微电子概论与前沿技术 课件 第9章　微电子与光电信息

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Microelectronics微电子概论与新进展微电子与光电信息篇目录123章节介绍太阳能电池光电探测器4发光二极管4光通信v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景3章节解析一、章节介绍MOSFET放大器放大器基础BJT放大器放大器基础基本概念四种放大器类型MOSFET基础放大分析方法三种基础放大器BJT基础放大分析方法三种基础放大器MOSFET放大器BJT放大器掌握知识：放大器的概念、原理和重要参数掌握知识：MOSFET大信号和小信号特性，共源/共栅/共漏放大器分析掌握知识：BJT大信号和小信号特性，共射/共集/共基放大器分析目录123章节介绍太阳能电池光电探测器4发光二极管4光通信v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景5太阳能二、太阳能电池能量资源不可再生可再生化石燃料核能太阳能风能水能生物质能地热能海洋能人类主要利用的能量资源为化石燃料，但储量会在未来几十年内耗尽，且化石燃料燃烧时会产生大量CO2，导致温室效应，海平面上升，淹没海边城市太阳能：来自太阳的能量，主要以光和热的形式到达地球，是地球上几乎所有能量的最终来源（其三天产生的辐射能量相当于地球上已探明矿物燃料总和）太阳辐射方式直接辐射间接辐射太阳辐射穿透地面的方式可以分为两种：直接辐射：太阳直射到地面间接辐射：太阳能被大气吸收、散射或被地面反射而改变了方向直接辐射和间接辐射总和称为太阳总辐射太阳能行业通行测试条件：（1）大气质量为AM1.5；（2）太阳辐照度Ps=1000W/m2；（3）环境温度T=25℃±1℃v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景6太阳能电池二、太阳能电池光电利用光热利用光化利用利用形式光生物作用太阳能的利用包括如下形式：光电利用：一种是通过太阳辐射产生的太阳能发电，另一种是利用半导体材料的光电效应将太阳能转换为电能，典型的光电效应案例就是太阳能电池光热利用：将太阳能收集起来，使其和物质相互作用，将其转换为热能加以利用，如平板集热器等光化利用：利用太阳辐射分解水制氢光生物作用：通过植物的光合作用，将太阳能转换为生物能量，如海藻等硅太阳能电池复合太阳能电池太阳能电池种类新概念太阳能电池利用“光生伏特效应”将太阳光能直接转换为电能的半导体器件，可以分为以下几类：硅太阳能电池：基于硅基于PN结和光生伏特效应的太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅电池，目前是光伏市场的绝对主导者（90%市场份额）复合太阳能电池：由化合物半导体材料构成的太阳能电池，如砷化镓电池、铜铟镓硒电池等新概念太阳能电池：包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景7太阳能电池基本原理二、太阳能电池太阳能电池的基本结构太阳能电池的基本原理来自于光生伏特效应光生伏特效应：指半导体材料在受到光照射时，其内部吸收光能，从而产生电压和电流的现象（1839年亚历山大发现）以右图PN结单晶硅太阳能电池为例，当P型和N型半导体相接触时，由于两侧载流子浓度差异，N区多子（电子）会扩散进入P区，P区多子（空穴）会扩散进入N区，双方多子进入对方区域后，会同对方多子复合，形成空间电荷区太阳能电池工作原理概括：太阳能电池吸收一定能量的光太阳能电池产生光生电子-空穴对光生电子-空穴对在内建电场作用下分离光生电子-光生空穴被输运至外电路若忽略太阳能自身电阻，将太阳能电池作为电源给负载供电，那么外部输出电流密度为短路电流与暗电流之差如果太阳能电池开路，则由暗电流方程可计算开路电压v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景8染料敏化太阳能电池二、太阳能电池染料敏化太阳能电池基本结构染料敏化太阳能电池DSSC：以低成本光敏染料为主要材料的新型太阳能电池，其工作原始是通过模拟自然界光合作用，将太阳能转换为电能特点：成本低、环保、功率转换效率高、透明度高，具体结构如下：导电基底：具备良好的导电性和透光性的导电玻璃，如掺氟氧化锡FTO和氧化铟锡ITO光阳极：负责传输锚定在其上的染料敏化剂所产生的载流子，当前用的最多的是TiO2纳米粒子染料敏化剂：在光照下会激发电子，并将电子注入TiO2的导带中，可分为有机敏化剂和无机敏化剂电解质：将电子传导给染料敏化剂并使其被还原成基态而实现再生，分为液态、准固态和全固态三种对电极：将三碘化物还原成碘离子，并从外部电路中将电子回收到电解质中，从而实现染料敏化剂的循环利用，传统的对电极材料选用Pt，但是价格昂贵且易被电解质腐蚀，可选导电聚合物或过渡金属化合物代替v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景9钙钛矿太阳能电池二、太阳能电池钙钛矿的晶体结构钙钛矿太阳能电池：使用具有与天然矿物“钙钛矿”（CaTiO3）

相同晶体结构的材料作为光吸收层的新一代太阳能电池技术。截止2022年初，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经达到了25.7%，这个数据基本接近单晶硅太阳能电池的光电转换效率，但钙钛矿材料的制备成本和制备工艺的复杂度远远低于单晶硅常见的钙钛矿晶体结构如下：A位通常为有机阳离子，如甲胺离子CH3NH3+、甲眯离子HC(NH2)2+或无机铯离子Cs+B位通常为二价金属阳离子，如铅Pb2+或锡Sn2+X位通常位卤素阴离子，如碘I-、溴Br-、氯Cl-在ABX3中，每个B离子和周围6个X离子构成正八面体,BX6之间通过共用X离子构成钙钛矿三维骨架，A离子通常嵌入八面体间隙中将ABX组合即可构成钙钛矿电池材料，最常见配方为CH3NH3PbI3v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景10钙钛矿太阳能电池器件结构二、太阳能电池介孔型规则平面型器件结构倒置平面型按照结构的不同，钙钛矿太阳能电池可以分为介孔型、规则平面型和倒置平面型介孔型：在致密的电子传输层之上，拥有一层由纳米颗粒（如TiO2）形成的多孔支架层（介孔层）。介孔层具有比表面积大、孔道结构丰富等优良特性，是良好的催化剂载体规则平面型：去掉了介孔层，简化了器件结构。直接在致密的电子传输层上沉积一层平整的钙钛矿多晶薄膜，形成平面异质结，极大地提高了太阳能电池制备的灵活度，但是相对而言电池的光电转换效率有所降低倒置平面型：将器件的顺序完全颠倒，制备工艺更简单，可用于制备叠层器件，但是仍旧存在电池的光电转换效率低的不足电子传输层电子传输层空穴传输层空穴传输层目录123章节介绍太阳能电池光电探测器4发光二极管4光通信v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景12光电探测器三、光电探测器光电探测器分类光电探测器：一种能够将光信号转换成电信号的半导体器件光电探测器根据器件光响应机制不同，可以分为光子探测器和光热探测器：光热探测器：将光敏材料的光辐射能量转换为晶格的热运动能量，从而引起光敏材料温度的上升，包括热敏电阻和热释电探测器等光子探测器：利用光电效应直接将入射光子转换成电子或电子-空穴对，从而产生可测量电信号。其中，光电效应包括外光电效应和内光电效应外光电效应：在光电管的阳极和阴极两端施加电压，当光照射到阴极表面时，阴极产生的电子会在电场作用下形成光电流，从而实现对光的探测半导体材料吸收光子而逸出电子的现象，典型器件如光电管和光电倍增管内光电效应：在光量子的作用下，半导体材料自身产生电子-空穴对，如光电导探测器，光生伏特探测器，可以分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：在光激励下，价带中的电子被激发到导带而产生电子-空穴对，使半导体材料的光生载流子浓度增大，进而提高电导值v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景13光电探测器分类三、光电探测器截止波长：探测器能够响应的最大波长，光子能量E=hc/λ必须大于半导体材料的禁带宽度Eg才能产生光电效应，按照波长可以进行如下分类：紫外光电探测器：用于探测紫外线波段光子的探测器，响应波长范围10-380nm，常见材料AlN、GaN、SiC等，典型应用有紫外线指数监测、火焰探测等可见光电探测器：响应于人眼可见光谱的探测器，响应波长范围380-780nm，常见材料Si，典型应用包括成像、照相、光强度测量、条码扫描等近红外光电探测器：响应于近红外波段的光探测器，响应波长范围780-3000nm，常见材料Si，Ge，典型应用包括光纤通信、光谱分析等紫外光电探测器可见光电探测器光波长范围近红外光电探测器中远红外光电探测器中远红外光电探测器：中红外3-8μm，远红外8-15μm，常见材料InSb，典型应用包括热成像、红外制导等v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景14光电探测器性能参数三、光电探测器光电探测器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景15光电探测器三、光电探测器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景16光电探测器三、光电探测器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景17光电探测器三、光电探测器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景18光电探测器三、光电探测器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景19光电探测器三、光电探测器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景20太阳能二、太阳能电池v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景21大信号输出特性三、场效应管放大器N沟道增强型MOSFET与输出特性MOSFET工作在三个区：截止区、可变电阻区、饱和区截止区：vGS<VTN，导电沟道未形成，iD=0可变电阻区：vDS<(vGS-VTN)，此时由于此时VDS较小，因此此时rds为栅控可变电阻饱和区（恒流区、放大区）：vDS≥(vGS-VTN)，此时有

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Microelectronics一、技术背景22基本共源放大电路三、场效应管放大器vi为栅极输入信号，v0（vDS）为漏极输出信号，因此放大电路共源，各部分元件作用如下：信号源VGG：提供栅压，使vGS>VTN信号源VDD和电阻Rd：提供合适源漏电压，使vDS≥(vGS-VTN)信号传递过程如下，在饱和区有vi

vGS

iD

vDS(=vo)因此

增益为静态工作状态（直流工作状态）：输入信号为0时，放大电路的工作状态，此时N沟道增强MOSFET的三个直流量ID，VGS和VDS能够在输出特性曲线上表示为一个确定的点，称为静态工作点Q，常写成IDQ，VGSQ和VDSQ动态工作状态（交流工作状态）：输入信号不为0时，放大电路的工作状态转移曲线与基本共源放大电路v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景23直流/交流工作状态三、场效应管放大器直流工作状态：VGSQ=VGG，

，VDSQ=VDD-IDQRd

，计算Q点参数后，必须检验是否满足饱和区工作条件基本共源放大电路直流工作状态交流工作状态在静态基础上加小信号vi，此时总电压和电流为，可见交流小信号是在Q点附近波动vGS=

VGSQ+

viiD

=

IDQ+

idvDS=

vDSQ+

vdsv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景24图解法三、场效应管放大器共源放大电路静态工作点（图解法）由于vDS=VDD-iDRd，可以将vds和id置0分别求出与输出曲线iD-vDS的截距，在两者相交处，找到vGS=VGG点，即可确定Q值vds和vi的相位相反可以确定最大不失真输出幅度（右下角为截止失真，左上角为饱和失真）v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景25小信号模型三、场效应管放大器小信号模型：在特定条件下将非线性器件做线性化近似处理，从而简化由其构成的放大电路的分析和设计考虑到vgs<<2(VGSQ-VT)，忽略最后一项，因此iD=IDQ+gmvgs=IDQ+id，考虑小信号时，id=gmvgs根据诺顿等效，输出端存在电阻rds，N沟道增强型MOSFET交流小信号模型gmvgs是电压vgs控制电流源电流方向与电压极性关联gm低频互导的物理意义是转移曲线上Q点的切线斜率rds输出电阻的物理意义是Q点切线斜率的倒数v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景26电流镜三、场效应管放大器电流镜：一种模拟电路，用于复制或“镜像”输入电流，并在输出端产生一个与输入电流成固定比例的电流右图所示，两个MOS管栅极相连，接在Q1的漏极，Q1漏极接参考电流源IREF，Q2漏极输出IoutQ1和Q2工作在饱和区，有理想情况，假设两个MOS管具有相同的μn和Cox，则上式两边相比可得

，这就是电流的复制（镜像）简单的CMOS电流镜实际上需要考虑MOS管的有限输出阻抗rout，将一个信号源Vx放置于输出节点，那么左图为单个MOS管Q1的小信号模型，其中考虑到输出阻抗中，rDS1>>1/gm1,所以输出阻抗可以近似为1/gm1，这种单一的等效小信号模型如右图所示IREFv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景27电流镜与放大器三、场效应管放大器使用简化模型后，整个电流镜的小信号模型如下图所示，VGS2通过一个电阻值为1/gm1的电阻接地考虑Q1电阻没有电流流过，VGS2=0，此外考虑低频状态，gm2VGS2为0，电路被简化为右图小信号模型，模型输出阻抗等于rDS2MOS放大电路共源放大器共漏放大器共栅放大器共源放大器：一种以MOSFET的源极（Source）作为交流信号公共端的单级放大器，有源负载通常由CMOS电流镜代替传统电阻负载共漏放大器：又称源极跟随器，漏极直接或者间接通过电流源接电源共栅放大器：栅极接固定偏置电压v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景28共源放大器三、场效应管放大器右图共源放大器由两部分构成：放大管（NMOS）和有源负载（PMOS电流镜）放大管：采用NMOS晶体管作为共源放大器的核心，输入信号加在栅极，输出从漏极取出有源负载：用PMOS晶体管构成的电流镜代替传统的电阻负载，为放大管提供静态工作电流并实现高增益共源放大器与小信号模型该共源放大器工作原理如下：电流镜：PMOS电流镜将参考电流IREF镜像到放大管的漏极，形成稳定的静态工作点信号放大：输入信号Vin调制NMOS管的栅极电压，改变其漏极电流ID，由于PMOS电流镜的等效输出阻抗很高，电流变化会转化为较大的输出电压变化Vout，实现电压放大高增益：PMOS电流镜的高输出阻抗rDS2和NMOS管的高输出阻抗rDS1并联，总阻抗较高，增益-gm（rDS1||rDS2）显著提升，在0.18μmCMOS工艺下，单级增益通常在20-40dB（10-100倍）v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景29共漏放大器（源极跟随器）三、场效应管放大器右图共包括放大管（NMOS）和有源负载（NMOS电流镜）有源负载：由两个NMOS管Q2和Q3构成，提供恒定的偏置电流，使Q1工作在饱和区放大管：输入信号Vin加在栅极，输出为输入电压和栅源电压之差，Vout=Vin-Vgs1源极跟随器小信号模型如右图，其中对Vout写节点方程，由于Vgs1=Vin-Vout，可得

其中，GS1=1/RS1因此可以计算出增益

该值约等于0.8~0.95源极跟随器与小信号模型v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景30共栅放大器三、场效应管放大器共栅放大器采用有源负载时，其结构如下：放大管（NMOS）：源极输入Vin，栅极接固定电压Vbias，漏极输出Vout有源负载（PMOS电流镜）：由两个PMOS管构成，提供稳定的偏置电流作为高阻负载共栅放大器与小信号模型小信号模型如右图所示，输入阻抗低频下为ro1||1/gm1≈1/gm1在Vout处节点可得重新排列可计算增益为：

近似等于v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景31三种放大电路对比三、场效应管放大器参数共源放大器CS共漏放大器CD共栅放大器CG输入信号位置栅极栅极源极输出信号位置漏极源极漏极栅极交流状态输入输入接地电压增益-gm（rDS1||rDS2）≈1gm（rDS1||rDS2）典型增益范围30~60dB0.85~0.9520~50dB输入阻抗极高（栅极绝缘）极高（栅极绝缘）1/gm1输出阻抗高（rDS1||rDS2）低（1/gm||r0）高（rDS1||rDS2）主要应用场景高增益放大缓冲、电平位移射频、电流模式关键优缺点高增益、低带宽低输出阻抗、增益≈1宽带宽、输入阻抗低需要高增益，选择共源放大器（注意带宽限制）需要阻抗匹配/缓冲，选择共漏放大器（如驱动低阻负载）需要宽带宽/低输入阻抗，选择共栅放大器（如射频前端）目录123章节介绍放大器基础场效应管放大器4双极晶体管放大器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景33晶体管电流关系四、双极晶体管放大器共射极直流放大倍数共基极直流放大倍数电流之间关系如下：晶体管放大条件：内部条件：发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度，且基区很薄外部条件：发射结正偏，集电结反偏iC=f(vCE)

iB=const截止区：发射结和集电结均反偏，iC接近0饱和区：iC受vCE控制，一般vCE<0.7VVBEVBC0放大模式：发射结正偏集电结反偏饱和模式：发射结正偏集电结正偏截止模式：发射结反偏集电结反偏反向放大模式：发射结反偏集电结正偏v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景34特性曲线与静态工作点四、双极晶体管放大器晶体管电流方程当uBE大于导通电压uBEon时，晶体管导通，即处于放大或者饱和状态，这两种状态下，uBE≈uBEon，转移特性曲线类似于PN结二极管输入特性曲线为iB和uBE关系，由于iB=iC/β，所以输入特性曲线和转移特性曲线类似右图为共射极放大电路及直流通路，基极输入vS，集电极输出vCEv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景35图解法四、双极晶体管放大器将

曲线和输出曲线iC-vCE相交可以得到Q点，分别为ICQ、VCEQ、IBQ根据输入信号vS的波形，可以画出vBE和iB的波形v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景36图解法四、双极晶体管放大器同理，根据iB变化，可以画出vBE和iC波形同理，静态工作点太高会出现饱和失真，太低会出现截止失真饱和失真截止失真v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景37小信号模型四、双极晶体管放大器输入信号源ube的变化，引起ib的变化，体现为输入电阻：由于

因此，由于

，因此可以计算re为输出端，表现为受ib控制的电流源iC和输出电阻rce并联，其中UA：厄利电压v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景38小信号模型分析四、双极晶体管放大器放大器分析遵循线性叠加原则，分别分析直流和交流通路：分析直流通路：直流工作点Q主要参数IBQ、ICQ、UCEQ分析交流通路：计算交流指标Au、Ri、Ro分析直流通路时，交流信号短路，电容断路，RE用于负反馈抑制温漂温度升高，IC升高，IE增大，发射极电位增加，UBE减小，IB减小，IC减小戴维南等效：电压源短路v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景39交流特性分析四