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1、.,1,集成电路的发展历程,半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程：19471948年，晶体管的发明1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组：W.Schokley，J.Bardeen、W.H.Brattain Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验；1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管；,.,2,1947年12月23日第一个点接触式NPN Ge晶体管发明者：W.Schokley J.Bardeen W.Brattain,.,3,晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿,
2、.,4,集成电路的发展历程,半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程：1）19471948年，晶体管的发明2）1958年，集成电路的发明1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想。1958年以德克萨斯仪器公司（TI）的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果。,.,5,集成电路的发明,1958年世界上第一块集成电路：锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻，总共12个器件，用超声焊接引线将器件连起来。,获得2000年Nobel物理奖,.,6,集成电路的发展历程,半导体集成电路
3、的出现与发展半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程：1）19471948年，晶体管的发明2）1958年，集成电路的发明3）1959年，平面工艺的发明,1959年7月，美国Fairchild 公司的Noyce发明第一块单片集成电路，利用二氧化硅膜制成平面晶体管，并用淀积在二氧化硅膜上的、和二氧化硅膜密接在一起的导电膜作为元器件间的电连接(布线)。这是单片集成电路的雏形，是与现在的硅集成电路直接有关的发明。由此，将平面技术、照相腐蚀和布线技术组合起来，获得大量生产集成电路的可能性。,.,7,集成电路的发展历程,半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程：1）1947194
4、8年，晶体管的发明2）1958年，集成电路的发明3）1959年，平面工艺的发明4）1960年，成功制造了第一块MOS集成电路。,.,8,集成电路发展的特点,九十年代以来，集成电路工艺发展非常迅速，已从亚微米(0.5到1微米)进入到深亚微米(小于0.5微米)，进而进入到超深亚微米(小于0.25微米，目前已经到了0.09微米)。,工艺与半导体光刻技术所能达到的器件线宽水平有关。2.在2002年底，在旧金山召开的国际电子器件会议上，东芝公司和索尼公司宣布，他们已开发出了65纳米线宽的集成有DRAM的CMOS型单芯片系统，可用于宽带大容量通信。3.2004年3月，德州仪器宣布了65纳米半导体制造工艺技
5、术的详细信息，并且称与90纳米技术相比，采用此技术可将晶体管的体积缩小二分之一，性能提高4成，TI的65纳米工艺技术是针对200毫米与300毫米的生产系统而进行开发的。4.这些表明集成电路制造技术在进一步向深亚微米乃至纳米方向发展，而且制造工艺新产生的技术之间的换代周期仍然保持为2年。,.,9,后人对摩尔定律加以扩展，即集成电路的发展：工艺每三年升级一代（代的定义为4倍能力，2年/代至3年/代）；集成度每三年翻二番；特征线宽约缩小30左右；逻辑电路（以CPU为代表）的工作频率提高约30,集成电路发展的特点,不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力,摩尔定律：,-Min.transisto
6、r feature size decreases by 0.7X every three years-True for at least 30 years!(Intel公司前董事长Gordon Moore首次于1965提出),.,10,第二章 半导体二极管和三极管,2-1 基础知识.2-2 PN结.2-3 半导体二极管.2-4 二极管的应用2-5 其他二极管2-6.半导体三极管.,.,11,第二章 半导体二极管和三极管 21.基础知识.,一.本征半导体半导体的导电率为10-9109 S.制造半导体器最先要用Si,Ge的单晶体.Si,Ge的单晶体称为本征半导体.本征半导体中无可自由移动的带电粒子
7、载流子.室温(T=300k)时,Si:ni=pi=1.4*1010/cm3 Ge:ni=pi=2.5*1013/cm3 其浓度差异由于禁带宽度造成的,.,12,一.本征半导体,原子结构:Ge:2 8 18 4*Si,Ge均为四价元素*共价键 Si:2 8 4半导体受光热时会产生本征激发.本征激发的特征是自由电子和空穴两种载流子总是成对产生的.,+32,+14,.,13,二.杂质半导体,在本征半导体中加入杂质,可改变渠道电能力.1.P型半导体(空穴半导体):本征半导体中加入三价元素(硼,铝,铟等),则会产生空穴.(所谓多数载流子)空穴的移动通过电子的填充来实现.空穴若被电子补充,则形成不会移动的
8、负离子.,.,14,二.杂质半导体,结构图:电子移动后 成为负离子 电子走后,形成空穴,同时 成为正离子,+4,+4,+4,+4,+3,+3,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,空穴,.,15,二.杂质半导体,2.N型半导体:本征+五价元素(砷,磷,锑等),电子为多子,空 穴为少子.电子移动后,剩下不会移动的正离子.:1)掺杂后,载流子数目增多.2)P型半导体:多子是空穴,少子是电子.3)N型半导体:多子是空穴,少子是电子.,小结,.,16,.,17,.,18,第二章 半导体二极管和三极管 22.PN结,一.PN结的形成:P,N接触,多子扩散,产生扩散电流;留下正负离子
9、形成内建电场;内建电场促使少子漂移产生漂移电流.当扩散电流=漂移电流时,PN结形成,.,19,.,20,二、结的单向导电特性,1.结外加正向电压 若将电源的正极接区,负极接区,则称此为正向接法或正向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相反,削弱了自建场,使阻挡层变窄,如图1()所示。显然,扩散作用大于漂移作用,在电源作用下,多数载流子向对方区域扩散形成正向电流,其方向由电源正极通过区、区到达电源负极。,.,21,此时,结处于导通状态,它所呈现出的电阻为正向电阻,其阻值很小。正向电压愈大,正向电流愈大。其关系是指数关系：,式中,为流过结的电流；U为结两端电压；,称为温度电压当量,其
10、中k为玻耳兹曼常数,为绝对温度,q为电子的电量,在室温下即时,；为反向饱和电流。电路中的电阻是为了限制正向电流的大小而接入的限流电阻。,.,22,图1 PN结单向导电特性,.,23,2.结外加反向电压 若将电源的正极接区,负极接区,则称此为反向接法或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相同,增强了自建场,使阻挡层变宽,如图 1()所示。此时漂移作用大于扩散作用,少数载流子在电场作用下作漂移运动,由于其电流方向与正向电压时相反,故称为反向电流。由于反向电流是由少数载流子所形成的,故反向电流很小,而且当外加反向电压超过零点几伏时,少数载流子基本全被电场拉过去形成漂移电流,此时反向
11、电压再增加,载流子数也不会增加,因此反向电流也不会增加,故称为反向饱和电流,即。,.,24,此时,结处于截止状态,呈现的电阻称为反向电阻,其阻值很大,高达几百千欧以上。综上所述：结加正向电压,处于导通状态；加反向电压,处于截止状态,即结具有单向导电特性。将上述电流与电压的关系写成如下通式：此方程称为伏安特性方程,如图2所示,该曲线称为伏安特性曲线。,.,25,图 2 PN结伏安特性,.,26,三.PN结的反向击穿,PN结处于反向偏置时,在一定电压范围内,流过结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值()后,反向电流急剧增加,这种现象称为反向击穿,如图2所示。称为击穿电压。结的击穿
12、分为雪崩击穿和齐纳击穿。,.,27,发生击穿并不一定意味着结被损坏。当PN结反向击穿时,只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电阻实现),不使其过大,以免因过热而烧坏结,当反向电压(绝对值)降低时,结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了结的反向击穿特性来实现稳压的,当流过结的电流变化时,结电压保持基本不变。,.,28,四、结的电容效应 按电容的定义,即电压变化将引起电荷变化,从而反映出电容效应。而结两端加上电压,结内就有电荷的变化,说明结具有电容效应。结具有两种电容：势垒电容和扩散电容。,.,29,1.势垒电容CT 势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动的正负杂质离
13、子所形成的,均具有一定的电荷量,所以在结储存了一定的电荷,当外加电压使阻挡层变宽时,电荷量增加,如图3所示；反之,外加电压使阻挡层变窄时,电荷量减少。即阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变,形成了电容效应,称为势垒电容,用表示。理论推导,.,30,图 3 阻挡层内电荷量随外加电压变化,.,31,图 4 势垒电容和外加电压的关系,.,32,2扩散电容CD,图 5 P区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累,.,33,2扩散电容CD 扩散电容是结在正向电压时,多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。当结加正向电压时,区的电子扩散到区,同时区的空穴也向区扩散。显然,在区交界处(x),载流子的浓度最高。
14、由于扩散运动,离交界处愈远,载流子浓度愈低,这些扩散的载流子,在扩散区积累了电荷,总的电荷量相当于图 5中曲线以下的部分(图5表示了区电子p的分布)。若结正向电压加大,则多数载流子扩散加强,电荷积累由曲线变为曲线,电荷增加量为；反之,若正向电压减少,则积累的电荷将减少,这就是扩散电容效应CD,扩散电容正比于正向电流,即DI。所以结的结电容包括两部分,即Cj。一般说来,结正偏时,扩散电容起主要作用,；当结反偏时,势垒电容起主要作用,即。,.,34,2.3 半导体二极管,1 半导体二极管的结构,2 二极管的伏安特性,3 二极管的参数,.,35,1 半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和封装，就成
15、为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,.,36,(3)平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2)面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,(4)二极管的代表符号,.,37,2 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,反向特性,反向击穿特性,.,38,3 二极管的参数,end,.,39,二极管的运用基础,就是二极管的单向导电特性,因此,在应用电路中,关键是判断二极管的导通或截止。二极管导通
16、时一般用电压源.V(硅管,如是锗管用.V)代替,或近似用短路线代替。截止时,一般将二极管断开,即认为二极管反向电阻为无穷大。,2.4 二极管的应用,.,40,二极管V-I 特性的建模,1.理想模型,3.折线模型,2.恒压降模型,.,41,1.限幅电路 当输入信号电压在一定范围内变化时,输出电压随输入电压相应变化；而当输入电压超出该范围时,输出电压保持不变,这就是限幅电路。通常将输出电压uo开始不变的电压值称为限幅电平,当输入电压高于限幅电平时,输出电压保持不变的限幅称为上限幅；当输入电压低于限幅电平时,输出电压保持不变的限幅称为下限幅。,.,42,图 并联二极管上限幅电路,限幅电路如图所示。改
17、变值就可改变限幅电平。,.,43,V,限幅电平为V。u时二极管导通,uoV；uiV,二极管截止,uou。波形如图(a)所示。Um,则限幅电平为。u,二极管截止,uou；u,二极管导通,uo。波形图如图()所示。m,则限幅电平为-E,波形图如图()所示。,.,44,图 并联下限幅电路,.,45,图 串联限幅电路,.,46,图 双向限幅电路,.,47,2二极管门电路,图 二极管“与”门电路,.,48,2.5 其它二极管,图 发光二极管符号,1.发光二极管,.,49,2.光电二极管,图 光电二极管符号,.,50,2-6 半导体三极管,图 6 几种半导体三极管的外形,.,51,2.6.1 三极管的结构
18、及类型,图 7 三极管的结构示意图和符号,.,52,无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们均包含三个区:发射区、基区和集电区,并相应地引出三个电极：发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。同时,在三个区的两两交界处,形成两个PN结,分别称为发射结和集电结。常用的半导体材料有硅和锗,因此共有四种三极管类型。它们对应的型号分别为：3A(锗PNP)、3B(锗NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四种系列。,.,53,2.6.2 三极管的三种连接方式,图 8 三极管的三种连接方式,.,54,2.6.3 三极管的放大作用,1.载流子的传输过程发射。(2)扩散和复合。(3)收集。,图 9 三极管中
19、载流子的传输过程,.,55,2.电流分配,图 10 三极管电流分配,.,56,集电极电流由两部分组成：和,前者是由发射区发射的电子被集电极收集后形成的,后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的,称为反向饱和电流。于是有,.,57,发射极电流也由两部分组成：和。为发射区发射的电子所形成的电流,是由基区向发射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重掺杂,所以忽略不计,即。又分成两部分,主要部分是,极少部分是。是电子在基区与空穴复合时所形成的电流,基区空穴是由电源提供的,故它是基极电流的一部分。,基极电流是与之差：,.,58,发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极,形成集电极电流,即要求。通常
20、用共基极直流电流放大系数衡量上述关系,用来表示,其定义为,一般三极管的值为0.970.99。,.,59,通常CBO,可将忽略,由上式可得出,三极管的三个极的电流满足节点电流定律,即,得,.,60,经过整理后得,令,称为共发射极直流电流放大系数。当ICICBO时,又可写成,.,61,则,其中ICEO称为穿透电流,即,.,62,表1 三极管电流关系的一组典型数据,.,63,相应地,将集电极电流与发射极电流的变化量之比,定义为共基极交流电流放大系数,即,故,.,64,显然与,与其意义是不同的,但是在多数情况下,。例如,从表-知,在mA附近,设由mA变为mA,可求得,.,65,2.6.4 三极管的特性
21、曲线,图 9 三极管共发射极特性曲线测试电路,.,66,1.输入特性,当不变时,输入回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输入特性,即,图 10 三极管的输入特性,.,67,2.输出特性 当不变时,输出回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输出特性,即,图 11 三极管的输出特性,.,68,(1)截止区。一般将的区域称为截止区,在图中为的一条曲线的以下部分。此时也近似为零。由于各极电流都基本上等于零,因而此时三极管没有放大作用。其实时,并不等于零,而是等于穿透电流ICEO。一般硅三极管的穿透电流小于A,在特性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。当发射结反向偏置时,发射区不再向基
22、区注入电子,则三极管处于截止状态。所以,在截止区,三极管的两个结均处于反向偏置状态。对三极管,BC。,.,69,(2)放大区。此时发射结正向运用,集电结反向运用。在曲线上是比较平坦的部分,表示当一定时,的值基本上不随CE而变化。在这个区域内,当基极电流发生微小的变化量时,相应的集电极电流将产生较大的变化量,此时二者的关系为 该式体现了三极管的电流放大作用。对于三极管,工作在放大区时.V,而。,.,70,(3)饱和区。曲线靠近纵轴附近,各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。在这个区域,不同值的各条特性曲线几乎重叠在一起,即当较小时,管子的集电极电流基本上不随基极电流而变化,这种现象称为饱和。此时
23、三极管失去了放大作用,或关系不成立。一般认为CENE,即CB时,三极管处于临界饱和状态,当CEBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用CES表示。在深度饱和时,小功率管管压降通常小于.V。三极管工作在饱和区时,发射结和集电结都处于正向偏置状态。对NPN三极管,。,.,71,2.6.5 三极管的主要参数,(1)共发射极交流电流放大系数。体现共射极接法之下的电流放大作用。,(2)共发射极直流电流放大系数。由式(1-15)得,.,72,(3)共基极交流电流放大系数。体现共基极接法下的电流放大作用。,(4)共基极直流电流放大系数。在忽略反向饱和电流时,.,73,2.极间反向电流,图 12 三极管极间反
24、向电流的测量,.,74,3极限参数,(1)集电极最大允许电流。,图 13 与IC关系曲线,.,75,(2)集电极最大允许功率损耗。当三极管工作时,管子两端电压为,集电极电流为,因此集电极损耗的功率为,图 14 三极管的安全工作区,.,76,4.反向击穿电压 CBO发射极开路时,集电极-基极间的反向击穿电压。CEO基极开路时,集电极-发射极间的反向击穿电压。CER基射极间接有电阻时,集电极-发射极间的反向 击穿电压。CES基射极间短路时,集电极-发射极间的反向击穿电压。EBO集电极开路时,发射极-基极间的反向击穿电压,此 电压一般较小,仅有几伏左右。上述电压一般存在如下关系：,.,77,2.6.6 温度对三极管参数的影响,1.温度对UBE的影响,2.温度对ICBO的影响 是由少数载流子形成的。当温度上升时,少数载流子增加,故CBO也上升。其变化规律是,温度每上升10,CBO约上升 1 倍。CEO随温度变化规律大致与CBO相同。在输出特性曲线上,温度上升,曲线上移。,.,78,3温度对的影响 随温度升高而增大,变化规律是：温度每升高,值增大.%。在输出特性曲线图上,曲线间的距离随温度升高而增大。综上所述：温度对、的影响,均将使随温度上升而增加,这将严重影响三极管的工作状态,
