教育學(xué)關(guān)關(guān)雎鳩 南郵 微電子導(dǎo)論課件 ch3

1、第三講微電子器件根底目錄PN結(jié)雙極晶體管MOS晶體管3.1 PN結(jié)PN結(jié)NP3.1.1 PN結(jié)根本結(jié)構(gòu)PN結(jié)形成的微觀過程P5+B3+N-SiP-Si+3.1.2 平衡PN結(jié)PN結(jié)形成的微觀過程+接觸+N-SiP-Si3.1.2 平衡PN結(jié)PN結(jié)形成的微觀過程擴散+N-SiP-Si擴散電流3.1.2 平衡PN結(jié)PN結(jié)形成的微觀過程復(fù)合+N-SiP-Si擴散電流3.1.2 平衡PN結(jié)PN結(jié)形成的微觀過程自建電場+N-SiP-Si漂移電流3.1.2 平衡PN結(jié)PN結(jié)形成的微觀過程平衡+N-SiP-Si漂移電流擴散電流空間電荷區(qū)3.1.2 平衡PN結(jié)空間電荷區(qū)+XMEbiVbi載流子數(shù)量極少。高阻區(qū)

2、。耗盡區(qū)XNXPXN XP XMNDXN NAXP根據(jù)電中性：自建場自建勢3.1.2 平衡PN結(jié)PN結(jié)的能帶ECEVECEVPN結(jié)形成之前ECEVECEVPN結(jié)形成之后qVbiXM3.1.2 平衡PN結(jié)PN結(jié)的偏置NPVDNPV正向偏置NSi：低電位PSi： 高電位反向偏置NSi：高電位PSi： 低電位3.1.3 PN結(jié)的IV特性PN結(jié)的正向偏置NPN區(qū)P區(qū)電子：擴散漂移NPN區(qū)P區(qū)空穴：擴散漂移N區(qū)P區(qū)電子：擴散漂移N區(qū)P區(qū)空穴：擴散漂移VDVD3.1.3 PN結(jié)的IV特性PN結(jié)正向偏置的能帶ECEVECEVqVbiXMECEVECEVqVbiVDXM平衡狀態(tài)正偏狀態(tài)3.1.3 PN結(jié)的IV

3、特性PN結(jié)的正向電流VDI(1)V=0:平衡態(tài)，電流為零；(2) 0 Vbi：勢壘消失，電流迅速增大。Vbi0.7V3.1.3 PN結(jié)的IV特性PN結(jié)的反向偏置N區(qū)P區(qū)電子：擴散漂移NPN區(qū)P區(qū)空穴：擴散漂移N區(qū)P區(qū)電子：擴散漂移N區(qū)P區(qū)空穴：擴散漂移NPVV3.1.3 PN結(jié)的IV特性PN結(jié)反向偏置的能帶ECEVECEVqVbiXMECEVECEVqVbiVXM平衡狀態(tài)反偏狀態(tài)3.1.3 PN結(jié)的IV特性PN結(jié)的反向電流VDIIs反向飽和電流3.1.3 PN結(jié)的IV特性雪崩擊穿的物理過程(1)高能載流子產(chǎn)生：當在PN結(jié)的兩端加非常高的反向電壓，空間電荷區(qū)內(nèi)的電場將非常強，通過空間電荷區(qū)的電子

4、和空穴將獲得非常大的能量。(2)碰撞電離：當其與晶格原子發(fā)生碰撞時，可以將處于平衡位置的電子撞離平衡位置，從而產(chǎn)生一個電子空穴對，該過程稱為碰撞電離。Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+3.1.3 PN結(jié)的IV特性雪崩擊穿的物理過程(3)載流子倍增：碰撞電離產(chǎn)生的電子空穴對仍然有非常高的能量，它們可以通過碰撞晶格原子產(chǎn)生新的電子空穴對，即產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)。(4)雪崩擊穿：載流子倍增速度非?？欤愃蒲┍垃F(xiàn)象。當其增加

5、到一定程度，將使電流急劇增加，PN結(jié)發(fā)生擊穿。3.1.3 PN結(jié)的IV特性PN結(jié)的雪崩擊穿雪崩過程3.1.3 PN結(jié)的IV特性PN結(jié)的IV特性VI(1) V=VB: 雪崩擊穿；(2) VBV 0：反向飽和電流；(3) V=0:平衡態(tài)，電流為零。(4) 0 Vbi：勢壘消失，電流隨偏壓增加而迅速增大。VbiVB-Is3.1.3 PN結(jié)的IV特性集成電路中的PN結(jié)P襯底N+P+3.1.4 集成電流中的PN結(jié)PN結(jié)的特性和應(yīng)用整流特性整流二極管穩(wěn)壓特性穩(wěn)壓二極管變?nèi)萏匦宰內(nèi)荻O管3.1.5 PN結(jié)的特性和應(yīng)用作業(yè)一個硅PN結(jié)的摻雜濃度為NA31015cm-3,ND=51015cm-3，1假設(shè)平衡時P

6、型硅一側(cè)的耗盡區(qū)寬度為0.9m，求此時總的耗盡區(qū)寬度。2假設(shè)給此PN結(jié)施加偏壓后，總耗盡區(qū)寬度變?yōu)?.6 m，求P側(cè)和N側(cè)的耗盡區(qū)寬度，并判斷此時PN結(jié)處于正偏還是反偏。一個硅PN結(jié)二極管，室溫300K下飽和電流為1.4810-13A，正向電流為0.442A，求此時的正向電壓。目錄PN結(jié)雙極晶體管MOS場效應(yīng)晶體管3.2 雙極晶體管根本結(jié)構(gòu)和分類NNPPPN三層結(jié)構(gòu)NPN晶體管PNP晶體管BJT: Bipolar Junction Transistor3.2.1 雙極晶體管的根本結(jié)構(gòu)NPN晶體管發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)集電結(jié)發(fā)射極集電極基極發(fā)射結(jié)EmitterBaseCollector1兩個PN結(jié)：發(fā)

7、射結(jié)、集電結(jié)2三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)3雜質(zhì)濃度：發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)4窄基區(qū)：小于數(shù)微米3.2.1 雙極晶體管的根本結(jié)構(gòu)雙極晶體管的符號NPNcbecbePNP3.2.1 雙極晶體管的根本結(jié)構(gòu)NPN共發(fā)射極接法發(fā)射結(jié)eb結(jié)：正偏集電結(jié)cb結(jié)：反偏輸入輸出發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)集電結(jié)發(fā)射極集電極基極發(fā)射結(jié)3.2.2 NPN晶體管的工作機理共發(fā)射極工作機理發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射極集電極基極IeIb3.2.2 NPN晶體管的工作機理共發(fā)射極工作機理發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射極集電極基極自建場方向IeIb3.2.2 NPN晶體管的工作機理共發(fā)射極工作機理發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射極集電極基極自建場方向IeIb電流增益：

8、通過基區(qū)的電流與在基區(qū)復(fù)合的電流之比。Ic3.2.2 NPN晶體管的工作機理共發(fā)射極工作機理IeIbIc3.2.2 NPN晶體管的工作機理晶體管特性曲線Vce v.s. IcVbeVceecbVceIcIb=0 Vbe0Vce較?。?eb結(jié)和cb結(jié)均正偏， Ic隨Vce增加而增加。Vce較大： eb結(jié)正偏而cb結(jié)反偏， IcIb。截止區(qū)放大區(qū)Ib1Ib2Ib3Ib43.2.3 NPN晶體管特性曲線集成電路中的NPN晶體管N+N+P襯底PNECB3.2.4 集成電路中的雙極晶體管雙極晶體管的特性和應(yīng)用放大特性模擬電路開關(guān)特性數(shù)字電路特點：開關(guān)速度快高頻應(yīng)用易于獲得大電流大功率應(yīng)用電流控制，關(guān)態(tài)時

9、仍有電流，功耗大3.2.5 雙極晶體管的特性和應(yīng)用作業(yè)定義通過基區(qū)流入集電結(jié)的電流和發(fā)射極注入電流之比為電流傳輸率，證明：共發(fā)射極接法晶體管中，基極電流Ib20A，電流傳輸率0.996，試求此時的發(fā)射極電流Ie。目錄PN結(jié)雙極晶體管MOS場效應(yīng)晶體管3.3 MOS場效應(yīng)晶體管根本結(jié)構(gòu)和分類N MOSFETP MOSFETN+PSourse源極N+Gate柵極Drain漏極P+NSourse源極P+Gate柵極Drain漏極MetalOxideSemiconductor Field Effect Transistor金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管3.3.1 MOSFET的根本結(jié)構(gòu)符號N MOSFE

10、TP MOSFETGSDGSD3.3.1 MOSFET的根本結(jié)構(gòu)NMOS接法源極N+PN+柵極漏極漏結(jié)源結(jié)溝道Channel3.3.1 MOSFET的根本結(jié)構(gòu)NMOS電容源極N+PN+柵極漏極VGS=0VDS=0VS=03.3.2 MOS電容的特性空間電荷區(qū)耗盡區(qū)NMOS電容源極N+PN+柵極漏極VGS0小VDS=0VGS0小:柵氧化層下出現(xiàn)空間電荷區(qū)耗盡區(qū)VS=03.3.2 MOS電容的特性耗盡區(qū)反型層NMOS電容源極N+PN+柵極漏極VGSVDS0VGS增加： 空間電荷向下擴展，柵氧化層下的半導(dǎo)體外表出現(xiàn)多余自由電子，相當于在外表形成一層導(dǎo)電類型相反的半導(dǎo)體層，稱為反型層。此時的VGS稱為

11、閾值電壓VT(0.5V-1.0V)。VS=03.3.2 MOS電容的特性NMOS電容VGSVT:外表反型程度進一步加深，半導(dǎo)體外表積累更多的電子，同時反型層的屏蔽作用使得耗盡區(qū)停止擴展。耗盡區(qū)反型層源極N+PN+柵極漏極VGSVTVDS0VS=03.3.2 MOS電容的特性閾值電壓英文： Threshold Voltage符號：VT影響因素：溝道雜質(zhì)濃度：NA，VT； NA ，VT 。柵氧化層厚度：Tox ，VT； Tox ，VT 。3.3.2 MOS電容的特性N MOSFET工作機理VGS0:漏結(jié)耗盡區(qū)擴展，使得柵極下方耗盡區(qū)寬度從源到漏逐漸增加，晶體管截止，IDS0。源極N+PN+柵極漏極

12、VGS0IDS3.3.3 MOSFET的工作機理N MOSFET工作機理VGSVT,VDS0小:柵極下方耗盡區(qū)寬度從源到漏逐漸增加，而反型層寬度從源到漏逐漸減小，ID隨VDS增加而線性增加。源極N+PN+柵極漏極VGSVTVDSIDVDS0(小)IDS3.3.3 MOSFET的工作機理N MOSFET工作機理VGSVT,VDS=Vsat:漏結(jié)附近反型層寬度減小到零，ID到達最大值。Vsat稱為飽和電壓,ID稱為飽和電流。 源極N+PN+柵極漏極VGSVTVDSIDVDSVsatIDSVsat=VGS-VTVsat=VGS-VTIsat3.3.3 MOSFET的工作機理NMOS工作機理VGSVT

13、，VDSVsat:溝道被夾斷，隨著VD的增加有效溝道長度減小，ID飽和。源極N+PN+柵極漏極VGSVTVDSIDVDSVsatIDSVsat=VGS-VTIsat3.3.3 MOSFET的工作機理NMOS工作機理思考題：電子是如何通過高阻區(qū)的？SGDVGSVTVDSVsatIDSVDS有效溝道長度IDS高阻區(qū)長度IDSIDS不變(飽和)3.3.3 MOSFET的工作機理I-V特性曲線線性區(qū)VSDID飽和區(qū)VGS2VGS3VGS4VGS5截止區(qū)VGS1VGSVT3.3.3 MOSFET的工作機理線性區(qū)：飽和區(qū)：GDSP襯底3.3.4 集成電路中的MOS晶體管集成電路中的MOS晶體管N+PN+NN+