阻效内阻VCES 0.20.3 VVCEVCCiCRcVCEO VCC管压降管压降 且不随且不随iB增加而增加而增加增加ic iBiC 0集电极电集电极电流流 发射结和集电发射结和集电结均为正偏结均为正偏

39、发射结正偏，发射结正偏，集电结反偏集电结反偏 发射结和集发射结和集电结均为反偏电结均为反偏偏置情况偏置情况工工作作特特点点 iB iB0条件条件饱饱 和和放放 大大截截 止止工作状态工作状态BJT的开关条件的开关条件 0 iB CSI CSI2. BJT的开关时间的开关时间从截止到导通从截止到导通开通时间开通时间ton(=td+tr)从导通到截止从导通到截止关闭时间关闭时间toff(= ts+tf)BJT饱和与截止两种状态的饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间才相互转换需要一定的时间才能完成。能完成。CL的充、放电过程均需经历的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出一定的时间，必

40、然会增加输出电压电压 O波形的上升时间和下波形的上升时间和下降时间，导致基本的降时间，导致基本的BJT反相反相器的开关速度不高。器的开关速度不高。3. 基本基本BJT反相器的动态性能反相器的动态性能若带电容负载若带电容负载故需设计有较快开关速度的实用型故需设计有较快开关速度的实用型TTL门电路。门电路。 2.氧化氧化n氧化是指硅和氧气进行化学反应，得到二氧化硅。氧化是指硅和氧气进行化学反应，得到二氧化硅。n为加速反应过程，需要干净，高温为加速反应过程，需要干净，高温SiO2 薄膜的薄膜的用途用途：1、用作选择扩散时的、用作选择扩散时的掩蔽膜掩蔽膜；2、用作离子注入时的掩蔽膜及缓冲介质层等；、用

41、作离子注入时的掩蔽膜及缓冲介质层等；3、用作、用作绝缘介质绝缘介质（隔离、绝缘栅、多层布线绝缘、电（隔离、绝缘栅、多层布线绝缘、电容介质等）；容介质等）；4、用作、用作表面保护及钝化表面保护及钝化。n阱阱CMOS工艺工艺p p型硅衬底型硅衬底SiO2磷扩散磷扩散(1) 定义定义n阱阱n起始材料：起始材料：p型衬底型衬底n初始氧化；初始氧化；n光刻，定义出光刻，定义出n阱；刻蚀阱；刻蚀SiO2;nn阱磷扩散阱磷扩散p型硅衬底型硅衬底Si3N4有源区域有源区域(2) 定义有源区域定义有源区域n阱阱SiO2n生长一薄层生长一薄层SiO2；n淀积淀积Si3N4；n光刻，刻蚀光刻，刻蚀Si3N4；p型硅

42、衬底型硅衬底(3) LOCOS氧化氧化n阱阱SiO2n热生长一层厚氧化层；热生长一层厚氧化层；n去掉去掉Si3N4；n去掉有源区的薄去掉有源区的薄SiO2层；SiO2SiO2p型硅衬底型硅衬底(4) 形成多晶硅栅极形成多晶硅栅极n阱阱多晶硅栅极多晶硅栅极SiO2SiO2SiO2n生长一层薄的高质量的栅氧化层生长一层薄的高质量的栅氧化层n淀积多晶硅层；淀积多晶硅层；n光刻，刻蚀，形成多晶硅栅极；光刻，刻蚀，形成多晶硅栅极；p型硅衬底型硅衬底(5) n+扩散扩散n阱阱砷注入砷注入光刻胶光刻胶SiO2SiO2SiO2n光刻；光刻；n掺入砷（掺入砷（n型），形成型），形成n+源区和漏区源区和漏区p型硅

43、衬底型硅衬底(6) p+扩散扩散n阱阱硼注入硼注入n+光刻胶光刻胶n+SiO2n光刻；光刻；n掺入硼（掺入硼（p型），形成型），形成p+源区和漏区源区和漏区p型硅衬底型硅衬底(7) 形成接触孔形成接触孔n阱阱CVD氧化氧化n+p+n+p+n生长一层厚氧化层；生长一层厚氧化层；n光刻，确定孔的位置；光刻，确定孔的位置；n刻蚀，形成接触孔；刻蚀，形成接触孔；p+p+SiO2p型硅衬底型硅衬底n阱阱n+n+SiO2(8) 金属化金属化n MOSFETp MOSFETn淀积金属层淀积金属层n光刻；光刻；n刻蚀。刻蚀。p+p+SiO2CMOS反相器版图反相器版图N 阱扩散阱扩散确定有源区确定有源区沉积硅

44、栅沉积硅栅n+扩散扩散p+扩散扩散生成接触孔生成接触孔产生金属连线产生金属连线n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n 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。普遍性的特点。 说明了固体为什么会有导体、非导体的区别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原子的间距晶体中电子的平均自由程为什么会远大于原子的间距 能带论为分析半导体提供了理论基础，有力地推动了半导能带论为分析半导体提供了理论基础，有力地推动了半导体技术的发展体技术的发展 大型高速计算机的发展，大型高速计算机的发展， 使能带理论的研究从定性的普使能带理论的研究从定性的普遍性规律发展到对具体材料复杂能带结构的计算遍性规律发展到对具体材料复杂能带结构的计算 能带论能带论能带论能带论n能级能级n能带：固体中的多粒子运动简化为一个电子能带：固体中的多粒子运动简化为一个电子在周期性