内科大大规模课件教材.ppt
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1、第二章第二章MOS器件结构与理论器件结构与理论集成电路设计者的知识要求集成电路设计者的知识要求w集成电路是当今人类智慧结晶的最好载体w集成电路设计是一系列理论和技术的综合。w要实现这个集成,首先要对这些材料、理论、结构、技术与工艺进行全面而深入的理解。2022-11-301理论和技术的理论和技术的“集大成集大成”者者w集成电路具有强大无比的功能是由于 重要的 材料特性材料特性 重大的 理论发现理论发现 奇特的 结构构思结构构思 巧妙的 技术发明技术发明 不倦的 工艺实验工艺实验。2022-11-302 第一节第一节 引言引言 集成电路按其制造材料分为两大类:一类是Si(硅),另一类是GaAs(
2、砷化镓)。目前用于ASIC设计的主体是硅材料。但是,在一些高速和超高速ASIC设计中采用了GaAs材料。用GaAs材料制成的集成电路,可以大大提高电路速度,但是由于目前GaAs工艺成品率较低等原因,所以未能大量采用。2022-11-303 Silicon GaAs ASICBipoloerFET LogicBippler MOSECL/CML TTL IIL NMOS PMOS MNOSCMOS CMOS/SOS HSMOS Metal Gate VMOS CMOS2022-11-3041、在双极型工艺下在双极型工艺下ECL/CML:Emitter Coupled Logic/Current
3、Mode Logic 射极耦合逻辑/电流型开关逻辑TTL:Transistor Transistor Logic 晶体管-晶体管逻辑 :Integrated Injection Logic 集成注入逻辑LI22022-11-3052、在在MOS 工艺下工艺下NMOS、PMOS:MNOS:Metal Nitride(氮)Oxide Semiconductor (E)NMOS与(D)NMOS组成的单元CMOS:Metal Gate CMOSHSCMOS:High Speed CMOS(硅栅CMOS)CMOS/SOS:Silicon on Sapphire (兰宝石上CMOS,提高抗辐射能力)VMO
4、S:Vertical CMOS(垂直结构 CMOS 提高密度及避免Lutch-Up效应)2022-11-3063、GaAs集成电路集成电路wGaAs这类-族化合物半导体中载流子的迁移率比硅中载流子的迁移率高,通常比掺杂硅要高出6倍。wGaAs是一种化合物材料,很容易将硅离子注入到GaAs中形成MESFET(Metal Semi-conduction Field Effect Transistor)的源区与漏区,且由注入深度决定MESFET的类型。注入深度在5001000 时是增强型,而10002000 时是耗尽型。w 从工艺上讲GaAs的大规模集成也比较容易实现。目前GaAs工艺存在的问题是它
5、的工艺一致性差,使其制造成品率远远低于硅集成电路。AA2022-11-307集成电路制造所应用到的材料分类集成电路制造所应用到的材料分类分 类材 料 电导率(Scm-1)导体铝、金、钨、铜等金属,镍铬等合金 105 半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓等 1022 10 14 绝缘体SiO2(二氧化硅)、SiON(氮氧化硅)、Si3N4(氮化硅)等 10 9102 2022-11-308铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金在集成电路工艺中的功能在集成电路工艺中的功能(1)构成低值电阻;(2)构成电容元件的极板;(3)构成电感元件的绕线;(4)构成传输线(微带线和共面
6、波导)的导体结 构;(5)与轻掺杂半导体构成肖特基结接触;(6)与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆 接触;(7)构成元器件之间的互连;(8)构成与外界焊接用的焊盘。2022-11-309绝缘体绝缘体SiOSiO2 2、SiONSiON、SiSi3 3N N4 4等硅的氧化物和等硅的氧化物和氮化物在集成电路工艺中的功能氮化物在集成电路工艺中的功能(1)构成电容的介质;(2)构成MOS(金属-氧化物-半导体)器件 的栅绝缘层;(3)构成元件和互连线之间的横向隔离;(4)构成工艺层面之间的垂直向隔离;(5)构成防止表面机械损伤和化学污染的钝 化层。2022-11-3010 第二节第二节 MOS
7、晶体管的工作原晶体管的工作原理理 MOSFET(Metal Oxide Semi-conduction Field Effect Transistor),是构成VLSI的基本元件。简单介绍MOS晶体管的工作原理。一、半导体基础知识半导体基础知识w制作集成电路的硅、锗等都是晶体晶体。w晶体中原子按一定的距离在空间有规律的排列。w硅、锗均是四价元素四价元素,原子的最外层轨道上具有四个价四个价电子电子。w价电子不局限于单个原子,可以转移到相邻的原子上去,这种价电子共有化运动共有化运动就形成了晶体中的共价键结构共价键结构。2022-11-3011本征半导体本征半导体w本征半导体本征半导体是一种完全纯净
8、的、结构完整的半导体晶体。w在热力学温度零度和没有外界能量激发时,由于价电子受到共价键共价键的束缚,晶体中不存在自由运动的电子,半导体是不导电的。w当温度升高或受到光照等外界因素的影响时,某些共价键中的价电子价电子获得了足够的能量,跃迁到导带,成为自由电子自由电子。同时,在共价键中留下相同数量的空穴空穴。w空穴是半导体中特有的一种粒子(带正电),与电子的电荷量相同。w半导体中存在两种载流子两种载流子:带q电荷的空穴和带q电荷的自由电子。2022-11-3012杂质半导体杂质半导体w在本征半导体中掺入微量的杂质原子将会得到 杂质半导体杂质半导体w杂质半导体的导电性能相对于本征半导体发生显著改变,
9、由此制造出人们所期望的各种性能的 半导体器件半导体器件w根据掺入杂质性质的不同,杂质半导体可以分为 P型半导体型半导体 N型半导体型半导体2022-11-3013P型半导体型半导体w本征半导体硅中掺入少量的3价元素价元素,如硼、铝或铟等,就可以构成P型半导体型半导体。w3价杂质的原子很容易接受价电子,所以称它为“受主杂质受主杂质”。w在P型半导体中,空穴为多数载流子空穴为多数载流子,电电子为少数载流子子为少数载流子。2022-11-3014N型半导体型半导体w本征半导体硅中掺入少量的5价元素价元素,如磷、砷和锑等,就可以构成N型半导体型半导体。w5价杂质的原子很容易释放出价电子,所以称它为“施
10、主杂质施主杂质”。w在N型半导体中,电子为多数载流子电子为多数载流子,空空穴为少数载流子穴为少数载流子。2022-11-3015半导体的特性(半导体的特性(1 1)(1)掺杂特性掺杂特性 掺杂可明显改变半导体的电导率。如室温30时,在纯净锗中掺入亿分之一的杂质,电导率会增加几百倍。掺杂可控制半导体的电导率,制造出各种不同的半导体器件。(2)热敏特性热敏特性 半导体受热时,其导电能力发生显著的变化。利用这种效应可制成热敏器件热敏器件。另一方面热敏效应会使半导体的热稳定性下降,所以由半导体构成的电路中常采用温度补偿等措施。(3)光敏特性光敏特性 光照也可改变半导体的电导率,通常称之为半导体的光电效
11、应光电效应。利用光电效应可以制成光敏电阻、光电光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器晶体管、光电耦合器 等。2022-11-3016半导体的特性(半导体的特性(2 2)(4)利用金属与掺杂的半导体材料接触,可以形成肖特肖特 基二极管和基二极管和MESFETMESFET(金属(金属-半导体场效应晶体管)半导体场效应晶体管)与与HEMTHEMT(高电子迁移率晶体管)(高电子迁移率晶体管)等器件。(5)对不同区域的半导体材料进行不同类型和浓度掺 杂,可以形成PNPN结二极管、结二极管、PINPIN型二极管型二极管(这里I表 示本征半导体)和PNPPNP、NPNNPN等各类结型晶体管结型晶体管。(6)利用金
12、属金属-氧化物氧化物-半导体结构半导体结构,可以形成PMOSPMOS、NMOS NMOS和和CMOSCMOS场效应晶体管场效应晶体管。2022-11-3017PNPN结的形成结的形成w在完整的晶体上,利用掺杂方法使晶体内部形成相邻的P P型半导体型半导体 区和 NN型半导体型半导体 区,在这两个区的交界面处就形成了下图所示的 PNPN结结 2022-11-3018平衡状态下的平衡状态下的PNPN结结wP P区中的空穴向区中的空穴向NN区扩散区扩散,在P区中留下带负电荷的受带负电荷的受主杂质离子主杂质离子;而N区中的电子向P区扩散,在N区中留下带正电荷的施主杂质离子带正电荷的施主杂质离子。由P区
13、扩散到N区的空穴与N区的自由电子复合。同样,由N区扩散到P区的自由电子与自由电子与P P区区内的空穴复合内的空穴复合。于是在紧靠接触面两边形成了数值相等、符号相反的一层很薄的空间电荷区空间电荷区,称为耗尽耗尽层层,这就是PNPN结结。2022-11-3019漂移运动和扩散运动(漂移运动和扩散运动(1 1)w在耗尽区中正负离子形成了一个内建电内建电场场,方向从带正电的N区指向带负电的P区。这个电场阻止扩散运动继续进行,另方面将产生漂移运动漂移运动,即进入空间电荷区的空穴在内建电场作用下向P区漂移,自由电子向N区漂移。2022-11-3020漂移运动和扩散运动(漂移运动和扩散运动(2 2)w漂移运
14、动和扩散运动方向相反漂移运动和扩散运动方向相反。在开始扩散时,内建电场较小,阻止扩散的作用较小,扩散运动大于漂移运动。随着扩散运动的继续进行,内建电场不断增加,漂移运动不断增强,扩散运动不断减弱,最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡动态平衡,空间电荷区空间电荷区的宽度相对稳定下来,不再扩大,一般只有零点几微米至几零点几微米至几微米微米。w动态平衡时,扩散电流和漂移电流大小相扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反,流过等、方向相反,流过PNPN结的总电流为零。结的总电流为零。2022-11-3021欧姆型接触欧姆型接触w半导体元器件引出电极与半导体材料的接触也是一种金属金属-半导体结半导体结w我们希
15、望这些结具有双向低欧姆电阻值的导电双向低欧姆电阻值的导电特性特性,也就是说,这些结应当是欧姆型接触欧姆型接触 w欧姆接触通过对接触区半导体的重掺杂重掺杂来实现。理论根据是:通过对半导体材料重掺杂,使集中于半导体一侧的结(金属中有更大量的自由电子)变得如此之薄,以至于载流子可以容易地利用量子隧穿效应量子隧穿效应相对自由地传输。2022-11-3022二、半导体的表面场效应二、半导体的表面场效应 1、P型半导体图 1 P 型半导体2022-11-3023 2、表面电荷减少图 2 表面电荷减少2022-11-30243、形成耗尽层图 3 形成耗尽层耗尽层(高阻区)2022-11-30254、形成反型
16、层图 4 形成反型层反型层2022-11-3026三、三、PN结的单向导电性结的单向导电性 自建电场和空间电荷 E自E外PN2022-11-3027PN结的单向导电性OVI正 向反 向2022-11-3028PN结型二极管的伏安特性结型二极管的伏安特性2022-11-3029结型半导体二极管方程结型半导体二极管方程)1(DSDkTqVeIIwID 二极管的电流wIS 二极管的反向饱和电流,wQ 电子电荷,wVD 二极管外加电压,方向定义为P电极为正,N电极为负。wK 波尔兹曼常数,wT 绝对温度。2022-11-3030PN结结与与二极管、双极型、二极管、双极型、MOS三三极管的关系极管的关系
17、wPNPN结结是半导体器件的基本结构基本结构wPN结存在于几乎所有种类的二极管、双二极管、双极型三极管极型三极管和 MOSMOS器件器件之中。2022-11-3031五、五、MOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构wMOSMOS(金属(金属-氧化物氧化物-半导体)场效应晶体管半导体)场效应晶体管,简称为MOSMOS管管,其核心结构是由导体、绝缘体与构成管子衬底的掺杂半导体这三层材料三层材料叠在一起形成的三明治结三明治结构构 w这一结构的基本作用基本作用是:在半导体的表面感应出与原掺杂类型相反的载流子,形成一条导电沟道。w根据形成导电沟道的载流子的类型,MOS管被分为NMOS和和PMOS。2022
18、-11-3032NMOS晶体管基本结构与电路符号晶体管基本结构与电路符号2022-11-3033PMOS晶体管基本结构与电路符晶体管基本结构与电路符号号2022-11-3034增强型和耗尽型增强型和耗尽型MOS器件器件w根据阈值电压不同,常把阈值电压不同,常把MOSMOS器件分成增强型和耗尽器件分成增强型和耗尽型两种器件。型两种器件。w对于N沟MOS器件而言,将阈值电压阈值电压V VT T0 0 的器件称为增强型器件,阈值电压阈值电压V VT T0 0 的器件,称为耗尽型耗尽型器件器件。wPMOS器件和NMOS器件在结构上是一样的,只是源漏衬底的材料类型和材料类型和NMOSNMOS相反相反,工
19、作电压的极性也正工作电压的极性也正好相反。好相反。w在在CMOSCMOS电路里,全部采用增强型的电路里,全部采用增强型的NMOSNMOS和和PMOSPMOS。2022-11-3035六、六、MOS管的工作原理管的工作原理P-S i衬 底SGDE dsIds2022-11-3036Vgs0时,Ids由S流向D,Ids随Vds变化基本呈线性关系。(3)当VdsVgs-Vtn时,沟道上的电压降(Vgs-Vtn)基本保持不变,由于沟道电阻Rc正比于沟道长度L,而Leff=L-L变化不大,Rc基本不变。所以,Ids=(Vgs-Vtn)/Rc不变,即电流Ids基本保持不变,出现饱和现象。(4)当Vds增大
20、到一定极限时,由于电压过高,晶体管被雪崩击穿,电流急剧增加。2022-11-3037第三节第三节 MOS管的电流电压管的电流电压MOS器件电流-电压特性2022-11-3038一、一、NMOS管的管的IV特性特性推导NMOS管的电流电压关系式:设:VgsVtn,且Vgs保持不变,则:沟道中产生感应电荷,根据电流的定义有:其中:电子平均传输时间栅下感应总电子电荷数QcIds VL电子运动速度沟道长度2022-11-3039V=n*Eds n为电子迁移率(cm/v*sec)Eds=Vds/L 沟道水平方向场强 代入:V=(n*Vds)/L 代入:有了,关键是求Qc,需要分区讨论:dsnVL2202
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