專用集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)總復(fù)習(xí).ppt
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專用集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)復(fù)習(xí),董剛西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院gdong@,考試時(shí)間和地點(diǎn),,第二章集成器件物理基礎(chǔ),知識(shí)點(diǎn)：2.1電子空穴2.2本征半導(dǎo)體非本征半導(dǎo)體多子少子飄移電流擴(kuò)散電流2.3空間電荷區(qū)勢(shì)壘區(qū)耗盡層PN結(jié)的單向?qū)щ娦詣?shì)壘電容擴(kuò)散電容器件模型模型參數(shù)2.4雙極晶體管的結(jié)構(gòu)直流放大原理電流集邊效應(yīng)特征頻率外延晶體管最高振蕩頻率基區(qū)串聯(lián)電阻晶體管模型模型參數(shù)2.6MOS晶體管結(jié)構(gòu)工作原理非飽和區(qū)和飽和區(qū)的特點(diǎn)閾值電壓MOS晶體管與雙極晶體管的特點(diǎn)比較模型和模型參數(shù),本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),束縛電子,在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。,本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。,自由電子,空穴,自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。,可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多。,與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合,在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對(duì)的濃度一定。,常溫300K時(shí)：,電子空穴對(duì),自由電子帶負(fù)電荷電子流,＋總電流,空穴帶正電荷空穴流,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。,導(dǎo)電機(jī)制,N型半導(dǎo)體,多余電子,磷原子,硅原子,多數(shù)載流子——自由電子,少數(shù)載流子——空穴,施主離子,自由電子,電子空穴對(duì),在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。,空穴,硼原子,硅原子,多數(shù)載流子——空穴,少數(shù)載流子——自由電子,受主離子,空穴,電子空穴對(duì),P型半導(dǎo)體,?因多子濃度差,?形成內(nèi)電場(chǎng),?多子的擴(kuò)散,?空間電荷區(qū),?阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。,PN結(jié)合,空間電荷區(qū),,多子擴(kuò)散電流,,少子漂移電流,耗盡層,PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?1.PN結(jié)的形成,動(dòng)畫演示,動(dòng)態(tài)平衡：,擴(kuò)散電流＝漂移電流,總電流＝0,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?動(dòng)畫演示1,動(dòng)畫演示2,PN結(jié)的電容效應(yīng),當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時(shí)，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，即PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。,(1)勢(shì)壘電容CB,擴(kuò)散電容CD,當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。,電容效應(yīng)在交流信號(hào)作用下才會(huì)明顯表現(xiàn)出來,極間電容（結(jié)電容）,BJT的結(jié)構(gòu),NPN型,PNP型,符號(hào):,三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度＞＞集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。,NPN晶體管的電流輸運(yùn),NPN晶體管的電流轉(zhuǎn)換,雙極晶體管直流電流增益,1發(fā)射效率2基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)3共基極直流電流增益4共射極直流電流增益5提高增益的途徑,影響晶體管直流特性的因素,基區(qū)寬變效應(yīng),隨著Vce的增加，cb結(jié)耗盡層寬度隨之變寬，使晶體管有效基區(qū)寬度Wb減小,影響晶體管直流特性的因素,大電流效應(yīng)（3）,基區(qū)橫向壓降導(dǎo)致的電流集邊效應(yīng),,晶體管的頻率特性,雙極晶體管交流小信號(hào)電流增益,,共基極交流小信號(hào)電流放大倍數(shù)共射極交流小信號(hào)電流放大倍數(shù),晶體管的頻率特性,晶體管頻率特性與晶體管結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,,提高fT的途徑：減小基區(qū)寬度；減小發(fā)射結(jié)和集電結(jié)面積；減小基區(qū)串連電阻；兼顧功率和頻率特性的外延晶體管結(jié)構(gòu)。,晶體管的頻率特性,晶體管頻率特性與晶體管結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,,晶體管的頻率特性,特征頻率與工作電流的關(guān)系,,在工作電流密度很大的情況下，晶體管內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)有效基區(qū)寬度擴(kuò)展效應(yīng)，使有效汲取寬度變大，基區(qū)渡越時(shí)間增大，導(dǎo)致特征頻率下降。為了描述特征頻率隨電流增大而下降的現(xiàn)象，在晶體管模型中引入模型參數(shù)ITF。,體管的頻率特性,最高振蕩頻率,,為了表示晶體管具有功率放大作用的頻率極限，使晶體管功率增益下降為1的頻率稱為最高振蕩頻率。如果用晶體管組成振蕩器，降輸出功率群不反饋到輸入端，則能維持振蕩狀態(tài)。若頻率再高，則振蕩難以維持。稱之為最高振蕩頻率。,體管的頻率特性,基區(qū)串聯(lián)電阻,,基極電流要橫向通過很窄的基區(qū)通道。呈現(xiàn)一定的基區(qū)串連電阻?；鶇^(qū)串聯(lián)電阻上產(chǎn)生橫向壓降，導(dǎo)致工作電流較大時(shí)電流增益的下降?；鶇^(qū)串聯(lián)電阻過大引起最高振蕩頻率的下降。,體管的頻率特性,減小基區(qū)串聯(lián)電阻的方法,,將通常采用的單基極的晶體管結(jié)構(gòu)改為雙基極結(jié)構(gòu)。增加發(fā)射極和基極的長(zhǎng)度，同時(shí)減少其寬度和間距。提高基區(qū)參雜和增大基區(qū)寬度。,器件結(jié)構(gòu),,N溝道EMOS管工作原理,MOS管僅依靠一種載流子（多子）導(dǎo)電，故稱單極型器件。,三極管中多子、少子同時(shí)參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。,利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，通過柵源電壓VGS的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流ID。,MOSFET工作原理：,數(shù)學(xué)模型：,此時(shí)MOS管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器：,VDS很小MOS管工作在非飽區(qū)時(shí)，ID與VDS之間呈線性關(guān)系：,,其中：W、L為溝道的寬度和長(zhǎng)度。,COX（=?/?OX）為單位面積的柵極電容量。,注意：非飽和區(qū)相當(dāng)于三極管的飽和區(qū)。,飽和區(qū),特點(diǎn)：,ID只受VGS控制，而與VDS近似無關(guān)，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。,溝道預(yù)夾斷后對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。,考慮到溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。,注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。,數(shù)學(xué)模型：,若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則ID的修正方程：,工作在飽和區(qū)時(shí)，MOS管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式：,其中：?稱溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)，其值與l有關(guān)。,通常?=(0.005~0.03)V-1,,截止區(qū),特點(diǎn)：,相當(dāng)于MOS管三個(gè)電極斷開。,溝道未形成時(shí)的工作區(qū),條件：,VGS下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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