az_集成电路设计原理_02_1.ppt

1、,第二章集成电路设计基础,集成电路的生产工艺,生产集成电路的本质,如何在基片（eg.硅片）上生成一系列的器件(有源or无源)和连接线。 这些器件和连接线组合在一起完成一些特定的功能。,世界第一台电子计算机ENIAC电子数字积分器与计算器,1946年2月14日 使用了18800个真空管 每秒可从事5000次的加法运算,1. 器件,半导体的导电原理,金属-半导体-绝缘体,半导体主要特点：,在纯净的半导体材料中，导电率随温度的上升成指数增加的趋势； 半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率，而且在重掺杂情况下，温度对电导率的影响较弱； 在半导体中可以实现非均匀掺杂； 光的辐照、高能电子等的注入可

2、以影响半导体的电导率。,1. 电子和空穴,（1）热激发,在一定温度下，晶体中的价电子虽然处于共价键的束缚中，但也同时在键中作热运动，由于这些价电子所受束缚较弱，因此，在室温下，处于热运动的价电子有一部分会因为具有较大的热运动能量，冲破共价键的束缚成为一个自由电子，在这同时破坏了一个共价键，在该共价键上留下了一个空位。这个过程称为“热激发”。,（2）“空穴”的概念,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，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。,本征激发和复合的过程,运动是相对的,（3）半导体中的载流子： 电子和空穴,本征半导体 没有杂质和缺陷的纯净半导体 杂

3、质半导体 掺杂了其他杂质，产生特殊电气特性的半导体。,生产集成电路的目的： 通过人为可控的掺杂其他元素， 使得半导体产生设计人员预期的电气特性,N型半导体 （Negative） 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。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,N型半导体结构示意图,在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子）,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子）, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂

4、质。,P型半导体（Positive ） 在本征半导体中掺入三价杂质元素，例如硼，可形成 P型半导体, 也称空穴型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,P型半导体的结构示意图,PN结,PN结的形成 在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,PN节的形成,PN节的平衡,最初 促使 载流子移动的动力是 “

5、浓度差” 后来 阻止 载流子移动的动力是 “电势能” 对抗 电势能 浓度差,PN节的形成,多子浓度,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于 P型半导体和N型 半导体结合面， 离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区，由于缺少 多子，所以也称 耗尽层（势垒区）。,PN结的形成过程,PN结的单向导电性,如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。,PN节的形成,(1) PN结加正向

6、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，削弱了内建电场。 于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区，成为非平衡载流子。 这一现象称为PN结的正向注入。,PN结加正向电压时的导电情况如图所示。,(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，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。,PN结加反向电压时的导电情况如图所示。,此时N区的少子一旦达到空间电荷区边界，就要被电场拉向P区，而P区的少子一旦达到空间电荷区边界，就要被电场拉向N区。 这称为 PN结的反向抽取作用。,内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小.,反向电流趋于一个反向偏压大小无关的饱和值，仅与少子浓度、扩散长度、扩散系数等有关。这个电流也称为反向饱和电流。,【注意】 加反向电压时不是一点电流都没有的， 而是有点反向电流的,PN结的击穿特性,当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流 将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此 现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：,雪崩击穿：当反向电压足够高时，PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而