数字电路与逻辑设计附PPT学习教案

1、数字电路与逻辑设计附数字电路与逻辑设计附+SiGe第1页/共53页2、半导体材料的特性、半导体材料的特性纯净半导体的导电能力很差；纯净半导体的导电能力很差；温度升高温度升高导电能力增强；导电能力增强；光照增强光照增强导电能力增强；导电能力增强；掺入少量杂质掺入少量杂质导电能力增强。导电能力增强。第2页/共53页 本征半导体的特点是：本征半导体的特点是：原子核最外层的价电子是原子核最外层的价电子是四个，是四价元素，它们四个，是四价元素，它们排列成非常整齐的晶格结排列成非常整齐的晶格结构构。所以半导体又称为。所以半导体又称为晶晶体体。第3页/共53页4、本征半导体的导电性能、本征半导体的导电性能4

2、.1 价电子与共价键价电子与共价键在本征半导体的晶体结构中，在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原每一个原子与相邻的四个原子结合。每一原子的一个子结合。每一原子的一个价价电子电子与另一原子的一个与另一原子的一个价电价电子子组成一个电子对。这对价组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻的原子结合的，它们把相邻的原子结合在一起，构成所谓在一起，构成所谓共价键共价键的的结构。结构。共价共价键键第4页/共53页硅原硅原子子共价键共价键价电价电子子价电子价电子受到受到激发激发，形成，形成自由电子自由电子并留下并留下空穴。空穴。半导体中的半导体中的自

3、由电子自由电子和和空穴空穴都能参与导电都能参与导电半导体具有两种载流子。半导体具有两种载流子。这是与金属导体的一个这是与金属导体的一个很大的区别，金属导体很大的区别，金属导体只有电子一种载流子。只有电子一种载流子。自由电子和空穴自由电子和空穴同时产生同时产生空穴空穴4.2 自由电子与空穴自由电子与空穴第5页/共53页在价电子成为自由电子的在价电子成为自由电子的同时，在它原来的位置上同时，在它原来的位置上就出现一个空位，称为空就出现一个空位，称为空穴。空穴表示该位置缺少穴。空穴表示该位置缺少一个电子，丢失电子的原一个电子，丢失电子的原子显正电，称为正离子。子显正电，称为正离子。自由电子又可以回到

4、空穴自由电子又可以回到空穴的位置上，使离子恢复中的位置上，使离子恢复中性，这个过程叫复合。性，这个过程叫复合。硅原子共价键价电子产生与复合产生与复合第6页/共53页第7页/共53页空穴价电子第8页/共53页第9页/共53页SiGe+P= =N型型第10页/共53页P+多多余余电电子子SiSiSiSiSiSiP 掺入掺入磷磷杂质的硅半导体晶体中，杂质的硅半导体晶体中，自由电子自由电子的数目大量增加的数目大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式，称之为电子型半导体或。自由电子是这种半导体的导电方式，称之为电子型半导体或N型半导体型半导体。特点特点 在在N型半导体型半导体中电子是多数载流子、空穴是少

5、数载流子。中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。 室温情况下，本征硅中当磷掺杂量在室温情况下，本征硅中当磷掺杂量在106量级时，电子载流量级时，电子载流子数目将增加几十万倍子数目将增加几十万倍第11页/共53页SiGe+B= =P型型第12页/共53页SiSiSiSiSiSiB+B空空穴穴 掺掺硼的硼的半导体中，半导体中，空穴空穴的数目远大于的数目远大于自由电子自由电子的数目。的数目。空空穴穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空空穴型半导体穴型半导体或或P型半导体型半导体 一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数一般情

6、况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的载流子的1010倍或更多。倍或更多。第13页/共53页第14页/共53页PN PN 结的形成结的形成 第15页/共53页1 1、PN PN 结的形成结的形成 多数载流子的扩散运动多数载流子的扩散运动第16页/共53页形成形成 PN PN 结结 空间电荷区的一个重要特征是：在此区间中，电子和空穴相互复合，束缚于共价键内，造成主要载流子不足主要载流子不足，因此，空间电荷区也称为耗尽区（耗损层）。由于主要载流子的不足，耗损层的电阻率电阻率非常高，比P区和N区的电阻率高得多。 在耗尽层内N型侧带正电，P型侧带负电，因此内部产生一个静电场，耗尽层的两端

7、存在电位差。第17页/共53页扩散运动与漂移运动扩散运动与漂移运动第18页/共53页第19页/共53页结加正向电压结加正向电压PNPN（导通）2 2、PN PN 结的单向导电性结的单向导电性第20页/共53页。第21页/共53页 在一定范围内，外电场愈强，正向电在一定范围内，外电场愈强，正向电流流(由由P区流向区流向N区的电流区的电流)愈大，这时愈大，这时PN结呈现的电阻很低。正向电流包括空穴结呈现的电阻很低。正向电流包括空穴电流和电子电流两部分。空穴和电子虽电流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但由于它们的然带有不同极性的电荷，但由于它们的运动方向相反，所以电流方向一致。外

8、运动方向相反，所以电流方向一致。外电源不断地向半导体提供电荷，使电流电源不断地向半导体提供电荷，使电流得以维持。得以维持。第22页/共53页结加反向电压结加反向电压PNPN（截止）第23页/共53页P区中的自由电子越过区中的自由电子越过PN结进入结进入N区，在电路中形成了反向电流区，在电路中形成了反向电流(由由N区访向区访向P区的电流区的电流)。第24页/共53页 由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即即PN结呈现的反向电阻很高。结呈现的反向电阻很高。 （换句话说，在（换句话说，在P型半型半导体中基本上没有可以自由运动的电子，而在导体中基本上没有

9、可以自由运动的电子，而在N型半导型半导体中基本上没有可供电子复合的空穴，因此，产生的体中基本上没有可供电子复合的空穴，因此，产生的反向电流就非常小。）反向电流就非常小。）值得注意的是：因为少数载流子是由于价电子值得注意的是：因为少数载流子是由于价电子获得热能获得热能(热激发热激发)挣脱共价键的束缚而产生的，环境温挣脱共价键的束缚而产生的，环境温度愈高，少数载流子的数目愈多。所以温度对反向电度愈高，少数载流子的数目愈多。所以温度对反向电流的影响很大。流的影响很大。 由以上分析可见：由以上分析可见：PN结具有单向导电性。即在结具有单向导电性。即在PN结上加正向电压时，结上加正向电压时，PN结电阻很

10、低正向电流较大结电阻很低正向电流较大(PN结处于导通状态结处于导通状态)，加反向电压时，加反向电压时，PN结电阻很高，反结电阻很高，反向电流很小向电流很小(PN结处于截止状态结处于截止状态)。第25页/共53页 PN结的反向击穿（结的反向击穿（具体请看备注具体请看备注）：）： 齐纳击穿齐纳击穿 雪崩击穿雪崩击穿 第26页/共53页双极型晶体管的几种常见外形（a）小功率管 （b）小功率管 （c）中功率管 （d）大功率管 双极型晶体管又称三极管。电路表示符号：BJT（Bipolar Junction Transistor）。由于有两种极性的载流子（即多数载流子和反极性的少数载流子）参与导电，因此称

11、为双极型晶体管。根据功率的不同具有不同的外形结构。第27页/共53页基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型 由两个掺杂浓度不同且背靠背排列的PN结组成，根据排列方式的不同可分为NPN型和PNP型两种，每个PN结所对应区域分别称为发射区、基区和集电区。第28页/共53页BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管制成晶体管的材料可以为制成晶体管的材料可以为硅或锗硅或锗第29页/共53页BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：很薄，面积小，掺杂浓度低集电区：面积大，掺

12、杂浓度中发射区：掺杂浓度高第30页/共53页BECNNPVBERBVCEIE进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IBE ，多数扩，多数扩散到集电结，形散到集电结，形成电流成电流ICE 。RCIBE发射结正偏，发射结正偏，发射区电子不发射区电子不断向基区扩散，断向基区扩散，形成发射极电形成发射极电流流IE。ICE第31页/共53页IB=IBE -ICBO IBEIC=ICE+ICBO ICEBECNNPEBRBECIEICBOICEIBEICBO：发射极开路时集电结反向饱和电流：发射极开路时集电结反向饱和电流 第32页/共53页晶体管中的载流

13、子运动和电流分配晶体管中的载流子运动和电流分配第33页/共53页JFET Joint Field Effect Transistor中文名称：中文名称：结型场效应管结型场效应管MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor中文名称：中文名称：绝缘栅型场效应管，或称金属氧化物半导体场效应管绝缘栅型场效应管，或称金属氧化物半导体场效应管场效应管有两种场效应管有两种:第34页/共53页1 1、结型场效应管（结型场效应管（JFET）具体分为：具体分为： N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 P沟道结型场效应管沟道结型场效应管第35页/共5

14、3页 N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGSNPPG（grid）S（source）D（drain）基底基底:N型半导体型半导体两边是两边是P区区导电沟道导电沟道第36页/共53页PNNG（grid）S（source）D（drain） P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS第37页/共53页PGSDUDSUGSNNNNID工作原理（以工作原理（以P沟道为例）沟道为例）设设UDS=0VPN结反偏，结反偏，UGS越大则越大则耗尽区越宽，耗尽区越宽，导电沟道越导电沟道越窄。窄。当当UGS比较小时，耗尽区宽比较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻

15、。间相当于线性电阻。 栅源电压栅源电压UGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响第38页/共53页PGSDUDSUGSNNUGS达到一定值时（达到一定值时（夹断电压夹断电压VP），），耗尽区碰到一起，耗尽区碰到一起，DS间被夹断，间被夹断，这时，即使这时，即使UDS 0V，漏极电流漏极电流ID=0A。ID夹断电压Pinch off voltage 可见，UGS控制着漏源之间的导电沟道。当UGS增加到某一数值VP时，两边耗尽层合拢，整个沟道被耗尽层完全夹断。（VP称为夹断电压）。此时，漏源之间的电阻趋于无穷大，管子处于截止状态。设设UDS=0V第39页/共53页PGSDUDSUGSID 漏源电压漏源

16、电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的影响的影响设设UGS Vp且且UGS不变不变NN越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反结反偏越大。沟道中仍是偏越大。沟道中仍是电阻特性，但呈现为电阻特性，但呈现为非线性电阻。非线性电阻。当当UDS较小，较小，UGDVP时时第40页/共53页PGSDUDSUGSID设设UGS VP ，被夹断区，被夹断区向下延伸。向下延伸。此时，电流此时，电流ID由未被夹断区由未被夹断区域中的载流子域中的载流子形成，基本不形成，基本不随随UDS的增加的增加而增加，呈恒而增加，呈恒流特性。流特性。第41页/共53页可见，若UGSVP且不变：当UDS0且尚小时，PN结因加反向电压，使耗尽

17、层具有一定宽度，但宽度上下不均匀，这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压UDS沿沟道递升，造成漏端电位低于源端电位，使近漏端PN结上的反向偏压大于近源端，因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然，在UDS较小时，沟道呈现一定电阻，ID随UDS而接近线性规律变化。由于沟道电阻的增大，ID增长变慢了。当UDS增大而使得UGD等于VP时，沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这种状态称为预夹断。这时管子并不截止，因为预夹断层很薄且漏源两极间的场强足够大，完全可以把向漏极漂移的载流子吸引过去形成漏极饱和电流IDSS。当UGDVP时，耗尽层从近漏端开始沿沟道加长它的接触部分，形成夹断区 。第4

18、2页/共53页在发生预夹断后，由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多，UDS继续增加的那部分电压基本上落在夹断区夹断区上，使夹断区形成很强的电场，它完全可以把沟道中向漏极漂移的载流子拉向漏极，形成漏极电流。因为未被夹断的沟道上的电压基本保持不变，于是向漏极方向漂移的载流子也基本保持不变，管子呈恒流特性恒流特性。但是，如果再增加UDS达到BUDS时（BUDS称为击穿电压），进入夹断区的电子将被强电场加速而获得很大的动能，这些电子和夹断区内的原子碰撞发生链锁反应，产生大量的新生载流予，使ID急剧增加而出现击穿现象。由此可见，结型场效应管的漏极电流ID受UGS和UDS的双重控制。第43页/共53页2、绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOSFET）具体分为：具体分为： N沟道增强型沟道增强型 N沟道耗尽型沟道耗尽型 P沟道增强型沟道增强型 P沟道耗尽型沟道耗尽型第44页/共53页N沟道增强型沟道增强型P型基底型基底两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层金属铝金属铝PNNGSDB衬底引线衬底引线GSDB第45页/共53页PNNGSDB 一般情况下，源极（S）和衬底引线（B)是连接在一起的（大部分都是在出厂时已经连好）。若VGS0（即VGB0），则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能