集成電路課件

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

絕緣體:小于10-10(cm)-1？什么是半導體從導電特性和機制來分：不同電阻特性不同輸運機制第2頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四1.半導體的結構原子結合形式：共價鍵形成的晶體結構：構成一個正四面體，具有金剛石晶體結構第3頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四半導體的結合和晶體結構金剛石結構半導體有元素半導體，如：Si、Ge化合物半導體，如：GaAs、InP、ZnS第4頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四2.半導體中的載流子：能夠導電的自由粒子本征半導體：n=p=ni第5頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四電子：Electron，帶負電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對應于導帶中占據的電子空穴：Hole，帶正電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應于價帶中的電子空位第6頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四3.半導體的能帶(價帶、導帶和帶隙)量子態(tài)和能級固體的能帶結構原子能級能帶第7頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四共價鍵固體中價電子的量子態(tài)和能級共價鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)原子能級反成鍵態(tài)成鍵態(tài)第8頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差半導體的能帶結構導帶價帶Eg第9頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四半導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量可正、可負，取決于與晶格的作用電子和空穴的有效質量m*第10頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四4.半導體的摻雜BAs受主摻雜施主摻雜第11頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中摻的B第12頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四施主能級受主能級雜質能級：雜質可以使電子在其周圍運動形成量子態(tài)第13頁，共82頁，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5.本征載流子本征半導體：沒有摻雜的半導體本征載流子：本征半導體中的載流子載流子濃度

電子濃度n,空穴濃度p第14頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四6.非本征半導體的載流子在非本征情形:熱平衡時:N型半導體：n大于pP型半導體：p大于n第15頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四多子：多數(shù)載流子 n型半導體：電子 p型半導體：空穴少子：少數(shù)載流子 n型半導體：空穴 p型半導體：電子第16頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四7.電中性條件:正負電荷之和為0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互補償p=n+Na–Ndn=p+Nd–Na第17頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四n型半導體：電子nNd 空穴pni2/Ndp型半導體：空穴pNa 電子nni2/Na第18頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四8.過剩載流子由于受外界因素如光、電的作用，半導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剩載流子公式不成立載流子的產生和復合：電子和空穴增加和消失的過程電子空穴對：電子和空穴成對產生或復合第19頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四9.載流子的輸運漂移電流遷移率電阻率單位電場作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場作用下輸運能力

載流子的漂移運動：載流子在電場作用下的運動引入遷移率的概念影響遷移率的因素第20頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四影響遷移率的因素：有效質量平均弛豫時間（散射〕體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度半導體中載流子的散射機制：晶格散射（熱運動引起）電離雜質散射第21頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四擴散電流電子擴散電流：空穴擴散電流：愛因斯坦關系:載流子的擴散運動：載流子在化學勢作用下運動第22頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四過剩載流子的擴散和復合過剩載流子的復合機制：直接復合、間接復合、表面復合、俄歇復合過剩載流子的擴散過程擴散長度Ln和Lp:L=(D)1/2第23頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四描述半導體器件工作的基本方程泊松方程高斯定律描述半導體中靜電勢的變化規(guī)律靜電勢由本征費米能級Ei的變化決定能帶向下彎，靜電勢增加第24頁，共82頁，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)可動的－載流子（n,p)固定的－電離的施主、受主特例：均勻Si中，無外加偏壓時，方程RHS＝0，靜電勢為常數(shù)第25頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四電流連續(xù)方程可動載流子的守恒熱平衡時：產生率＝復合率np=ni2電子：空穴第26頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四電流密度方程載流子的輸運方程在漂移－擴散模型中擴散項漂移項方程形式1第27頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四愛因斯坦關系波耳茲曼關系方程形式2電子和空穴的準費米勢：費米勢第28頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四重點半導體、N型半導體、P型半導體、本征半導體、非本征半導體載流子、電子、空穴、平衡載流子、非平衡載流子、過剩載流子能帶、導帶、價帶、禁帶摻雜、施主、受主輸運、漂移、擴散、產生、復合第29頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四作業(yè)

載流子的輸運有哪些模式，對這些輸運模式進行簡單的描述設計一個實驗：首先將一塊本征半導體變成N型半導體，然后再設法使它變成P型半導體。第30頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四半導體器件物理基礎

北京大學第31頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四據統(tǒng)計：半導體器件主要有67種，另外還有110個相關的變種所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構成：

pn結金屬－半導體接觸

MOS結構異質結超晶格半導體器件物理基礎第32頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四PN結的結構第33頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四1.PN結的形成NP空間電荷區(qū)XM空間電荷區(qū)－耗盡層XNXP空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，因為缺少載流子第34頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四2.平衡的PN結：沒有外加偏壓能帶結構載流子漂移(電流)和擴散(電流)過程保持平衡(相等)，形成自建場和自建勢自建場和自建勢第35頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四費米能級EF：反映了電子的填充水平某一個能級被電子占據的幾率為：E=EF時，能級被占據的幾率為1/2本征費米能級位于禁帶中央第36頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四自建勢qVbi費米能級平直平衡時的能帶結構第37頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四3.正向偏置的PN結情形正向偏置時，擴散大于漂移N區(qū)P區(qū)空穴：正向電流電子：P區(qū)N區(qū)擴散擴散漂移漂移NP第38頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四正向的PN結電流輸運過程電流傳輸與轉換（載流子的擴散和復合過程〕第39頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四4.PN結的反向特性N區(qū)P區(qū)空穴：電子：P區(qū)N區(qū)擴散擴散漂移漂移反向電流反向偏置時，漂移大于擴散NP第40頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四N區(qū)P區(qū)電子：擴散漂移空穴：P區(qū)N區(qū)擴散漂移反向電流反向偏置時，漂移大于擴散第41頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四5.PN結的特性單向導電性：正向偏置反向偏置正向導通，多數(shù)載流子擴散電流反向截止，少數(shù)載流子漂移電流正向導通電壓Vbi~0.7V(Si)反向擊穿電壓Vrb第42頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四6.PN結的擊穿雪崩擊穿齊納/隧穿擊穿7.PN結電容第43頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四§2.4雙極晶體管1.雙極晶體管的結構由兩個相距很近的PN結組成：分為：NPN和PNP兩種形式基區(qū)寬度遠遠小于少子擴散長度發(fā)射區(qū)收集區(qū)基區(qū)發(fā)射結收集結發(fā)射極收集極基極第44頁，共82頁，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，共82頁，2023年，2月20日，星期四雙極晶體管的結構和版圖示意圖第46頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四第47頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四2.3NPN晶體管的電流輸運機制正常工作時的載流子輸運相應的載流子分布第48頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四NPN晶體管的電流輸運NPN晶體管的電流轉換電子流空穴流第49頁，共82頁，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，共82頁，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區(qū)域：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)第51頁，共82頁，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，共82頁，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

、兩者的關系共發(fā)射極直流放大系數(shù)交流放大系數(shù)0、第53頁，共82頁，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)射極開路時，收集結的反向漏電流Iebo：收集極開路時，發(fā)射結的反向漏電流Iceo：基極極開路時，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，共82頁，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，共82頁，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應的頻率值截止頻率f

：特征頻率fT：共發(fā)射極電流放大系數(shù)為1時對應的工作頻率最高振蕩頻率fM：功率增益為1時對應的頻率第56頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四5.BJT的特點優(yōu)點垂直結構與輸運時間相關的尺寸由工藝參數(shù)決定，與光刻尺寸關系不大易于獲得高fT高速應用整個發(fā)射結上有電流流過可獲得單位面積的大輸出電流易于獲得大電流大功率應用開態(tài)電壓VBE與尺寸、工藝無關片間漲落小，可獲得小的電壓擺幅易于小信號應用模擬電路第57頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四輸入電容由擴散電容決定隨工作電流的減小而減小可同時在大或小的電流下工作而無需調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第58頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四缺點：存在直流輸入電流，基極電流功耗大飽和區(qū)中存儲電荷上升開關速度慢開態(tài)電壓無法成為設計參數(shù)設計BJT的關鍵：獲得盡可能大的IC和盡可能小的IB第59頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四當代BJT結構特點：深槽隔離多晶硅發(fā)射極第60頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四§2.5MOS場效應晶體管MOS電容結構MOSFET器件第61頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四1.MOS電容電容的含義MOS結構理想的MOS電容特性非理想的MOS電容特性第62頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四關于電容平行板電容器+Q-QEd+-V面積A電容C定義為：QVC＝斜率直流和交流時均成立第63頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四一MOS結構交流電容交流電容C定義為：+Q-QEd+-V面積A+Q-QVQVC（V〕＝斜率對于理想的交流電容，C與頻率無關這里理想指電容中沒有能量的耗散：1、忽略金屬引線的電阻（超導線〕2、介質層不吸收能量第64頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四非理想的電容：CidealRpRS半導體中的電容通常是交流電容例如：突變PN結電容和平行板電容器形式一樣+-VP+Nxd偏壓改變V第65頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四未加偏壓時的MOS結構MOS電容的結構MOS電容中三個分離系統(tǒng)的能帶圖第66頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四功函數(shù)無偏壓時MOS結構中由于功函數(shù)差引起的表面能帶彎曲第67頁，共82頁，2023年，2月20日，星期四平帶電壓平帶電壓－－使表面勢為0