集成電路課件

集成電路課件第1頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四固體材料：超導(dǎo)體:大于106(cm)-1 導(dǎo)體:106~104(cm)-1半導(dǎo)體:104~10-10(cm)-1

絕緣體:小于10-10(cm)-1？什么是半導(dǎo)體從導(dǎo)電特性和機(jī)制來(lái)分：不同電阻特性不同輸運(yùn)機(jī)制第2頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)：構(gòu)成一個(gè)正四面體，具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)第3頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四半導(dǎo)體的結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體，如：Si、Ge化合物半導(dǎo)體，如：GaAs、InP、ZnS第4頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.半導(dǎo)體中的載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ颖菊靼雽?dǎo)體：n=p=ni第5頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電子：Electron，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位第6頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.半導(dǎo)體的能帶(價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙)量子態(tài)和能級(jí)固體的能帶結(jié)構(gòu)原子能級(jí)能帶第7頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四共價(jià)鍵固體中價(jià)電子的量子態(tài)和能級(jí)共價(jià)鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)原子能級(jí)反成鍵態(tài)成鍵態(tài)第8頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價(jià)帶Eg第9頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四半導(dǎo)體中載流子的行為可以等效為自由粒子，但與真空中的自由粒子不同，考慮了晶格作用后的等效粒子有效質(zhì)量可正、可負(fù)，取決于與晶格的作用電子和空穴的有效質(zhì)量m*第10頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.半導(dǎo)體的摻雜BAs受主摻雜施主摻雜第11頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的B第12頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四施主能級(jí)受主能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)：雜質(zhì)可以使電子在其周?chē)\(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)第13頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四本征載流子濃度：n=p=ninp=ni2

ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)5.本征載流子本征半導(dǎo)體：沒(méi)有摻雜的半導(dǎo)體本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子載流子濃度

電子濃度n,空穴濃度p第14頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.非本征半導(dǎo)體的載流子在非本征情形:熱平衡時(shí):N型半導(dǎo)體：n大于pP型半導(dǎo)體：p大于n第15頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多子：多數(shù)載流子 n型半導(dǎo)體：電子 p型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子 n型半導(dǎo)體：空穴 p型半導(dǎo)體：電子第16頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四7.電中性條件:正負(fù)電荷之和為0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互補(bǔ)償p=n+Na–Ndn=p+Nd–Na第17頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四n型半導(dǎo)體：電子nNd 空穴pni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴pNa 電子nni2/Na第18頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四8.過(guò)剩載流子由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過(guò)剩載流子公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過(guò)程電子空穴對(duì)：電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生或復(fù)合第19頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四9.載流子的輸運(yùn)漂移電流遷移率電阻率單位電場(chǎng)作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場(chǎng)作用下輸運(yùn)能力

載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)引入遷移率的概念影響遷移率的因素第20頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四影響遷移率的因素：有效質(zhì)量平均弛豫時(shí)間（散射〕體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度半導(dǎo)體中載流子的散射機(jī)制：晶格散射（熱運(yùn)動(dòng)引起）電離雜質(zhì)散射第21頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四擴(kuò)散電流電子擴(kuò)散電流：空穴擴(kuò)散電流：愛(ài)因斯坦關(guān)系:載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子在化學(xué)勢(shì)作用下運(yùn)動(dòng)第22頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四過(guò)剩載流子的擴(kuò)散和復(fù)合過(guò)剩載流子的復(fù)合機(jī)制：直接復(fù)合、間接復(fù)合、表面復(fù)合、俄歇復(fù)合過(guò)剩載流子的擴(kuò)散過(guò)程擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln和Lp:L=(D)1/2第23頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四描述半導(dǎo)體器件工作的基本方程泊松方程高斯定律描述半導(dǎo)體中靜電勢(shì)的變化規(guī)律靜電勢(shì)由本征費(fèi)米能級(jí)Ei的變化決定能帶向下彎，靜電勢(shì)增加第24頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四方程的形式1方程的形式2電荷密度(x)可動(dòng)的－載流子（n,p)固定的－電離的施主、受主特例：均勻Si中，無(wú)外加偏壓時(shí)，方程RHS＝0，靜電勢(shì)為常數(shù)第25頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電流連續(xù)方程可動(dòng)載流子的守恒熱平衡時(shí)：產(chǎn)生率＝復(fù)合率np=ni2電子：空穴第26頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電流密度方程載流子的輸運(yùn)方程在漂移－擴(kuò)散模型中擴(kuò)散項(xiàng)漂移項(xiàng)方程形式1第27頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四愛(ài)因斯坦關(guān)系波耳茲曼關(guān)系方程形式2電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米勢(shì)：費(fèi)米勢(shì)第28頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四重點(diǎn)半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體載流子、電子、空穴、平衡載流子、非平衡載流子、過(guò)剩載流子能帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶摻雜、施主、受主輸運(yùn)、漂移、擴(kuò)散、產(chǎn)生、復(fù)合第29頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作業(yè)

載流子的輸運(yùn)有哪些模式，對(duì)這些輸運(yùn)模式進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)：首先將一塊本征半導(dǎo)體變成N型半導(dǎo)體，然后再設(shè)法使它變成P型半導(dǎo)體。第30頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)

北京大學(xué)第31頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四據(jù)統(tǒng)計(jì)：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外還有110個(gè)相關(guān)的變種所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構(gòu)成：

pn結(jié)金屬－半導(dǎo)體接觸

MOS結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)超晶格半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)第32頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四PN結(jié)的結(jié)構(gòu)第33頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.PN結(jié)的形成NP空間電荷區(qū)XM空間電荷區(qū)－耗盡層X(jué)NXP空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，因?yàn)槿鄙佥d流子第34頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.平衡的PN結(jié)：沒(méi)有外加偏壓能帶結(jié)構(gòu)載流子漂移(電流)和擴(kuò)散(電流)過(guò)程保持平衡(相等)，形成自建場(chǎng)和自建勢(shì)自建場(chǎng)和自建勢(shì)第35頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四費(fèi)米能級(jí)EF：反映了電子的填充水平某一個(gè)能級(jí)被電子占據(jù)的幾率為：E=EF時(shí)，能級(jí)被占據(jù)的幾率為1/2本征費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央第36頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四自建勢(shì)qVbi費(fèi)米能級(jí)平直平衡時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)第37頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.正向偏置的PN結(jié)情形正向偏置時(shí)，擴(kuò)散大于漂移N區(qū)P區(qū)空穴：正向電流電子：P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散擴(kuò)散漂移漂移NP第38頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四正向的PN結(jié)電流輸運(yùn)過(guò)程電流傳輸與轉(zhuǎn)換（載流子的擴(kuò)散和復(fù)合過(guò)程〕第39頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.PN結(jié)的反向特性N區(qū)P區(qū)空穴：電子：P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散擴(kuò)散漂移漂移反向電流反向偏置時(shí)，漂移大于擴(kuò)散NP第40頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四N區(qū)P區(qū)電子：擴(kuò)散漂移空穴：P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散漂移反向電流反向偏置時(shí)，漂移大于擴(kuò)散第41頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5.PN結(jié)的特性單向?qū)щ娦裕赫蚱梅聪蚱谜驅(qū)?，多?shù)載流子擴(kuò)散電流反向截止，少數(shù)載流子漂移電流正向?qū)妷篤bi~0.7V(Si)反向擊穿電壓Vrb第42頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.PN結(jié)的擊穿雪崩擊穿齊納/隧穿擊穿7.PN結(jié)電容第43頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四§2.4雙極晶體管1.雙極晶體管的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成：分為：NPN和PNP兩種形式基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度發(fā)射區(qū)收集區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)射極收集極基極第44頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四雙極晶體管的兩種形式：NPN和PNPNPNcbecbePNP第45頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四雙極晶體管的結(jié)構(gòu)和版圖示意圖第46頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第47頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.3NPN晶體管的電流輸運(yùn)機(jī)制正常工作時(shí)的載流子輸運(yùn)相應(yīng)的載流子分布第48頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四NPN晶體管的電流輸運(yùn)NPN晶體管的電流轉(zhuǎn)換電子流空穴流第49頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.3NPN晶體管的幾種組態(tài)共基極共發(fā)射極共收集極共基極共發(fā)射極共收集極NNP晶體管的共收集極接法cbe第50頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.晶體管的直流特性3.1共發(fā)射極的直流特性曲線三個(gè)區(qū)域：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)第51頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.晶體管的直流特性3.2共基極的直流特性曲線第52頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.晶體管的特性參數(shù)4.1晶體管的電流增益（放大系數(shù)〕共基極直流放大系數(shù)和交流放大系數(shù)0

、兩者的關(guān)系共發(fā)射極直流放大系數(shù)交流放大系數(shù)0、第53頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.晶體管的特性參數(shù)4.2晶體管的反向漏電流和擊穿電壓反向漏電流Icbo：發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，收集結(jié)的反向漏電流Iebo：收集極開(kāi)路時(shí)，發(fā)射結(jié)的反向漏電流Iceo：基極極開(kāi)路時(shí)，收集極－發(fā)射極的反向漏電流

晶體管的主要參數(shù)之一第54頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.晶體管的特性參數(shù)（續(xù)）4.3晶體管的擊穿電壓BVcboBvceoBVeboBVeeo晶體管的重要直流參數(shù)之一第55頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.晶體管的特性參數(shù)（續(xù)）4.4晶體管的頻率特性截止頻率f：共基極電流放大系數(shù)減小到低頻值的所對(duì)應(yīng)的頻率值截止頻率f

：特征頻率fT：共發(fā)射極電流放大系數(shù)為1時(shí)對(duì)應(yīng)的工作頻率最高振蕩頻率fM：功率增益為1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率第56頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5.BJT的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)垂直結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)時(shí)間相關(guān)的尺寸由工藝參數(shù)決定，與光刻尺寸關(guān)系不大易于獲得高fT高速應(yīng)用整個(gè)發(fā)射結(jié)上有電流流過(guò)可獲得單位面積的大輸出電流易于獲得大電流大功率應(yīng)用開(kāi)態(tài)電壓VBE與尺寸、工藝無(wú)關(guān)片間漲落小，可獲得小的電壓擺幅易于小信號(hào)應(yīng)用模擬電路第57頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四輸入電容由擴(kuò)散電容決定隨工作電流的減小而減小可同時(shí)在大或小的電流下工作而無(wú)需調(diào)整輸入電容輸入電壓直接控制提供輸出電流的載流子密度高跨導(dǎo)第58頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四缺點(diǎn)：存在直流輸入電流，基極電流功耗大飽和區(qū)中存儲(chǔ)電荷上升開(kāi)關(guān)速度慢開(kāi)態(tài)電壓無(wú)法成為設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)BJT的關(guān)鍵：獲得盡可能大的IC和盡可能小的IB第59頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四當(dāng)代BJT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：深槽隔離多晶硅發(fā)射極第60頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四§2.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOS電容結(jié)構(gòu)MOSFET器件第61頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.MOS電容電容的含義MOS結(jié)構(gòu)理想的MOS電容特性非理想的MOS電容特性第62頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四關(guān)于電容平行板電容器+Q-QEd+-V面積A電容C定義為：QVC＝斜率直流和交流時(shí)均成立第63頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一MOS結(jié)構(gòu)交流電容交流電容C定義為：+Q-QEd+-V面積A+Q-QVQVC（V〕＝斜率對(duì)于理想的交流電容，C與頻率無(wú)關(guān)這里理想指電容中沒(méi)有能量的耗散：1、忽略金屬引線的電阻（超導(dǎo)線〕2、介質(zhì)層不吸收能量第64頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四非理想的電容：CidealRpRS半導(dǎo)體中的電容通常是交流電容例如：突變PN結(jié)電容和平行板電容器形式一樣+-VP+Nxd偏壓改變V第65頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四未加偏壓時(shí)的MOS結(jié)構(gòu)MOS電容的結(jié)構(gòu)MOS電容中三個(gè)分離系統(tǒng)的能帶圖第66頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四功函數(shù)無(wú)偏壓時(shí)MOS結(jié)構(gòu)中由于功函數(shù)差引起的表面能帶彎曲第67頁(yè)，共82頁(yè)，2023年，2月20日，星期四平帶電壓平帶電壓－－使表面勢(shì)為0