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文檔簡介
1、集膚效應(yīng)在微波頻率時,導(dǎo)體的電流密度將不會是平均分布于整個導(dǎo)體內(nèi)部,而是在表面附近有較大的電流密 度,在導(dǎo)體中心部分的電流密度是最小的。我們稱這種現(xiàn)象為”集膚效應(yīng)。因為電流密度集中于表面 處。VV圖一高頻時的導(dǎo)體電流密度分布情形,大致如VV圖一所示,由表面向中心處的電流密度逐漸減小。在此引進一個臨界深度scritical depth的大小,此深度的電流密度大小恰好為表面電流密度大小 的1/e倍:其中,f為頻率,卩為導(dǎo)磁率H/m,p為電阻率mho/m。由(1可知,當(dāng)頻率愈高時,臨界深度將會愈小,結(jié)果造成等效阻值上升。因此在高頻時,電阻大小隨 著頻率而變的情形,就必須加以考慮進去。IC制作流程整個
2、IC制作的流程大概可分為電路設(shè)計ic design、晶圓加工waferfabrication、封裝packaging及測試test四大部份,其關(guān)系如下圖所示:構(gòu)裝測試IC成品當(dāng)我們決定好對一個IC所要求的功能及其工作規(guī)格后,便開始著手電路設(shè)計。電路設(shè)計的主要目的在產(chǎn)生布局圖layout,它能定義出晶圓加工制程中所需要的各層圖案pattern。藉由布局圖,可做成晶圓加工制程中所需要的各道光罩mask or reticle。接下來的晶圓加工制程,可以說是整個IC制作流程中最復(fù)雜、資金及技術(shù)最密集的一部份。這個部份就是要將上一個設(shè)計程序所設(shè)計岀來的電路及電子組件,能在晶圓上加以實現(xiàn)。而電路上所用到的
3、電子組件晶體管、電阻、電容、電感 及其間的聯(lián)機interconnection,則必須靠各單元制程氧化、黃光微影、薄膜沉積、蝕刻、參雜間的反復(fù)配合才能完成。光罩在此的功用在于能定義岀各層薄膜的圖案、組件區(qū)域,或組件間的聯(lián)機情形,以達所要的電路功能及規(guī)格。所謂的”晶圓代工廠,就是專門 將別家公司所設(shè)計出的電路,以該公司晶圓加工制造廠Fab.現(xiàn)有的技術(shù)能力及儀器設(shè)備,完成其晶圓加工制程之意。晶圓加工完后的晶圓,一般會經(jīng)過晶圓針測wafer probe的過程,將失敗的晶粒加以標記ink dot。后將晶圓切割成一小片一小片的晶粒,好的晶粒才會送到構(gòu)裝packaging廠加以 構(gòu)裝。構(gòu)裝的材料一般為陶瓷或
4、塑料,而構(gòu)裝的目地在保護其內(nèi)的晶粒不會受到外界的機械性破壞刮 痕或免于水氣微塵的滲入。除此以外,它還要提供內(nèi)部晶粒電極和外部電路板相連的管道藉由內(nèi)部打 線,再用IC外殼的pin和電路板接通。隨著IC功能的提升,構(gòu)裝的散熱能力和尺寸大小都是構(gòu)裝技 術(shù)必須考量的。構(gòu)裝后的IC為了品質(zhì)的確認,會進行測試test的步驟。在這里會進行一連串的電氣測試,如速度、功率消耗 等,唯有符合客戶需求規(guī)格的IC才能交給客戶主動被動曾在BBS的electronics版中看到大家在討論什幺叫被動組件,當(dāng)然元素也有參與其中 的討論,不過大家對于主動及被動組件的分別似乎有不同的看法。這個話題也曾經(jīng)困擾過元素,在此元素不 討
5、論真正的說法為何,只把我從書上找到的定義條列于下,供大家參考:以下說法取自”電子學(xué)辭典-伊恩?R?辛克萊Ian R. Sinclair著;葛登?巴爾繪圖;陳蔭民、潘大連譯-貓頭鷹-ISBN 957-8686-99-4”。名詞說明activecomp onent 主動 組件又稱主動器件active device 。 一種能增加信號功率 的電路組件。主動組 件在工作時需電源, 才能有可量功率增益power gain , 這 與電壓增益或電流增 益不同。passive component 被動 組件不能產(chǎn)生功率增益power gain 的組 件component。諸 如電阻器、電容器和 線性電感器包
6、括變 壓器都疋被動的。 有電源時的非線性作用,如在磁放大器magnetic amplifier 中,能使組件歸入主動組件activecomp onent中。在 半導(dǎo)體的故事-李雅明著-新新聞-ISBN 957-8306-62-8-p214“中有提到:在電子學(xué)中,我們一般把真空管、晶體管等,具有控制電壓或電流的能力,可以完成開關(guān)或者達成增益功能的組 件稱為主動組件,而把像電阻器、電容器、電感器等不能做上述功能的組件稱為被動組件。半導(dǎo)體半導(dǎo)體semic on ductor,顧名思義,是導(dǎo)電力介于金屬等導(dǎo)體和玻璃等非導(dǎo)體間的物質(zhì)。若 以導(dǎo)電率來看,半導(dǎo)體大致位于1e3和1e-10(ohm-cm-1間
7、當(dāng)然這只是概分,這三者之間并沒有 制式的界限存在。室溫下鋁的電阻系數(shù)為2.5e-6 ohm-cm,而玻璃則幾乎為無限大。會有這種現(xiàn)象是因為物質(zhì)內(nèi)部電子分布在不同的能量范圍或稱能帶,energy band內(nèi),其中可讓電子自由移動的能帶稱為導(dǎo)電帶conduction band,除非導(dǎo)帶內(nèi)有電子可自由活動,否則物質(zhì)將無法經(jīng)由電子來 傳導(dǎo)電流。其它能帶價電帶,vale nee band的電子必須要克服能量障礙指能隙,en ergybandgap,躍升至電導(dǎo)電帶后,方可成為導(dǎo)電電子。例如玻璃,即是因為這能隙太大,使得電子在室溫 下無法跳躍至導(dǎo)電帶自由活動,所以是非導(dǎo)體。至于半導(dǎo)體,其能量障礙不是很大,低
8、于非導(dǎo)體,所以在高溫、照光等給予能量的狀況或適量地加入一 些可減小能量障礙的元素參質(zhì),便可改變其電阻值,成為電的良導(dǎo)體。電子工業(yè)便是利用半導(dǎo)體這種可 隨環(huán)境、參質(zhì)的加入等而改變其導(dǎo)電能力之特性,發(fā)展岀多項的應(yīng)用產(chǎn)品。半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍很廣,包括二極管、晶體管等電子組件及發(fā)光二極管、雷射二極管、各類檢測器、太 陽能電池等光電組件。除此之外,尚有功率組件,及目前相當(dāng)熱門的各類顯示器都可以見到半導(dǎo)體的蹤跡。半導(dǎo)體材料又可分為元素半導(dǎo)體eleme nt semic on ductor及化合物半導(dǎo)體compo und semic on ductor。元素半導(dǎo)體是由單一元素所組成的半導(dǎo)體,如Si、Ge等;化
9、合物半導(dǎo)體則是由兩種以上的元素所組成的半導(dǎo)體,如GaAs ZnS等,常應(yīng)用于光電或高速組件中。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分類大致可分為三類。第一類的半導(dǎo)體廠商本身有完整的設(shè)計能力,且擁有晶圓制造廠,可以生產(chǎn)自有品牌的產(chǎn)品,如國內(nèi)的華邦、旺宏,國外的CPUt廠In tel皆屬此類。此類便是我們常聽到所謂的IDMIn tegrated Device Manu facturi ng,整合組件制造。第二類半導(dǎo)體廠商專事晶圓制造生產(chǎn),本身擁有晶圓廠但不做設(shè)計,成為專業(yè)的晶圓代工廠Foundry,如臺積電、聯(lián)電等。第三類半導(dǎo)體廠商沒有自己的晶圓廠Fabless,但專事半導(dǎo)體設(shè)計,此類通稱為DesignHousa如國內(nèi)的威
10、盛、揚智,美國的IBM等。附帶一提的是,臺灣的半導(dǎo)體代工是世界有名的。臺積電和聯(lián)電分別為全世界第一和第二大的晶圓代工 廠。原子間結(jié)合力原子藉由彼此之間的相互作用力而結(jié)合在一起,以致于形成晶體結(jié)構(gòu)。以下將這五種力鍵結(jié)分述于 下:離子鍵ionic bond :典型的例子為氯化鈉NaCI晶體,這種鍵結(jié)主要來自于正負離子間的庫倫 吸引力,因此結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。會形成正負離子的原因在于原子間的電子轉(zhuǎn)移,以氯化鈉等1族堿金屬和7族鹵素元素的結(jié)合為例,堿金屬最外圍1個價電子會傾向于填滿鹵素最外圍的電子軌道,形成八個電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),此時帶正電離子堿金屬原子分一個電子給鹵素原子后帶正電和帶負電離子鹵素原子從堿金屬原子
11、 獲得一個電子后帶負電便會以庫倫力結(jié)合,這就是所謂的離子鍵。共價鍵covalent bond :共價鍵顧名思義,就是相鄰原子共享彼此的價電子,來滿足自身電子結(jié)構(gòu) 的穩(wěn)定性。幾乎所有的半導(dǎo)體如硅、鍺都是由共價鍵所組成的,少部分的三五族半導(dǎo)體如GaAs則可能帶有部分離子鍵成分在內(nèi)。共價鍵的結(jié)合力較金屬鍵為弱,這也是半導(dǎo)體之所以導(dǎo)電率為”半的原因 之一。金屬鍵:所有的價電子為共有的情形下,使得失去價電子的原子和由共有價電子所形成的電子云間有庫 倫力的存在,這也是金屬鍵的由來。由于金屬的鍵結(jié)屬于金屬鍵,因此其價電子的共有,造成價電子可在金 屬晶體內(nèi)部自由活動,可以解釋為什幺金屬是電的良導(dǎo)體。凡得瓦耳力
12、van der Waals:產(chǎn)生原因為原子或分子間的電偶極作用力。由于電子繞中心原子核環(huán) 繞時,有時瞬間可能使得電子偏向集中于某一邊,致使原子一邊帶正電,一邊帶負電,形成所謂的電偶極。 不同原子和分子便可藉由這微弱的吸引力而結(jié)合。氫鍵:氫和電子親和力大的原子結(jié)合N O F時,外圍的電子會被吸引過去,中心帶正電的原子核便會暴露于外,可以再去吸引其它電子親和力大的原子,形成所謂的氫鍵。以半導(dǎo)體的領(lǐng)域來說,較??紤]到的鍵結(jié)應(yīng)屬共價鍵,其次是離子鍵??梢哉f大多數(shù)半導(dǎo)體的特性皆來 自于半導(dǎo)體本身共價鍵結(jié)構(gòu)的關(guān)系。晶圓晶圓,wafer,是VLSI制程中不可或缺的材料,IC上所有的組件都是”長在這上面。晶圓
13、也 就是我們一般常聽到的底材substrate.(1(2以硅晶圓來說,它的來源是石英主成份為氧化硅。剛開挖出來的石英礦,必須經(jīng)過純化、高溫溶 解、蒸溜、沉積等步驟,得到所謂高純度的硅棒silic on rod,但這時候的硅并非是結(jié)晶狀態(tài),因此必須再以單晶成長方法來得到所需的單晶硅。常見的單晶成長法有拉晶法Czochralski、CZ法和浮游區(qū)域法Float Zone、FZ法。其中以拉晶法最為被廣泛使用,因為這種方法所需的成本較 低,且容易達成大尺寸化;而FZ法所成長的硅晶錠silic on in got,其雜質(zhì)濃度一般會較低。不管是用何種方法長成的晶錠,必須要經(jīng)過grinding、slicin
14、g、lapping、etching、polishing、cleaning及inspection步驟,最后一片片的晶圓才會被包裝起來,以保持表面 的無污染及平坦性。盡管如此,晶圓在使用之前,仍須經(jīng)過化學(xué)物品的清洗,確保其表面品質(zhì)。晶圓的大小指其直徑由早先的三吋約7.5公分到目前的八吋約20公分,未來將朝的十 二吋、十六吋等大尺吋方向前進,主要是為了提高VLSI的產(chǎn)能且提升IC的良率,以增加廠商自身的競爭 力。雙原子晶格振動這里的雙原子指的是基本單胞primitive un it cell是由兩個原子所組成。本文假設(shè)此兩個原子的質(zhì)量不同,于下將說明雙原子晶格振動時其3-q的離散關(guān)系dispersi
15、onrelati on。假設(shè)在1D的情形下,兩個原子的質(zhì)量分別為M和mM m,受到擾動后的位移分別為u和v,基本單胞的晶格常數(shù)為a,如下圖所示:1IIIVrbl Un VnUn+1 Vn+1根據(jù)牛頓第二運動定律,可以得到M和m第n個晶格原子所受力情形:(1、(2右半部主要是根據(jù)虎克定律Hooks law而來,其中3代表相鄰原子間的力常數(shù) 假設(shè)對任一晶格原子來說都是一樣的。通常在處理此類振動問題時,都會把它假設(shè)為簡諧振蕩器oscillator,因此其波動應(yīng)分別具有下面的形式:二J(4其中A B分別代表原子M和m振幅,q代表此波動函數(shù)的波向量波數(shù)(3、(4分別帶入(1、(2,為了求得non-tri
16、vial解,可得以下式子必須成立:由(5求3和q的關(guān)系式,可得到兩個支系two branchs,下圖繪出此兩支系3+、-:如同【單原子晶格振動】一般,3-q關(guān)系圖也有著相同的周期,2n/a,因此一般在討論時只要考慮simple harm onicMm其第一布里路因區(qū)1st Brillouin zone即可。上圖畫出的部分正是第一布里路因區(qū)以下將此兩支系的一些極限特點,列表整理:3+3 -qf 0或波長很長由:熾20 -+ S M丿2 0 MFS 1一-72 (w+M)A/B = -m/MA/B = 1qf +- n /a或波長較短2 20曲+尅一m2 200)尅 MA = 0B = 03+般稱
17、為光支系optical branch,原因是因為其頻率一般在1e131e14 s-1之 間,屬于遠紅外光的范圍。3-般稱為聲支系acoustical branch,因為其群速和聲速相近,而且具有彈性波線性關(guān)系。由上表還可知,對于q較小的光支系而言,兩相鄰原子其振動方向是相反的,但基本單胞質(zhì)量中心位置也因而不會改變。另一方面,q較小的聲支系其兩相鄰原子振動方向卻是一樣的。在真實的晶格中,由于相鄰原子的力常數(shù)不見得相同一般也不會相同,所以產(chǎn)生的3-q關(guān)系會較為復(fù)雜。如果基本單胞是由N個原子所組成,在實驗上會發(fā)現(xiàn),其3-q離散關(guān)系會有3個聲支系,3N-3個光支系。視振動方向和波傳遞方向波向量為垂直或
18、平行,又可細分為橫向支系tran sversebranch或縱向支系longitudinal branch。缺陷中心缺陷中心defect center是個總稱,在能帶上看來,會類似雜質(zhì)在禁止帶上有一對應(yīng)的能階產(chǎn)生。關(guān)于晶格中的缺陷,請參看【晶體中的缺陷】 一文。缺陷中心以其所帶電性而言,可分為:受體型acceptor-type:被填滿時帶負電,空著時呈中性。施體型donor-type:被填滿時呈中性,空著時帶正電。若以其捕捉載子的方式來分類,可分為:陷阱中心trapping center:此類缺陷中心在捕捉載子后,會很快地將載子再度釋放到原來的能帶中。復(fù)合中心recomb in ati on
19、cen ter:此類缺陷中心在捕捉載子后,會再捕捉極性相反的載子,使與之復(fù)合,即有電子電洞對消失的現(xiàn)象產(chǎn)生。缺陷中心存在的多寡,關(guān)系到載子帶間轉(zhuǎn)移機率的高低及載子存活時間的長短。波粒二重性在光電效應(yīng)中,光表現(xiàn)岀粒子的性質(zhì);在繞射實驗上又表現(xiàn)岀波的特性。所以到底光是質(zhì)點還是波動?德布格里De Broglie于公元1924年提出一項假設(shè),及任何在運動中的質(zhì)點,必會伴隨著對 應(yīng)的物質(zhì)波來matter waves進行運動,物質(zhì)波會有如下的關(guān)系存在P為質(zhì)點動量、E為質(zhì)點能量、入為物質(zhì)波波長、v為物質(zhì)波頻率:下圖即質(zhì)點的物質(zhì)波示意圖:(能出現(xiàn)的撮劉)Ax r以物質(zhì)波的觀點而言,物質(zhì)于空間中存在于某一范圍內(nèi)
20、x0,以上圖為例,質(zhì)點在C被發(fā)現(xiàn)的機率最高,A B兩點為最低。這種波粒二重性可適用于任何的質(zhì)點上,下表列岀一些常見的波粒對:質(zhì)點波動光子phot on電磁波電漿子電漿振蕩波plasm on磁子magnon磁化波聲子phonon晶格振動波波粒二重性的存在,導(dǎo)致了測不準原理un certa inty prin ciple的出現(xiàn)波爾原子模型波爾氫原子模型是波爾于公元1913年所發(fā)展出來,可用以解釋氫原子輻射光譜的模型。基本上此模 型是基于波爾假說Bohr postulates而來:電子只能在原子核外的某些圓形軌道運行,其運行遵循古典力學(xué)庫倫吸引力的規(guī)范。電子在這些特 定的圓形軌道上,其角動量L正好是
21、h/2n的整數(shù)倍,即:L = mvr = n其中,n為正整數(shù)和古典物理不同的是,雖然電子在圓形軌道上做等加速運動,但并不會輻射能量,所以總能是固定的根據(jù)上述的假設(shè),可得電子在第n個軌道的總能En為:-祖q八雖然此模型是為氫原子所導(dǎo)岀來的,但對于最外圍只有一個電子的原子來說如鋰、鈉、鉀,也有其 不錯的預(yù)測結(jié)果。此外,在半導(dǎo)體中,也可用來估算雜質(zhì)游離能的大小。晶體中的缺陷理想具周期性排列的晶體實際上是不存在的,真實的晶體中都有缺陷defects存在。只要能使晶體偏離理想的狀態(tài),則都可稱為缺陷。這些缺陷除了會影響到材料本身的特性外,也會影響其電特性。通 常晶體中的缺陷可分為點缺陷、線缺陷、面缺陷及體
22、缺陷四種,概述于下。點缺陷:空穴vacancy :正常晶格位置沒有晶體原子存在時所形成??昭ǖ拇嬖谟兄陔s質(zhì)或本質(zhì) 原子的熱擴散,適當(dāng)?shù)募右酝嘶鹂蓽p少空穴的情形。間隙缺陷interstitials :在非正常晶格位置處有晶體原子存在的情形。雜質(zhì)impurity :非原本晶體原子的外來原子占據(jù)正常或非正常晶格位置的情形。蕭特基缺陷Schottky defects :晶體原子跑到晶體表面,并在原位置留下空缺。富蘭克缺陷Frankel defects :晶體原以跑到非正常晶格位置,形成間隙型缺 陷,并在原位置留下空缺。若電子由較高能量Ei的軌道掉到能量較低的軌道Ef,其輻射出來的電磁波頻率V為:當(dāng)n
23、二1時,可得氫原子的游離能正好等于E1:線缺陷:邊緣差排edge dislocations :為最常見之線缺陷。邊緣差排的成因為晶格受過 度擠壓或拉伸所引起或由局部熱脹冷縮所致。差排線和差排方向垂直。螺旋差排screw dislocations :為受到剪應(yīng)力的結(jié)果。差排線和差排方向平行。堆棧錯誤stacking faults :相鄰晶體層的排列不同會導(dǎo)致堆棧錯誤。面缺陷:自由表面free surface :晶體表面因和空氣接觸,造成表面原子鍵結(jié)不完整。晶粒邊界grain boundary :不同晶體方向的小晶體或稱晶粒接觸的面。晶粒邊 界上的缺陷包含點缺陷及線缺陷,因此晶粒邊界的存在將助于雜
24、質(zhì)的擴散。體缺陷:大量且集中的外來雜質(zhì)引入。機械性的傷害亦會造成體缺陷。另外,因為原子的熱振動會使原子偏離原來的正常位置,導(dǎo)致晶體的晶格常數(shù)變動,偏離理想晶體結(jié)構(gòu),所以晶格振動也算是缺陷的一種。晶格簡介晶格是周期性排列的原子結(jié)構(gòu),在討論電子在晶體中的電性時,總不能不考慮晶體本身的結(jié)構(gòu)。依據(jù)布 拉菲Bravais的推證,可分為七個晶系,十四個不同的晶格,稱為布拉菲晶格注01,將七個晶系列舉于下:立方晶系Cubic:包括簡單立方Simple Cubic、體心立方Body-centered Cubic、面心立方Face-centered Cubic三種。四方晶系 Tetragonal : 包括簡單四
25、方 Simple Tetragonal 、 體心四方 Body- cen tered Tetragonal兩種。正交晶系Orthorhombic:包括簡單正交Simple Orthorhombic、底心正交Base- centeredOrthorhombic、體心正交Body-centered Orthorhombic、面心正交Face-ce ntered Orthorhombic四種。單斜晶系Monoclinic:包括簡單單斜Simple monoclinic、 底心單斜Base- cen tered Monocli nic兩種。三斜晶系Triclinic:簡單單斜Simple Tricli
26、nic一種。三角晶系Trigonal:三角晶格一種。六角晶系Hexagonal:簡單六角Simple Hexagonal一種。此外有一些常見的名詞,在此提岀加以整理:基底向量Basis Vector:原點至任三個相鄰但不共平面的晶格點所形成的向量,所以此基底向量的 選擇一般都不是為唯一的。單胞Unit Cell:由基底向量所圍出的體積稱為單胞?;締伟鸓rimitive Unit Cell:單胞中有最小體積者,反之為非基本單胞。注01布拉菲晶格的特色之一,就是所有的晶格點都是相等的,即晶體由單一種原子所組成之意。非布 拉菲晶格可以看成是由兩種以上的布拉非晶格交錯構(gòu)成。DRA涮程和容量下表為到2
27、001年制造DRAh所使用的制程線寬和容量大小的年份進程表,大抵三年一個世代,前 后兩世代間的DRAM容量相差四倍。語 fe 電1辻:1 98 3|I耳f j13 孑夕4 Jvt1 921 GMI 9 9 3200 1T今_DRA涮程和容量下表為到2001年制造DRAh所使用的制程線寬和容量大小的年份進程表,大抵三年一個世代,前 后兩世代間的DRAh容量相差四倍。另外,不可使用復(fù)合前綴,例如不要用kk代替MSIA發(fā)展進程表下表是美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會Semic on ductor In dustrial Associati on,SIA所預(yù)估半導(dǎo)體科技到2007年的進程表。可以發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體每三年可為
28、一個世代,而每個世代所用到的線 寬約為上個世代的70%據(jù)此預(yù)估到2014年,線寬會縮小到0.035um,DRAW量會到1萬億1000G位。預(yù)計在未來15年內(nèi)19992014,半導(dǎo)體科技的發(fā)展仍會以極快速度不斷的前進。年0.5Q. 333OOk_800R1施比卜4時丹斗玉江科kZE1 tHME品回貢 卄孑)帀掃晅 壽3.30 2系貳充遜丘ZEH工!5QI ml so2OQ單位前綴表理工所用到的數(shù)字,要不是很大很大,不然就是很小很小。為了簡單且統(tǒng)一地表達所要表示的數(shù)字,一 般都會把級數(shù)部份以單位前綴代替。如以20G代替2e10、以4n來代替4e-9。這樣的表達方式讓讀者很容易就知道此數(shù)數(shù)量級的大小
29、,也使得數(shù)目的表示方法更加制度化。請注意symbol是有分大小寫的,所以2e10要寫成20G千萬不可寫成20g。Hj f *T1 1 11p inioiaH心oAM 4 aril1 o1rVTIt 1 les1 o臺kT*) cos( x: A).N sin (x c o s JUI(卞.a ) + ;3- 二愉第:sin ( 2x = 2 sin(k ) cos ( * Ico (I c osu x I 好 in1x I1 st: :*4 cos; (JV 3cosl 丸)+ cos3穴 Isinla (穴 I 乂 x -1-31匸十51匚 r414- S2 sirx “(穴? 01 cof
30、l I2 co*a(ir) !- cowl希臘字母表可別小看希臘字母, 相信讀理工的同學(xué)或多或少都有接觸到它們吧?這些字母常常用來當(dāng)作變量或是有 意義的特定符號 如n代表圓周率、代表介電常數(shù)等等,如果一時失察,把它們攪錯,那可就不好了 此外,這些符號的正確發(fā)音,可以幫助您跟別人之間語言上的溝通,所以怎幺念也是相當(dāng)重要的一件事。國際單位系統(tǒng)表下表為國際單位系統(tǒng)表International System of Units昭:八、.低頻參數(shù)對一個雙端口網(wǎng)絡(luò),在低頻時,可以用z矩陣impedanee matrix、y矩陣admitta nee matrix、h矩陣hybrid matrix、eha i
31、nABC D矩陣eha inmatrix來表示此網(wǎng)絡(luò)的特性。構(gòu)成這些矩陣的元素,便是所謂的參數(shù):z參數(shù)、y參數(shù)、h參數(shù)、eha in參數(shù)。以下分另u定義此四種參數(shù):,整理列岀于下供大家參Port 1Port21. z參數(shù):對于雙端口網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)后的特性,較為方便計算。2.y參數(shù):對于雙端口網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)后的特性,較為方便計算。111/3. h參數(shù):vij _ rn知4. chain參數(shù):對于雙端口網(wǎng)絡(luò)前后級相連后的特性,較為方便計算。不過在高頻時,一般常用的參數(shù)則是s參數(shù)。其中的一個原因為,上述的四種參數(shù)在量測時都需要用2乃L勺】到短路或開路測試,如在求z11時,根據(jù)定義:此時便要使Port 2開路,在
32、求y11時,根據(jù)定義:此時便要使Port 2短路,才能分別獲得這些參數(shù)值。然而在高頻時,真正的短路或開路情形是不 易獲得的,自然這時求出的參數(shù)便沒有什幺意義可言。雖然這里是以雙端口網(wǎng)絡(luò)為例來作說明,但同樣的概念一樣可以延申到n port網(wǎng)絡(luò)。晶體管電路分析本篇將以y參數(shù)來表示晶體管的一些重要參數(shù),如AV Al、YIN、YOUT等,這些對于接下來所要探討的”穩(wěn)定度相當(dāng)重要。下圖是雙埠都接了終端阻抗的晶體管:將此晶體管以雙端口網(wǎng)絡(luò)的y參數(shù)表示,得以下關(guān)系式:考慮port 2端的負載YI,則可得另一關(guān)系式:由(2、(3兩式可得AV4耳溝 再由(1、(2、(4可得AI:昂三)=- -.(5)A”占+乃
33、認歸一HPH】最后由(1、(4可得輸入端導(dǎo)納YIN:若要求得輸出端導(dǎo)納YOUT,則可令輸入端的電壓源Vs為零,由輸出端看入的導(dǎo)納即為輸出端導(dǎo)納Y OUT,其大小為:分貝在高頻電路設(shè)計分析時, ??梢姷健眃B分貝 這個單位, 它代表一個增益取對數(shù)后的大小。 但是 功率增益和電壓 流增益的dB取法并不同,取法如下表所列:增益型式當(dāng)然,這些y參數(shù)都可以轉(zhuǎn)成S參數(shù),利于高頻時的量測。dB取法功率增益Ap用dB表示10log|Ap|電壓增益Av用dB表示20log|Av|電流增益Ai用dB表示20log|Ai|另外,元素要探討的是在頻譜常見的衰減圖上,衰減表示法間的轉(zhuǎn)換問題。如下圖所示,便是一個典型 的
34、橫坐標以取對數(shù)后為刻度,縱坐標以dB為單位衰減圖。先假設(shè)其衰減斜率為M1 dB/m-times,即表示頻率每上升m倍,則其dB值為原先的dB值再加上M1本例中M1為負,代表原先的dB值再減去|M1|。但有時我們想知道頻率上升n倍,dB值變化的情形時,則可經(jīng)由以下所推導(dǎo)出來的公式來求出此時 的斜率表示法:M2 dB/n-times。當(dāng)以原先M1表示時,Y2的大小為:當(dāng)以M2表示時,Y2的大小可表示為:上面兩式等號右邊相等,則:整理一下,最后可得到M2和M1的關(guān)系:=還logK繪也就是說,若原先的M1為-20dB/decade即-20dB/10-times,m=10,斜率的表示相當(dāng)于M2=-6dB
35、/octave即-6dB/2-times,n=2。四種特殊傳輸線 阻抗經(jīng)由傳輸線公式的推導(dǎo),離傳輸線負載端阻抗為ZI距離為dload端為原點的阻抗值大小為:2 N +毘tan(伺) 乙+閔tan(伺)在此假設(shè)此傳輸線為無 損失傳輸線。根據(jù)此式,有四 種特殊情形下的負載不難被發(fā) 現(xiàn): 負載大小等于傳輸線特性阻 抗:ZI = ZoZZd = 0那點的反射系數(shù)為零,VSWR = 1負載端短路:ZI = 0d = 0那點的反射系數(shù)為-1,VSWR =f負載端開路:zi=g2/ = -jZ* cot/i?d = 0那點的反射系數(shù)為1,VSWR =f負載為實數(shù),但此時傳輸線長 度為行進波波長的四分之一:l
36、 =入/4乙(久/4)=才藉由此關(guān)系式,可以利 用選定不同的Zo值,而得到 另一個不同的輸出阻抗之目 的。常用頻帶這里元素將列岀幾種常見的頻帶分法,而一般常說的微波,指得范圍為1GHz100GH間的頻帶。1.下表為常用頻帶的頻寬范圍和縮寫:p頻寬Hz頻帶名稱縮寫p30G300G至高頻extra high freq.EHF3G30G極高頻super highfreq.SHF300M3G超高頻ultra highfreq.UHF30M300M特高頻very highfreq.VHF3M30M高頻highfreq.HF300k3M中頻mediumfreq.MF30k300k低頻lowfreq.LF3
37、k30k特低頻very lowfreq.VLF3003k聲頻voice freq.VF30300極低頻extra lowfreq.ELF2.以波長來分類,則如下表所示:名稱波長之范圍m頻率之范圍Hz長波3000以上100k以下中波3000200100k1500k中短波200751.5M4M短波75104M30M超短波10130M300M極超短波1以下300M以上3.下表為微波、衛(wèi)星常用波段:波段band頻率之范圍GHZL12S24C48X812.5Ku12.518K1826.5Ka26.5404.下表為美國軍用微波帶:代號頻率之范圍GH力A0.10.25B0.250.5C0.51D12E23F
38、34G46H68I810J1020K2040L4060M60100導(dǎo)納及負電阻在史密斯圖上的求法若果要分析的是并聯(lián)的電路組件,則用導(dǎo)納來處理會較方便?,F(xiàn)在來介 紹史密斯圖上任點阻抗得導(dǎo)納值要如何求得。另外要是阻抗中的若電阻值是 負的信號會被放大,則在史密斯圖上又要如何求得因為史密斯圖上并 沒有定義負電阻的位置?這也將說明于下。假設(shè)Z(0為史密斯上某一點的阻抗值0代表此點尚未旋轉(zhuǎn),即為初 始狀況,則此點的Z和r有以下的關(guān)系是這里用及坐標的方式表示:l + |r|expS1 - |r| exp 5現(xiàn)在若將此點旋轉(zhuǎn)180度此時的史密斯圖上所代表的阻抗值為Z(180,則關(guān)系式變?yōu)椋篿+rif=由上是可
39、以很清楚地得知,任一點的導(dǎo)納值,其實就是該點以史密斯圖圓心旋轉(zhuǎn)180后所得的阻抗值大小。為求方便,一般會有兩種方式來求得任一點阻抗之導(dǎo)納值,即如下圖(a和(b所示:假如圖中的A代表該點的阻抗值,B代表該點欲求得的導(dǎo)納值,則:(a圖的求法步驟即如上面公式推導(dǎo)的步驟一樣,只要把A旋轉(zhuǎn)180度后 所得到的阻抗值B位置就是該點A的導(dǎo)納值。(b圖的做法就是原A點不動,對整個史密斯圖作180度旋轉(zhuǎn)后,在原該 點A所讀取出的阻抗值就是欲求的導(dǎo)納值BA B兩點重迭。同理,若已經(jīng)知道某點的導(dǎo)納值欲求該點的阻抗值,上述的方法依然適若遇到要處理串聯(lián)阻抗,又要處理并聯(lián)導(dǎo)納的情形時,一般會將阻抗和導(dǎo)納的史密斯圖迭畫在一
40、起,以方便之間的轉(zhuǎn)換,如下圖所示簡稱為XYSmith chart。接下來求史密斯圖上的負電阻。假設(shè)有一阻抗為Z為(-r+jx,其中r為正,代表此阻抗有負電阻存在。該點的r和z關(guān)系為:r + 1(廣+兀)+1這時我們?nèi)魧Υ藃取導(dǎo)數(shù)后在取共軛,則可得:flY二P +)T丿卜+ 1上式說明由此反射系數(shù)(1/r*在史密斯圖上所求得的阻抗為(r+jx,恰好跟原先反射系數(shù)為r的阻抗在實部上差個負號。因為(1/r*在史密斯圖上可以找到的阻抗其實部為正正電阻情形,所以遇到 阻抗帶負電阻情形時,便可以將其反射系數(shù)的倒數(shù)取共軛,再將其在史密斯圖 上所得的阻抗部分之電阻值取負,結(jié)果便是我們原先欲求的帶負電阻的阻抗
41、值。無塵室分類無塵室 clean room 提供半導(dǎo)體制程一個干凈的空間, 由于粒 子 particle對制程良率的影響頗重,因此無塵室的潔凈度要求便格外重要。下圖所列為美國聯(lián)邦標準209D的無塵室規(guī)格標準,定義方式為單位英呎ft3內(nèi)直徑為0.5um的粒子數(shù)多寡。如單位體積內(nèi)直徑為0.5um粒子數(shù)在1e2即100以下,則稱為class 100;在1e1即10以下為class 10,余類推。IE-2 IE-1a5IE0 JEI粧子直徑(UD)在無塵室中為維持本身的潔凈度,都會要求作業(yè)人員穿上無塵衣,以防 止身上的微粒被帶入無塵室。介紹一般來說,數(shù)字IC設(shè)計可以分成Full- custom和Cel
42、l-based兩種比較一般的方式:Full-coustom可以直接從晶體管來作設(shè)計,可調(diào)整晶體管的寬度、距離等,好處是可以做出更快或更小甚至更省電的設(shè)計,但是有一個比較麻煩的地方,就是設(shè)計者的邏輯設(shè)計的技巧要夠好,還需要足夠的 電子方面的背景才有辦法做岀比較好的設(shè)計,在加上若需要較大的電路,則設(shè)計的復(fù)雜度更不是一般的設(shè)計 者能夠輕易完成的。相對于Full-coustom的設(shè)計方式,Cell-based是指我們用硬件描述語言ex:Verilog or VHDL來描 述我們想要的電路,然后用合成的工具(ex:SYNOPSY合成們描述的工具,運用一些限制constrainex:面積、速度 等來選擇不
43、同的組件,優(yōu)點是可以較輕易設(shè)計岀較復(fù)雜的電路,但在面積上或功率 上,因為每個組件是之前先做好的,可能就不像Full-custom那幺容易來增加每個組件的效率。就硬件描述語言來說,主要有VHDL和Verilog兩種:VHDLVHSIC Hardware Description Language開始是由美國國防部發(fā)展出來的,其中VHSIC是指very high-speed IC。而Verilog則是后來的IC設(shè)計工程師Gatway Design Automation發(fā)展出來的,目前兩種HDL者B是IEEE的standard。至于SYNOPSY的合成工具,是一套功能強大且價格昂貴的軟件,不過它愿意免
44、費提供學(xué)校教學(xué)用,對我們這些學(xué)生來說,除了許 多免費的昂貴軟件可用之外,國科會芯片設(shè)計制作中心CIC縮短1. 提高集積密度2. 增加驅(qū)動能力1. 微影解析能力2. 短信道效應(yīng)3. 逆短信道效應(yīng)信道寬度cha nnel width 縮短1.提高集積密度1. 微影解析能力2.窄信道效應(yīng)3. 逆窄信道效應(yīng)隔離間距isolati on spacing 縮短1.提高集積密度1. 微影解析能力2. 淺溝槽蝕刻、 充填及平坦化 等制程所造成的損害3隔離效果閘極介電層厚度gate dielectricthickness變薄1. 增加驅(qū)動能力2.改善短信道效應(yīng)3. 改善次臨限擺幅sub-thresholdswi
45、ng1. 漏電流2.界面特性3. 介電層抗壓能力接面深度ju ncti ondepth變淺1.改善短信道效應(yīng)1. 寄生電阻2. 參雜物分布側(cè)向陡峭度lateral abrupt ness 3. 制程熱預(yù)算thermal budget 4.漏電流基板參雜濃度substratedoping增加1.改善短信道效應(yīng)1. 寄生電容2. 漏電流3.接面崩潰電壓4.庫倫散射率Coulombscattering rate 增加,影響 信道的載子遷移率carrier mobility操作電壓poewr降低1. 改善短信道效應(yīng)2.降低姑功率消耗1. 驅(qū)動力衰退2.噪聲免疫力noisesupply3.改善熱載子效應(yīng)
46、hot carriereffectimmunity衰退臨限電壓降低1.增加驅(qū)動能力1.漏電流threaholdvoltage臨限電壓回升FET的制程中,在蝕刻定義岀多晶硅閘極后,一般在其兩側(cè)會加以氧化,以利接下來的步驟因提供較干凈的多晶硅。由于Oxidation-enhanced DiffusionOED的緣故,會使得閘極邊緣下方的硅產(chǎn)生點缺 陷,而因這些點缺陷又會聚集基板的雜質(zhì),所以靠閘極兩旁的基板雜質(zhì)濃度較高。在長信道的情形下,此較高基板濃度的部分所占比例較小,因此效應(yīng)可以忽略不計。隨著信道長度的縮 減,所占比例增加,甚至?xí)沟谜麄€信道的基板濃度增加。濃度增加代表臨限電壓的上升,我們稱此現(xiàn)
47、象為臨限電壓回升threshold voltage roll up,如下圖所示。原本跟信道長度L無關(guān)的臨限電壓,在長度降到某一大小時,會突然回升,隨后會降下去。降下去的部 分是短信道效應(yīng)所造成的結(jié)果。表面可移動載子濃度和表面電位的關(guān)系V在求MOS電容的相關(guān)特性時,半導(dǎo)體層表面信道少數(shù)、可移動載子濃度大小,一直是相當(dāng)重要的一項參 數(shù),藉由此濃度的多寡,可以知道MOSfe容所表現(xiàn)出來的行為為何,在MOS晶體管中更可用來求得汲極電流的大小。以下將討論表面載子濃度nsuf和表面電位surf的關(guān)系。首先我們必須知道一個參數(shù),叫做doping parameter, B,對p型半導(dǎo)體基板,可表示如下:而表面信道少數(shù)載子濃度nsuf為:“=細洱&臥擴護?。ⅲ?帶入(2,可得:S =碼阿b呦-如J/切(5(3式的結(jié)果以作圖表示,可得下圖:因此當(dāng)surf小于B時,nsuf比ni還小,亦即無信道形成,即所謂的表面空乏;當(dāng) surf介于 B和2B之間時,nsuf比ni大,進入弱反轉(zhuǎn)模式;當(dāng) surf大于2B時,nsuf快速增加,進入所謂 的強反轉(zhuǎn)模式。這就是為什幺一般皆假設(shè)一但MOSS入強反轉(zhuǎn)區(qū)后,空乏層厚度維持一最大固定值的原因。因為只要一點點的表面電位增加,便能引岀大量的少數(shù)載子在表面;而這 一點點的表面電位增加以能 帶圖來看,就是相當(dāng)于極小量的空乏區(qū)厚度變化量。(3
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