晶体管结构与作用PPT课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微电子制造原理与技术,第二部分 芯片制造原理与技术,李 明,材料科学与工程学院,芯片发展历程与莫尔定律,晶体管结构与作用,芯片微纳制造技术,主要内容,半导体基础知识,MOSFET,晶体管结构和工作原理,晶体管应用举例,导体（金属）,半导体,绝缘体,铜,铁,硅,锗,大理石,玻璃,橡胶,电阻率,导体、半导体、绝缘体,单元素半导体：,Si、Ge、Sn,等，外壳电子数为,4的,C,族元素,化合物半导体：,GaAs、GaP、InAs、ZnSe,等，,一般由,B,和,N,族组成的化合物。,氧化物半导体：,ZnO、MnO,2,、MnO、Cr,2,O,3,、,NiO、TiO,2,、Cu,2,O、SnO,2,等,电阻率的影响因素：杂质、温度、光、结构缺陷,本征半导体,本征半导体：,纯净的单元素半导体硅、锗，以及等价化合物半导体,GaAs、GaN,等。,本征半导体的导电机理：,在温度非常低的条件下，最外层价电子被束缚得很紧，几乎无自由电子或空穴存在。故本征半导体在低温下的电阻率很高，变为绝缘体。,在受热或光照射的条件下，价电子被激发而成为自由电子，同时产生等数量的带正电荷的空穴。这些自由电子和空穴在外界电场的作用下移动而形成电流。,束缚电子,，,自由电子,，,电子,空穴,掺杂物半导体,N,型半导体,：,向本征半导体中掺杂少量的价电子数为 5 的,N,族元素，则可获得自由电子，而成为,N（Negative）,型半导体。,N,型半导体的导电性主要靠自由电子的移动来完成。,P,型半导体,：,向本征半导体中掺杂少量的价电子数为 3 的,B,族元素，则可产生空穴，而成为,P（Positive）,型半导体。,P,型半导体的导电性主要靠空孔的的移动来完成。,束缚电子,，,自由电子,，,电子,空穴,PN,结与二极管的特性与构造,整流特性,：,当向,PN,结由,P,向,N,方向施加反向电压时，,PN,结合部位将出现空乏层，电流无法导通（图左）。但施加正向电压时，自由电子和空穴会顺利移动而形成电流。这就是,PN,结二极管重要的整流特性。,电子的移动方向,空穴的移动方向,PN,结：,PN Junction,二极管：,Diode,电子,空穴,电子,空穴,PN,结的电流特性,降伏电压,降伏电流,逆向电压,逆向电流,正向电流,正向电压,二极管的标记,芯片上二极管的构造,负极,正极,N-Si,P-Si,正极,负极,电 至光 转换,电发光原理：正负电在半导体,P-N,节处相遇，产生光子而发光,光 至电 转换,LED,照明,光伏太阳能电池,光发电原理：光子照射到,P-N,节，产生电流，产生电力,PN,结的应用,电流整流器,偏置隔离,场效应晶体管（,MOSFET,）,场效应晶体管,低电压和低功耗。,结型场效应晶体管（,JFET,）和金属,-,氧化物型场效应晶体管（,MOSFET,）,NMOS,型场效应三极管,特 性,Vg=,0,：源极,与漏极间，由于,NPN,结的作用无电流通过。,Vg,0,：且较高时，栅极,与,P-Si,的界面间形成电子富集层（电子隧道），源极与,漏 极连通，电流,通过。,引出漏极（,Vd）,drain,P-Si,多晶体,-Si,栅极,SiO,2,绝缘膜,引出栅极（,Vg）gate,N-Si,漏极,N-Si,源极,基极（,Vsub）,substrate,引出源极（,Vs）,source,N,型隧道（电子隧道）,Vg,Vs,Vsub,Vd,特 性,与,NMOS,动作相反，当,Vg,0，,且绝对值较大时，栅极与,N-Si,的界面间形成空孔富集层（空孔隧道），源极与漏极连通，电流才能通过。,由于,空孔的移动速度低于电子，故动作速度比,NMOS,慢，应用较少,。,电子,迁移率=1350,cm,2,/VS,，空,孔迁移率=480,cm,2,/VS,Vg,Vs,Vsub,Vd,引出漏极（,Vd）,drain,N-Si,多晶体,-Si,栅极,SiO,2,绝缘膜,引出栅极（,Vg）gate,P-Si,漏极,P-Si,源极,基极（,Vsub）,substrate,引出源极（,Vs）,source,P,型隧道（空孔隧道）,PMOS,型场效应三极管,两个,pn,结偏置状态相反,沟道由反型层构成，与源漏形成通路,场效应晶体管,NMOS,的结构,芯片上的实际,NMOS,结构,P,N,+,N,+,3 volts,V,ds,0.7 volts,V,gs,+,+,-,-,场效应晶体管,工作原理,NMOS,NMOS,电流电压特性,线性区，,MOSFET,象电阻，电阻受栅电压控制,饱和区，,MOSFE,象电流源，电流大小与,V,G,2,有关,场效应晶体管,工作原理,栅的作用类似与水闸的闸门,场效应晶体管,工作原理,CMOS：Complemetary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS,型晶体管,并联式,MOS,型场效应管,5V,Vs,输出,输入,Vs,PMOS,NMOS,3,2,4,5,1,3,2,4,5,1,CMOS,的输入输出特性,输入电压,输出电压,当,输入电压低时，,NMOS,不导通，,PMOS,导通，输出电压为高5,V，,表现为1。,当,输入电压高时，,NMOS,导通，,PMOS,不导通，输出电压为低0,V，,表现为0,。,将,PMOS,和,NMOS,做在同一集成电路上就形成了互补型金属氧化物半导体技术，也就是,CMOS,技术,主要特点为功耗低，是集成电路中被广泛采用的基本回路,CMOS,型晶体管,并联式,MOS,型场效应管,Metal 1,AlCu,P-Epi,P-Wafer,N-Well,P-Well,PMD,p,+,p,+,n,+,n,+,W,Metal 1,P-well,Polycide gate and local,interconnection,STI,N-well,CMOS Inverter,CMOS,应用例,1,：反相器,5V,Vs,输入,Vd,PMOS,NMOS,1 0,Off on,on off,5V,Vs,输入,Vd,PMOS,NMOS,0 1,on off,off on,静态无电流,CMOS,应用例,2,：乘法逻辑电路,输出,输入,B,Y,A,Y,B,A,A,B,Y,0,0,0,1,0,0,0,1,0,1,1,1,Y=A B,CMOS,应用例,3,：存储器,掩模,ROM,可编程,ROM(PROM-Programmable ROM),可擦除可编程,ROM(EPROM-Erasable PROM),随机存储器,RAM,(Random Access Memory),静态存储器,SRAM(Static RAM),主要用于高速缓存和服务器内存,动态存储器,DRAM,(Dynamic RAM),按功能特点,EEPROM(Electrically EPROM)/E,2,PROM,只读存储器,ROM,(Read-Only Memory),Flash Memory(,快闪存储器，如,U,盘,),FRAM(Ferro-electric RAM,铁电存储器,),SDRAM,DDR-RAM,等,非挥发存储器（,Non-Volatile Memory-NVM,）,挥发存储器（,Volatile Memory-VM,）或者称易失存储器,DRAM:,四管动态,MOS,存储单元,存储节点,CMOS,应用例,3,：存储器,CMOS,应用例,4,：图像传感器（,CIS,）,CCD,CMOS,20,世纪,80,年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片,CMOS,图像传感器件,将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上,适合大规模批量生产,首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。,行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。,行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及,A/D,转换器，转换成数字图像信号输出。,CMOS,应用例,4,：图像传感器（,CIS,）,首先进入“复位状态”，此时打开门管,M,。电容被充电至,V,，二极管处于反向状态；,然后进人“取样状态”。这时关闭门管,M,在光照下二极管产生光电流，使电容上存贮的电荷放电，经过一个固定时间间隔后，电容,C,上存留的电荷量就与光照成正比例，这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之中了；,最后进入“读出状态”。这时再打开门管,M,逐个读取各像素中电容,C,上存贮的电荷电压。,CMOS,应用例,4,：图像传感器（,CIS,）,CMOS,应用例,5,：互补对称功放电路,VI0,时,T1,导通,T2,截止,VI0,时,T1,截止,T2,导通,小结,PN,结特点及作用,场效应晶体管,CMOS,场效应管结构与特点,CMOS,场效应管的主要应用,