微电子学概论.pptx
固体材料固体材料(电导率）：电导率）：超导体超导体:大于大于106(cm)-1 导导 体体:106104(cm)-1 半导体半导体:10410-10(cm)-1 绝缘体绝缘体:小于小于10-10(cm)-1一、什么是半导体一、什么是半导体从导电特性和从导电特性和机制来分：机制来分：不同电阻特性不同电阻特性不同输运机制不同输运机制第1页/共103页什么是半导体？金属：电导率106104(Wcm-1)，不含禁带；半导体：电导率10410-10(Wcm-1)，含禁带；绝缘体：电导率 BVBVceoceoBVBVceoceo:晶体管的重要直流参数之一，其越大，晶体管可能输晶体管的重要直流参数之一，其越大，晶体管可能输出的功率越大。出的功率越大。第73页/共103页3.晶体管的频率特性晶体管的许多参数，如放大倍数晶体管的许多参数，如放大倍数 ,，都与频率，都与频率有关，电流放大系数随频率增加而减小。有关，电流放大系数随频率增加而减小。(如图所如图所示示)截止频率截止频率 f f ：共基极电流放大系数减小到共基极电流放大系数减小到低频值的低频值的 时所对应的频率值；时所对应的频率值；截止频率截止频率f f ：减小到低频值的减小到低频值的 时时对应的频率值；对应的频率值；特征频率特征频率f fT T：共发射极电流放大系数为共发射极电流放大系数为1 1时对应的工作频率时对应的工作频率；最高振荡频率最高振荡频率f fMM：共发射极共发射极功率增益为功率增益为1 1时对应的频率时对应的频率；第74页/共103页五五.BJT的特点的特点优点优点垂直结构垂直结构与输运时间相关的尺与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大与光刻尺寸关系不大易于获易于获得高得高fT高速应高速应用用整个发射上有电整个发射上有电流流过流流过可获得单位面积可获得单位面积的大输出电流的大输出电流易于获得易于获得大电流大电流大功率应大功率应用用开态电压开态电压VBE与与尺寸、工艺无关尺寸、工艺无关片间涨落小，可获片间涨落小，可获得小的电压摆幅得小的电压摆幅易于小信易于小信号应用号应用模拟电路模拟电路第75页/共103页输入电容由扩散输入电容由扩散电容决定电容决定随工作电流的减随工作电流的减小而减小小而减小可同时在大或小的电流下工可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度流的载流子密度高跨导高跨导第76页/共103页缺点：缺点：存在直流输入电流，存在直流输入电流，基极电流基极电流功耗大功耗大饱和区中存储电荷上升饱和区中存储电荷上升开关速度慢开关速度慢开态电压无法成为设开态电压无法成为设计参数计参数设计设计设计设计BJTBJT的关键：的关键：的关键：的关键：获得尽可能大的获得尽可能大的获得尽可能大的获得尽可能大的I IC C和尽可能小和尽可能小和尽可能小和尽可能小的的的的I IB B第77页/共103页当代当代BJT结构结构特点：特点：深槽隔离深槽隔离多晶硅发多晶硅发射极射极第78页/共103页 2.4 MOS场效应晶体管场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transnsator)场效应晶体管（FET）结型场效应晶体管 （JFET）金属半导体场效应晶体管（MESFET）MOS 场效应 晶体管（MOSFET）场效应晶体管是一种电压控制器件,其导电过程主要涉及一种载流子.也称为单极晶体管集成电路中最重要的单极器件第79页/共103页一、MOSFET结构MOSFET:MOS field-effect transistor也叫：绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate,IGFET）栅极与其他电极之间绝缘 金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)电压控制电流场效应晶体管 两个高掺杂的n+区（二氧化硅）属于四端器件，有四个电极。由于结构对称，在不加偏压时，无法区分器件的源和漏。源漏之间加偏压后，电位低的一端称为源，电位高的一端称为漏。nMOSFET第80页/共103页如图，当施加在栅极上的电压为0时，源区和漏区被中间的P型区隔开，源和漏之间相当于两个背靠背的pn结，在这种情况下，即使在源和漏之间加一定的电压，也没有明显的电流，只有少量的pn结反向电流(为什么？）。当在栅极上加有一定的正电压VG0后，会形成电子导电沟道,如果在源和漏之间加一定的电压，就会有明显的电流流过。由于器件的电流是由电场控制的,因此这种器件为场效应晶体管.第81页/共103页MOS器件的表征：沟道长度沟道宽度wL第82页/共103页二、MOSFET工作原理（NMOS为例）1.半导体表面场效应（以P型半导体为例）(1).P型半导体 图1 P型半导体第83页/共103页 （2）、表面电荷减少(施加正电压)金属绝缘体半导体施加正电荷作用使半导体表面的空穴被排走，少子（电子）被吸引过来。第84页/共103页（3）、形成耗尽层（继续增大正电压）继续增大正电压，负空间电荷区加宽，同时被吸引到表面的电子也增加。形成耗尽层第85页/共103页（4）、形成反型层（电压超过一定值Vt）电压超过一定值Vt，吸引到表面的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，反型层。第86页/共103页2.NMOS晶体管工作原理表面场效应形成反型层（MOS电容结构）MOS第87页/共103页Vds Vgs-Vt漏电流Ids随漏电压Vds的变化而线性变化。整个沟道厚度变化不大。随着Vds的增加，漏端沟道变窄，当Vds增加到使漏端沟道面积减少到零时，称为沟道“夹断”。漏极附近不再存在反型层。第88页/共103页阈值电压：强反型而形成沟道时的栅源电压VT；(表面反型产生的载流子数目等于衬底多子的数目)线性区(Linear region)：Vds=Vgs-Vt截至区（Cut off）：Vgs Vt 0击穿区：PN结击穿；第89页/共103页（1）线性区(见图（a）：Vgs-VtVds令：K=Cox n 工艺因子 Cox:单位面积电容；n：电子迁移率 n=K(W/L)导电因子则：Ids=n(Vgs-Vtn)-Vds/2Vds 线性区的电压-电流方程当工艺一定时，K一定，n与（W/L）有关。第90页/共103页（2）饱和区：Vgs-Vtn1；（5）击穿区VDS增大到一定程度，使晶体管漏-衬底PN结击穿。第93页/共103页3、PMOS管IV特性电流-电压表达式：线性区：Isd=p(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)|Vds|Isd=p(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)|Vds|饱和区：Isd=(p/2)(|Vgs|-|Vtp|)Isd=(p/2)(|Vgs|-|Vtp|)第94页/共103页三、MOS晶体管类别按载流子类型分：NMOS:也称为N沟道，载流子为电子。PMOS:也称为P沟道，载流子为空穴。按导通类型分：增强（常闭）型：必须在栅上施加电压才能形成沟道。耗尽（常开）型：在零偏压下存在反型层导电沟道，必须在栅上施加偏压才能使沟道内载流子耗尽的器件。四种MOS晶体管：N沟增强型；N沟耗尽型；P沟增强型；P沟耗尽型第95页/共103页（a）N沟增强：输出特性转移特性Vgs必须施加高于阈值电压才能有漏源电流。第96页/共103页(b)N沟耗尽：输出特性转移特性在Vgs=0时，可能有较大电流流过。沟道第97页/共103页（C）P沟增强:输出特性转移特性第98页/共103页（d）P沟耗尽:输出特性转移特性第99页/共103页四、MOS管的电容（电容效应由器件中的电荷存储效应引起的）Cgs：栅栅-源电容，栅和沟道电荷变化引起，包括栅对源的覆盖产生的结源电容，栅和沟道电荷变化引起，包括栅对源的覆盖产生的结电容，是最大的电容；电容，是最大的电容；Csb：源源-衬电容，由源极反偏耗尽层产生，包括沟道对衬底的电容；衬电容，由源极反偏耗尽层产生，包括沟道对衬底的电容；Cdb：漏漏-衬电容，漏极反偏耗尽层产生；衬电容，漏极反偏耗尽层产生；Cgd：栅栅-漏电容，由于栅漏电容，由于栅-漏的覆盖引起，也称漏的覆盖引起，也称miller电容；电容；Cs-sw、Cd-sw：源源-漏区侧墙电容漏区侧墙电容(sidewall capacitance)，由于场氧区的，由于场氧区的P+高掺杂，这两个电容也较大；高掺杂，这两个电容也较大；Csb=Csb+Cs-sw Cdb=Cdb+Cd-swCgb：栅：栅-衬底电容，较小；衬底电容，较小；第100页/共103页五、CMOS（互补MOS）器件（已成为集成电路的主流）第101页/共103页作业讨论二极管的工作原理。讨论PMOS晶体管的工作原理，给出PMOS管的电流电压方程。第102页/共103页感谢您的观看！第103页/共103页
