微电子课件

总复习第一章概论什么是微电子学？有什么意义？晶体管发明：1947，贝尔，肖克莱等摩尔定律集成电路分类1.数字、模拟、模数混合(按电路功能分）2.MOS,双极，BiMOS（按器件结构类型分）3.SSI,MSI,LSI,VLSI（按规模分）4.单片，混合（按结构形式分）集成电路按器件结构可分为什么类型，各有什么特点？回答以下概念（1）能带结构：导带、价带、禁带，多数载流子、少数载流子，（2）本征、n型、p型半导体（费米能级位置）（3）施主杂质、受主杂质、施主能级、受主能级（4）费米能级（6）迁移率、晶格散射、杂质散射什么叫迁移率，迁移率与温度以及掺杂浓度有什么变化关系，并说明原因？总复习第2章半导体物理价带：被电子填充的能量最高的能带导带：未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg金属导体Eg=0绝缘体Eg很大10eV以上半导体Eg适中在0.1-5eV典型半导体禁带宽度Si1.1Ge0.67GaAs1.43施主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态载流子的输运漂移电流EqnqnvJdDeift迁移率电阻率mq单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动引入迁移率的概念影响迁移率的因素影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射〕体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热运动引起）电离杂质散射mq散射机理晶格散射杂质散射++迁移率与掺杂浓度的关系迁移率与温度的关系总复习第2章pn结部分（1）什么叫pn结，如何形成的扩散，自建电场，漂移，势垒（2）pn结电流电压关系正向反向（3）什么叫耗尽层形成过程（4）pn结的击穿隧道，雪崩（5）pn结的制作扩散，离子注入平衡pn结：无偏压下的pn结扩散的结果形成自建电场。空间电荷区也称作“耗尽区”“势垒区”空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子平衡：扩散流＝漂移流，n,p区域的费米能级一致能带的弯曲，形成势垒雪崩击穿由倍增效应引起的击穿。当PN结外加的反向电压增加到一定数值时，空间电荷数目较多，自建电场很强，使流过PN结的少子漂移速度加快，可获得足够大的动能，它们与PN结中的中性原子碰撞时，能把价电子从共价建中碰撞出来，产生新的电子空穴对。雪崩击穿通常发生在掺杂浓度较低的PN结中。wqawqaP型n型强电场破坏共价健引起的。齐纳击穿通常发生在掺杂浓度较高的PN结中。齐纳击穿PN结的伏安特性定量描绘PN结两端电压和流过结的电流的关系的曲线——PN结的伏安特性。根据理论分析，PN结的伏安特性方程为)1(kTqUSeII外加电压流过PN结的电流电子电荷量q=1.6×10-19C反向饱和电流绝对温度(K)玻耳兹曼常数k=1.38×10-23J/K自然对数的底总复习第2章：双极型晶体管（1）双极型晶体管结构，特点（两种载流子工作）（2）晶体管的电流传输过程发射结发射，基区扩散，收集区耗尽层漂移（3）电流增益：α，β定义，如何增大（浓度，基区宽度，扩散系数）（4）直流特性曲线：饱和区，线性区，截止区三极管在结构上的两个特点：(1)掺杂浓度：发射区集电区基区；(2)基区必须很薄。内部条件:(1)掺杂浓度：发射区集电区基区；(2)基区必须很薄。外部条件:发射结正偏，集电结反偏。电路接法：共射接法。RbVBBVCCRciBiCbecNPNuBEuCEiEuBC+++－－－晶体管内部载流子的运动发射区向基区注入电子的过程电子在基区中的扩散过程电子被集电极收集的过程iBiCiEVCCVBBRbNPN(a)载流子运动情况iB’iEiCnICBOiEiBRbVBBVCCiC(b)各极电流分配情况晶体管中的电流iEniEpiB’iCnICBO⑵共射输出特性iB为固定值时，iC和uCE之间的关系曲线称为共射输出特性，即BiCECufi|)((a)3AX1的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB=00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放大区截止区饱和区2046820℃2681012晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB=00.2mA20℃0.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放大区饱和区100203040(b)3DG4的输出特性510152025303550总复习第2章：MOS晶体管（1）MOS型晶体管结构（2）电流方程（3）直流特性曲线饱和区、线性区、截止区（5）增强型、耗尽型（6）双极型晶体管与MOS型的比较试说明绝缘柵型（结型）场效应管的工作原理？绝缘栅场效应管b（衬底引线）SiO2绝缘层铝N+N+P衬底SgduGS铝SiO2P衬底型硅耗尽区受主离子（a）uGSUTgbuGS自由电子耗尽区反型层（b）uGS≥UTgb绝缘栅型场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏-源极间电流的大小栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用当uGS=0时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，uDS任意iD=0当uGS0时，形成空间电荷区。当uGSUT，形成导电沟道。UT—开启电压。uGS越大，则导电沟道越宽，沟道电阻越小，iD越大。工作原理当uGSUT时，uDS0iD有电流。•当uDS较小时，uGD=uGS-uDSUT，沟道各处宽度基本不变电阻不变iD与uDS线性关系。当uGSUT时，即使uDS0iD=0漏源电压uDS对漏极电流iD的影响工作原理•uDS↑uGD↓d处变窄，s处不变电阻↑iD与uDS非线性关系。•当uGD=UT时d处沟道消失预夹断。•uDS↑↑uGDUT夹断区向s处扩展△uDS几乎全部降到夹断区iD基本不变。工作原理N沟道增强型MOS管的特性曲线iD=f(uDS)uGS=常数输出特性uDS(V)iD(mA)0481224135633.544.5uGS=5VN沟道增强型MOS管的特性曲线2.5ⅠⅡ截止区：0iUuDTGS,输出特性可变电阻区：TDSGSGDDSTGSUuuuuUu,,很小特点：若uGS不变，iD~uDS线性关系（电阻值不变）；若uGS不同，斜率也不同（电阻不同）。所以，可变电阻区是受uGS控制的压控电阻。uDS(V)iD(mA)0481224135633.544.5uGS=5VN沟道增强型MOS管的特性曲线2.5ⅠⅡ输出特性饱和区（恒流区）：TDSGSGDDSTGSUuuuuUu,,较大特点：出现了夹断。•uGS不变，若uDS增加，iD几乎不变（恒流）；•uDS不变，若uGS变化，iD也变化（uGS控制iD）。•定义一参数——跨导gmuDS(V)iD(mA)0481224135633.544.5uGS=5VN沟道增强型MOS管的特性曲线2.5ⅠⅡ常数DSuGSDmuig|栅源电压对沟道的控制作用在栅源间加负电压uGS，令uDS=0①当uGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。②当│uGS│↑时，PN结反偏，形成耗尽层，导电沟道变窄，沟道电阻增大。③当│uGS│增加到一定值Up时，沟道会完全合拢。结型场效应管漏源电压对沟道的控制作用在漏源间加电压uDS①当uDS=0时，iD=0。②uDS↑→iD↑→靠近漏极处的耗尽层加宽，呈楔形分布。③当uDS↑，uGD=uGS-uDS=UP时，在靠漏极处夹断——预夹断。④uDS再↑，预夹断点下移。预夹断前，uDS↑→iD↑。预夹断后，uDS↑→iD几乎不变。结型场效应管结型场效应管的特性曲线uDS(V)iD(mA)048125-4-3-2-1uGS=0V输出特性曲线-516-uGS（V）1234转移特性曲线8IDSS4627813462781350567iD(mA)总复习第3章：IC原理CMOS倒向器，与非门，或非门的构造。CMOS集成电路的优点：Vi相对VoVdd掩模版图TTL反相器电路结构及工作原理1）TTL反相器的电路结构由三部分组成：输入级：由T1、D1和电阻R1组成。中间级：由T2、R2、R3组成。T2的集电极和发射极为T4、T5提供了两个相位相反的信号，所以这级又称倒相级。输出级：由T4、T5、R4、D2组成。T5为反相器，T4是T5的有源负载，完成逻辑上的“非”。输入级中间级输出级由中间级提供的两个相位相反的信号，使T4、T5总是一管导通而另一管截止的工作状态。输出电路的形式称为“推拉式输出”电路，或称“图腾输出”。+-2）工作原理Vcc=5V、VIH=3.4V、VIL=0.2V、VON=0.7V(1)当vi=VIL输入低电平(0.2V)时，T1的发射结导通，T1基极电压VB1被钳位在VB1=Vi+VBE1=0.2+0.7=0.9VVB1不能使T1集电结、T2、T5导通，T1集电结，T2、T5截止。由于T2的b-c结反向电阻大，T1工作在深度饱和状态。VCE1≈0，VC2=高电平，VE2=低电平，VB1VC2VE2T4导通、T5截止，输出高电平VOH0.2V0.9V10VOH(2)当vi=VIH输入高电平(3.4V)或悬空时，VB1=VIH+VON=4.1V，因为T1的集电结、T2、T5导通的电压是2.1V，T1的VB1被钳位在2.1V上，T1的发射结反偏。电源VCC通过R1，T1的集电结向T2、T5提供基流，使T2导通饱和，VC2↓、VE2↑，T4截止、T5导通，输出Y为低电平VOL。4.1V3.4V2.1V0.2VVC2VE2（a）图是三输入端TTL与非门电路形式。T1的发射结正向偏置而导通，T2截止。结果将导致输出为高电平。只有当全部输入端为高电平时，T1将转入倒置放大状态，T2和T3均饱和，输出为低电平。(b)为三输入端TTL与非门的代表符号。Rb1T1T2T3T4GNDDRe2Rc2Rc4VCCABCABC（a）（b）CBAL&L或非门电路R1AT1AT2AT3T4GNDDRe2R2R4VCCR1BT1BT2BGNDBALABBAL≥1（a）（b）双极型集成电路版图设计步骤（1）划分隔离区（2）元器件的版图设计（3）元器件的布局（4）布线设计举例举例说明一个五管单元与非门电路的设计。（1）决定隔离区数目如图中虚线所示。设计举例（2）确定端头的排列及引出端数对所有的电路来说，输入、输出、电源、接地这些引出端是必须的。对于该电路来说，这4部分的引出端数目共有8个（输入端有5个）。另外，它还有2个扩展端，它们分别从Q2的发射极和集电极引出，要尽量排在一起。（3）确定元件尺寸由电路分析知，此电路中Q2和Q5饱和（且Q5为输出管），要通过较大的电流，所以可采用马蹄形结构。Q4的瞬态电流很大，所以发射极有效长度也要大些。Q3管不通过大电流，采用单基极条结构就可以了。设计举例（4）画布局布线草图画出此草图的目的是：①大致安排一下各元件的位置。②画出内连线的连接图形，使满足设计原则中对A1线的要求（如连通、无交叉等）。电路布局草图设计举例（5）绘制IC版图总图根据布局布线草图，利用计算机辅助设计可以把IC的总图画出来。布线版图CMOS基本门电路及版图实现CMOS反相器（1）CMOS反相器的具体电路如图所示。这是一种典型的CMOS电路结构，它由一个NMOS晶体管和PMOS晶体管配对构成，两个器件的漏极相连作为输出，栅极相连作为输入。NMOS晶体管的衬底与它的源极相连并接地，PMOS晶体管的衬底与它的源极相连并接电源。CMOS反相器（2）CMOS物理结构的剖视图如图所示。其中n沟道晶体管是在p阱区中制作的；而P沟道晶体管是在n型衬底上制作的。两个晶体管的栅极联在一起形成输入端。CMOS基本门电路及版图实现CMOS反相器的设计CMOS反相器的版图实现下图包括：（a）垂直走向MOS管结构（b）水平走向MOS管结构（c）金属线从管子中间穿过的水平走向MOS管结构（d）金属线从管子上下穿过的水平走向MOS管结构