微电子课件22074.pptx
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1、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
2、半导体物理 价带:价带:被电子填充的能量最高的能带被电子填充的能量最高的能带导带:导带:未被电子填充的能量最低的能带未被电子填充的能量最低的能带禁带:禁带:导带底与价带顶之间能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带隙:导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导导导 带带带带价价价价 带带带带E E E Eg g g g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 Si 1.1 Ge 0.67 GaAs 1.43施主能级施主能级受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杂质能级:杂质可以使电
3、子在其周围运动形成量子态载流子的输运载流子的输运漂移电流漂移电流迁移率迁移率 电阻率电阻率单位电场作用下载流子获得平均速度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反映了载流子在电场作用下输运能力 载载流流子子的的漂漂移移运运动动:载载流流子子在在电电场场作作用用下下的的运运动动 引引 入入 迁迁 移移 率率 的的 概概 念念 影影 响响 迁迁 移移 率率 的的 因因 素素影响迁移率的因素:影响迁移率的因素:有效质量有效质量平均弛豫时间(散射平均弛豫时间(散射体现在:温度和体现在:温度和掺杂浓度掺杂浓度半导体中载流子的散射机制:半导体中载流子的散射机制:晶格散射(晶格散射
4、(热热 运运 动动 引引 起)起)电离杂质散射电离杂质散射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l扩散的结果形成自建电场。扩散的结果形成自建电场。空间电荷区也称作空间电荷区也称作“耗尽区耗尽区”“势垒势垒区区”空间电荷区为高阻区,因为空间电荷区为高阻区,因为缺少载流子缺少载流子平衡:扩散流漂移流,n,p区域的费米能级一致能带的弯曲,
5、形成势垒 雪崩击穿n n由倍增效应引起的击穿。当由倍增效应引起的击穿。当PN结外加的反结外加的反向电压增加到一定数值时,空间电荷数目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,使流过较多,自建电场很强,使流过PN结的少子结的少子漂移速度加快,可获得足够大的动能,它漂移速度加快,可获得足够大的动能,它们与们与PN结中的中性原子碰撞时,能把价电结中的中性原子碰撞时,能把价电子从共价建中碰撞出来,产生新的电子空子从共价建中碰撞出来,产生新的电子空穴对。穴对。n n雪崩击穿通常发生在掺杂浓度较低的雪崩击穿通常发生在掺杂浓度较低的PN结结中。中。P型n型强电场破坏共价健引起的强电场破坏共价健
6、引起的。齐齐纳纳击击穿穿通通常常发发生生在在掺掺杂杂浓浓度度较较高高的的PN结中。结中。齐纳击穿 PN结的伏安特性 n n定量描绘定量描绘定量描绘定量描绘PNPN结两端电压和流过结的电流的关结两端电压和流过结的电流的关结两端电压和流过结的电流的关结两端电压和流过结的电流的关系的曲线系的曲线系的曲线系的曲线PNPN结的伏安特性。结的伏安特性。结的伏安特性。结的伏安特性。n n根据理论分析,根据理论分析,根据理论分析,根据理论分析,PNPN结的伏安特性方程为结的伏安特性方程为结的伏安特性方程为结的伏安特性方程为外加电压外加电压流过流过PN结结的电流的电流电子电荷量电子电荷量q=1.610-19C反
7、向饱和电流反向饱和电流绝对温度绝对温度(K)玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数k=1.3810-23J/K自然对数的底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:,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n三极管在结构上的两个特点:(1)掺掺杂杂浓浓度度:发发射射区区集集电电区区基区;基区;(2)基区必须很薄。基区必须很薄。n n内部条件内部条件:(1)掺杂浓度:发射区掺杂浓度:发射区集集 电区电区基区;基区;(2)基区必须很薄。基区必须很
8、薄。n n外部条件外部条件:发射结正偏,集电结反偏。发射结正偏,集电结反偏。n n电路接法:共射接法。电路接法:共射接法。RbVBBVCCRciBiCbecNPNuBEuCEiEuBC+晶体管内部载流子的运动n n发射区向基区注入电子的过程发射区向基区注入电子的过程 n n电子在基区中的扩散过程电子在基区中的扩散过程n n电子被集电极收集的过程电子被集电极收集的过程 iBiCiEVCCVBBRbNPN(a)载流子运动情况载流子运动情况iBiEiCnICBOiEiBRbVBBVCCiC(b)各极电流分配情况各极电流分配情况 晶体管中的电流晶体管中的电流iEniEpiBiCnICBO 共射输出特性
9、 niB为为固固定定值值时时,iC和和uCE之之间间的的关关系曲线称为共射输出特性,即系曲线称为共射输出特性,即(a)3AX1的输出特性的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB=00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放放大大区区截止区截止区饱和区饱和区204682026810 12晶体管的输出特性晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB=00.2mA200.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放放大大区区饱和区饱和区100203040(b)3DG4的输出特性的输出特性510 15 20 25 30 3550总复习第2章
10、: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?绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管uGS铝铝SiO2P衬底型硅衬底型硅耗尽区耗尽区受主离子受主离子(a)uGS0时,形成空间电荷区。时,形成空间电荷区。当当uGSUT,形成导电沟道。,形成导电沟道。UT开启电压。开启电压。luGS越大,则越大,则导电沟道越宽,沟导电沟道越宽,沟道电阻越小,道电阻越小,iD越大越大。工作原理工作原理l当当uGSUT 时,时,uDS0 iD有有电流。电流。当当uDS较小时,较小时,u
11、GD=uGS-uDS UT,沟道各处宽度基本不变,沟道各处宽度基本不变电阻不电阻不变变 iD与与uDS线性关系。线性关系。l当当uGS0 iD=0l漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流i iD的影响的影响工作原理工作原理uDS uGD d处变窄,处变窄,s处不变处不变电阻电阻 iD与与uDS非非线性关系。线性关系。当当uGD=UT时时d处沟道消失处沟道消失 预夹断。预夹断。uDS uGDUT 夹断区夹断区向向s处扩展处扩展 uDS几乎全部几乎全部降到夹断区降到夹断区 iD基本不变。基本不变。工作原理工作原理 N沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线iD=f(uDS)uGS=常
12、数常数 输出特性输出特性uDS(V)iD(mA)0481224135633.544.5uGS=5VN沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线2.5截止区:截止区:输出特性输出特性可变电阻区可变电阻区:特点:特点:若若uGS不变,不变,iDuDS 线性关系(电阻线性关系(电阻值不变);值不变);若若uGS不同,斜率也不同不同,斜率也不同(电阻不同)。(电阻不同)。所以,可变电阻区是所以,可变电阻区是受受uGS控制的压控电控制的压控电阻。阻。uDS(V)iD(mA)0481224135633.544.5uGS=5VN沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线2.5输出特性输出特性
13、饱和区(恒流区):饱和区(恒流区):特点:特点:出现了夹断。出现了夹断。uGS不变,若不变,若uDS 增加,增加,iD几几乎不变(恒流);乎不变(恒流);uDS 不变,若不变,若uGS变化,变化,iD也也变化(变化(uGS控制控制iD)。)。定义一参数定义一参数跨导跨导gmuDS(V)iD(mA)0481224135633.544.5uGS=5VN沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线2.5l栅源电压对沟道的控制作用栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压在栅源间加负电压uGS,令,令uDS=0 当当uGS=0时,为平衡时,为平衡PN结,导电沟道最宽。结,导电沟道最宽。当当uGS
14、时,时,PN结反偏,形成耗尽层,导电沟道变窄,沟结反偏,形成耗尽层,导电沟道变窄,沟道电阻增大。道电阻增大。当当uGS增加到一定值增加到一定值Up时时,沟道会完全合拢,沟道会完全合拢。结型场效应管结型场效应管l漏源电压对沟道的控制作用漏源电压对沟道的控制作用在漏源间加电压在漏源间加电压uDS 当当uDS=0时,时,iD=0。uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽,呈楔形分布。靠近漏极处的耗尽层加宽,呈楔形分布。当当uDS,uGD=uG S-uDS=UP时,在靠漏极处夹断时,在靠漏极处夹断预夹断。预夹断。uDS再再,预夹断点下移。,预夹断点下移。预夹断前,预夹断前,uDSiD。预夹断后,。预夹断后,
15、uDSiD 几乎不变。几乎不变。结型场效应管结型场效应管结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线uDS(V)iD(mA)048125-4-3-2-1uGS=0V输出特性曲线输出特性曲线-516-uGS(V)1234转移特性曲线转移特性曲线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掩模版图掩模版图TTL反相器电路结构及工作原理反相器电路结构及工作原理1)TTL反相器的电路结构反相器的电路结构由三部分组成:输入级输入级:由T1、D1和电阻R1组成。中间级中间级:由T2、R2、
16、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”。输入级输入级中间级中间级输出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)工作原理 Vcc=5V、VIH=3.4V、VIL=0.2V、VON=0.7V (1)当vi=VIL输入低电平低电平(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.
17、9V VB1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。VCE10,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
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