半导体基础知识

半导体基础知识第1页/共115页半导体基础知识（1）本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。常用：硅Si，锗Ge(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图硅原子空间排列及共价键结构平面示意图第2页/共115页两种载流子

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。这一现象称为本征激发（也称热激发）。当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。载流子：运载电荷的粒子。第3页/共115页

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。半导体基础知识（2）N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体，也称电子型半导体。第4页/共115页半导体基础知识（2）杂质半导体N型半导体多子：自由电子少子：空穴第5页/共115页半导体基础知识（2）多子：空穴少子：自由电子P型半导体

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。

第6页/共115页半导体基础知识（3）PN结的形成空间电荷区（耗尽层）扩散和漂移第7页/共115页半导体基础知识（4）PN结的单向导电性外加正向电压扩散运动加剧漂移运动减弱第8页/共115页半导体基础知识（4）PN结的单向导电性外加反向电压漂移运动加剧扩散运动减弱第9页/共115页半导体基础知识（5）PN结的伏安特性正向导通区反向截止区反向击穿区k:波耳兹曼常数T:热力学温度q:电子电荷第10页/共115页第三章门电路第11页/共115页3.1概述3.2半导体二极管门电路3.3CMOS门电路3.5TTL门电路*3.4其他类型的MOS集成电路第12页/共115页3.1概述门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，如与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门······门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0第13页/共115页获得高、低电平的基本原理高/低电平都允许有一定的变化范围单开关电路互补开关电路第14页/共115页正逻辑：高电平表示1，低电平表示0

负逻辑：高电平表示0，低电平表示1

在数字电路中，无论是对元、器件参数精度的要求还是对供电电源稳定度的要求，都比模拟电路要低一些。第15页/共115页3.2半导体二极管门电路二极管的结构：

PN结+引线+封装构成PN半导体二极管的结构和外特性（Diode）第16页/共115页3.2.1半导体二极管的开关特性高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0

vI=VIH

D截止，vO=VOH=VCCvI=VIL

D导通，vO=VOL=0假定二极管D为理想开关元件第17页/共115页二极管的开关等效电路：经常采用这种近似方法第18页/共115页二极管的动态电流波形：tre：反向恢复时间第19页/共115页3.2.2二极管与门设VCC=5V加到A，B的VIH=3V

VIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定3V以上为10.7V以下为0第20页/共115页3.2.3二极管或门设VCC=5V加到A，B的VIH=3V

VIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定高于2.3V为1低于0V为0第21页/共115页二极管构成的门电路的缺点电平有偏移带负载能力差只用于IC内部的逻辑单元第22页/共115页S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底氧化物层半导体层PN结3.3CMOS门电路一、MOS管的结构和工作原理3.3.1MOS管的开关特性金属层第23页/共115页以N沟道增强型为例：第24页/共115页以N沟道增强型为例：当加+vDS时，vGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0加上+vGS，且足够大至vGS>VGS(th),D-S间形成导电沟道（N型层）开启电压第25页/共115页二、MOS管的输入特性和输出特性输入特性：栅极电流为0，看进去有一个输入电容CI。输出特性：

iD=f(vDS)对应不同的vGS下得一簇曲线。又称为MOS管的漏极特性曲线。共源接法第26页/共115页漏极特性曲线（分三个区域）截止区可变电阻区恒流区第27页/共115页漏极特性曲线（分三个区域）截止区：vGS<VGS(th)，iD=0，ROFF>109Ω截止区第28页/共115页漏极特性曲线（分三个区域）

可变电阻区：当vDS较低（近似为0），vGS一定时， ，这个电阻与vGS的数值有关。第29页/共115页漏极特性曲线（分三个区域）恒流区：iD

基本上由vGS决定，与vDS关系不大。转移特性是vGS＝2VGS(th)时的iD的值第30页/共115页三、MOS管的基本开关电路第31页/共115页四、MOS管的开关等效电路OFF，截止状态ON，导通状态栅极的输入电容，数值约为几皮法。第32页/共115页五、MOS管的四种类型增强型大量正离子导电沟道耗尽型第33页/共115页第34页/共115页3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、CMOS反相器的电路结构结构示意图电路图第35页/共115页当vI＝VIL＝0时，当vI＝VIH＝VDD时，T1导通，T2截止T1截止，T2导通第36页/共115页二、电压传输特性

电流传输特性第37页/共115页三、输入端噪声容限第38页/共115页结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限。(a)不同VDD下的电压传输特性(b)VNH、VNL随VDD变化的曲线第39页/共115页3.3.3CMOS反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性74HC系列4000系列第40页/共115页二、输出特性第41页/共115页二、输出特性第42页/共115页3.3.4CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间tPHL、tPLH第43页/共115页二、交流噪声容限三、动态功耗第44页/共115页三、动态功耗第45页/共115页3.3.5其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的CMOS门电路1.

与非门2.或非门

第46页/共115页带缓冲级的CMOS门1、与非门第47页/共115页带缓冲级的CMOS门2、解决方法第48页/共115页第49页/共115页二、漏极开路输出门电路（OD门）第50页/共115页第51页/共115页三、CMOS传输门及双向模拟开关1.CMOS传输门CMOS传输门的电路结构和逻辑符号第52页/共115页第53页/共115页第54页/共115页

利用CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路。例：用反相器和传输门构成异或门。ABY0001010101第55页/共115页2.双向模拟开关第56页/共115页四、三态输出的CMOS门电路三态输出的CMOS反相器输出缓冲器第57页/共115页三态门的用途总线结构数据双向传输第58页/共115页3.3.6CMOS电路的正确使用留作同学们自学。3.3.7CMOS数字集成电路的各种系列*3.4其他类型的MOS集成电路最早投放市场：4000系列高速CMOS逻辑：HC/HCT系列改进的高速CMOS逻辑：AHC/AHCT系列

VHC/VHCT系列低压CMOS逻辑：LVC系列改进的低压CMOS逻辑：ALVC系列第59页/共115页3.5.1双极型三极管的开关特性 （BJT，BipolarJunctionTransistor）3.5TTL门电路TTL集成电路中采用双极型三极管作为开关器件。第60页/共115页一、双极型三极管的结构管芯+三个引出电极+外壳

三个电极分别称为基极(base)、集电极(collector)和发射极（emitter）。第61页/共115页基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂第62页/共115页以NPN型为例说明工作原理：当VCC

>>VBBbe结正偏，bc结反偏e区发射大量的电子b区薄，只有少量的空穴bc反偏，大量电子形成IC第63页/共115页二、三极管的输入特性和输出特性VON

：开启电压硅管，0.5~0.7V锗管，0.2~0.3V近似认为:vBE<VONiB=0vBE≥

VONiB

的大小由外电路电压、电阻决定1、三极管的输入特性曲线（以NPN型为例）第64页/共115页2、三极管的输出特性固定一个iB值，即得一条曲线，在vCE>0.7V以后，基本为水平直线第65页/共115页特性曲线分三个部分:放大区：条件vCE>0.7V,iB>0,iC随iB成正比变化，ΔiC=βΔiB。饱和区：条件vCE<0.7V,iB>0,vCE很低，ΔiC

随ΔiB增加变缓，趋于“饱和”。截止区：条件vBE=0V,iB=0,iC=0,c－e间“断开”。第66页/共115页三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T饱和导通，VO=VOL第67页/共115页工作状态分析：第68页/共115页图解分析法：第69页/共115页四、双极型三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态第70页/共115页五、双极型三极管的动态开关特性从二极管已知，PN结存在电容效应。在饱和与截止两个状态之间转换时，iC的变化将滞后于vI，则vO的变化也滞后于vI。第71页/共115页六、三极管反相器三极管的基本开关电路就是反相器(非门)。

实际应用中，为保证vI=VIL时T可靠截止，常在输入接入负电压VEE。参数合理？VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T截止，VO=VOL第72页/共115页【例3.5.1】计算电路参数的设计是否合理。-8V3.3kΩ10kΩ1kΩβ=20VCE(sat)=0.1VVIH=5VVIL=0V+5V第73页/共115页【例3.5.1】计算电路参数的设计是否合理。将发射极外接电路化为等效的vB与RB电路。第74页/共115页②当③当④又⑤因此，电路参数的设计合理。第75页/共115页3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设①②第76页/共115页需要说明的几个问题：①②③第77页/共115页二、电压传输特性截止区线性区饱和区转折区第78页/共115页二、电压传输特性第79页/共115页二、电压传输特性第80页/共115页三、输入端噪声容限第81页/共115页一、输入特性3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性TTL反相器的输入端等效电路TTL反相器的输入特性输入短路电流IIS高电平输入电流IIH第82页/共115页二、输出特性1、高电平输出特性3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性TTL反相器高电平输出等效电路TTL反相器高电平输出特性第83页/共115页2、低电平输出特性3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性二、输出特性TTL反相器低电平输出等效电路TTL反相器低电平输出特性第84页/共115页3.5.4TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间1、现象第85页/共115页二、交流噪声容限（b）负脉冲噪声容限（a）正脉冲噪声容限

当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd时，输出变化跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。第86页/共115页三、电源的动态尖峰电流第87页/共115页2、动态尖峰电流第88页/共115页第89页/共115页3.5.5其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门第90页/共115页2.或非门3.与或非门第91页/共115页4.异或门第92页/共115页二、集电极开路输出的门电路（OC门）1、推拉式输出电路结构的局限性①输出的高电平不可调；②带负载能力不强，尤其是高电平输出；③输出端不能并联接成线与结构。OC门第93页/共115页2、OC门的结构特点第94页/共115页OC门实现的线与第95页/共115页3、外接负载电阻RL的计算第96页/共115页3、外接负载电阻RL的计算第97页/共115页3、外接负载电阻RL的计算第98页/共115页三、三态输出门电路（ThreestateOutputGate，TS门）第99页/共115页三态门的用途第100页/共115页一、高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）电路的改进(1)输出级采用复合管（减小输出电阻RO）(2)减少各电阻值3.5.6TTL数字集成电路的各种系列

改进指标：2.性能特点速度提高的同时功耗也增加第101页/共115页二、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）电路改进采用抗饱和三极管用有源泄放电路代替74H系列中的R3减小电阻值2.性能特点速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大第102页/共115页三、低功耗肖特基系列

74LS/54LS（Low-PowerSchottkyTTL）*3.6其他类型的双极型数字集成电路四、74AS（AdvancedSchottkyTTL）74ALS（AdvancedLow-PowerSchottkyTTL）DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路···第103页/共115页复习3.1概述正逻辑赋值：以高电平表示逻辑1

以低电平表示逻辑0

高低电平都有一个允许的范围。TTL电路存在一个严重的缺点：功耗比较大。CMOS电路最突出的优点：功耗极低。第104页/共115页3.2半导体二极管门电路二极管伏安特性的几种近似方法：重点掌握教材P70图3.2.3(b)、(c)二极管门电路的缺点：存在电平偏移问题，只用于集成电路内部的逻辑单元。仅仅用二极管门电路无法制作具有标准化输出电平的集成电路。复习第105页/共115页复习3.3CMOS门电路MOS管的开关等效电路：OFF，截止状态ON，导通状态第106页/共115页复习3.3CMOS门电路N沟道增强型MOS管导通的基本条件：