《微电子学概论》

1、半导体器件物理基础,PN结的形成,正向偏置的PN结情形,正向偏置时的能带图,正向偏置时，扩散大于漂移,N区,P区,空穴：,正向电流,电子：,P区,N区,扩散,扩散,漂移,漂移,PN结的反向特性,N区,P区,空穴：,电子：,P区,N区,扩散,扩散,漂移,漂移,反向电流,反向偏置时的能带图,反向偏置时，漂移大于扩散,PN结的特性,单向导电性： 正向偏置 反向偏置,正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流,正向导通电压Vbi0.7V(Si),反向击穿电压Vrb, 2.4 双极晶体管,1. 双极晶体管的结构,由两个相距很近的PN结组成：,分为：NPN和PNP两种形式,基区宽度远远小于

2、少子扩散长度,NPN晶体管的电流输运,NPN晶体管的电流转换,晶体管的直流特性,共发射极的直流特性曲线,三个区域： 饱和区 放大区 截止区,4. 晶体管的特性参数,4.1 晶体管的电流增益（放大系数,共基极直流放大系数和交流放大系数0 、 ,两者的关系,共发射极直流放大系数交流放大系数0、 ,4. 晶体管的特性参数,4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压,反向漏电流,Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流,晶体管的主要参数之一,4. 晶体管的特性参数 （续）,4.3 晶体管的击穿电压,BVcbo B

3、vceo BVebo,BVeeo晶体管的重要直流参数之一,4. 晶体管的特性参数(续),4.4 晶体管的频率特性,截止频率 f：共基极电流放 大系数减小到低频值的 所对应的频率值,截止频率f ：,特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率,最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率,5. BJT的特点,优点,垂直结构,与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大,易于获得高fT,高速应用,整个发射上有电流流过,可获得单位面积的大输出电流,易于获得大电流,大功率应用,开态电压VBE与尺寸、工艺无关,片间涨落小，可获得小的电压摆幅,易于小信号应用,模拟电路,输入电容由扩散电容

4、决定,随工作电流的减小而减小,可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容,输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度,高跨导,缺点：,存在直流输入电流，基极电流,功耗大,饱和区中存储电荷上升,开关速度慢,开态电压无法成为设计参数,设计BJT的关键： 获得尽可能大的IC和尽可能小的IB,当代BJT结构,特点： 深槽隔离 多晶硅发射极, 2.5 MOS场效应晶体管,MOS电容结构 MOSFET 器件,1. MOS 电容,电容的含义 MOS结构 理想的MOS电容特性 非理想的MOS电容特性,关于电容,平行板电容器,电容C定义为：,直流和交流时均成立,一 MOS结构,交流电容,交流电容C定义为：,对于

5、理想的交流电容，C与频率无关 这里理想指电容中没有能量的耗散： 1、忽略金属引线的电阻（超导线 2、介质层不吸收能量,非理想的电容：,半导体中的电容通常是交流电容,例如：突变PN结电容,和平行板 电容器形 式一样,+,-,V,P+,N,xd,偏压改变V,未加偏压时的MOS结构,MOS 电容的结构,MOS电容中三个分离系统的能带图,功函数,无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲,平带电压,平带电压使表面势为0，所需在栅上加的偏压。,施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型,MOS场效应晶体管,场效应晶体管,结型场效应晶体管 （JFET）,金属半导体场效应晶体管 （MESFET）,MOS

6、 场效应 晶体管（MOSFET）,转移特性曲线,提取阈值电压 研究亚阈特性,长沟MOSFET的输出特性,亚0.1微米MOSFET器件的发展趋势,作业,讨论PMOS晶体管的工作原理,第三章 大规模集成电路基础,3. 1半导体集成电路概述,集成电路（Intergrated Circuit，IC）,芯片（Chip, Die） 硅片（Wafer）,集成电路的成品率：,成品率的检测，决定工艺的稳定性，成品率对集成电路厂家很重要,集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比,集成电路发展的特点：性能提高、价格降低,集成电路的性能指标： 集成度 速度、功耗 特征尺寸 可靠性,主要途径：缩小器件的特征尺寸 增

7、大硅片面积,集成电路的关键技术：光刻技术(DUV),缩小尺寸：0.250.18mm 增大硅片：8英寸12英寸,亚0.1mm：一系列的挑战， 亚50nm：关键问题尚未解决,新的光刻技术： EUV SCAPEL(Bell Lab.的E-Beam) X-ray,集成电路的制造过程： 设计 工艺加工 测试 封装,集成电路产业的发展趋势： 独立的设计公司（Design House） 独立的制造厂家（标准的Foundary）,集成电路类型：数字集成电路、模拟集成电路,数字集成电路基本单元：开关管、反相器、组合逻辑门 模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、电流镜、转换器等,3.2 双极集成电路基础,有源元件

8、：双极晶体管 无源元件：电阻、电容、电感等,双极数字集成电路,基本单元：逻辑门电路,双极逻辑门电路类型： 电阻-晶体管逻辑 (RTL) 二极管-晶体管逻辑 (DTL) 晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 集成注入逻辑 (I2L) 发射极耦合逻辑 (ECL),双极模拟集成电路,一般分为： 线性电路（输入与输出呈线性关系） 非线性电路 接口电路：如A/D、D/A、电平位移电路等,3.3 MOS集成电路基础,基本电路结构：CMOS,MOS集成电路 数字集成电路、模拟集成电路,MOS 数字集成电路,基本电路单元： CMOS开关 CMOS反相器,CMOS开关,W,W,CMOS反相器,与非门：Y=A1A2,3.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势,器件的门延迟： 迁移率 沟道长度,电路的互连延迟： 线电阻（线尺寸、电阻率） 线电容（介电常数、面积）,途径： 提高迁移率，如GeSi材料 减小沟道长度,互连的类别： 芯片内互连、芯片间互连