复习半导体物理

半导体集成电路MOS晶体管的动作MOS晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的开关n+n+P型硅基板栅极（金属）绝缘层（SiO2）半导体基板漏极源极N沟MOS晶体管的基本结构源极(S)漏极(D)栅极(G)VG=0VS=0VD=0栅极电压为零时，存储在源漏极中的电子互相隔离VGS0时，沟道出现耗尽区，至VGSVTH时，沟道反型，形成了连接源漏的通路。++++++++VGVD电流SVDS较小时，沟道中任何一处电压的栅－沟道电压都大于阈值电压，随着VDS的增大，电场强度增大，电子漂移速度增大，因此电流随着VDS的增大而增大。（线性区，非饱和区）随着VDS进一步增大至VDS=VGS-VTH(即VGDVTH)时，靠近漏端边缘的沟道出现夹断，晶体管进入饱和区。随着VDS的增大，夹断区向源区移动，电压的增加主要降落在夹断点至漏端边缘的高阻区，沟道电子被横向强电场拉至漏极，漏源电流基本上不随VDS的增大而变化。双极晶体管的单管结构及工作原理•双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导电发射区N+集电区N基区P发射结收集结发射极集电极基极BECnpN+结构特点：1.发射区掺杂浓度最大，基区次之，集电极最小2.基区宽度很窄，远小于少子扩散长度。NNPECB当发射结正偏（VBE0)，集电结反偏（VBC0)时，为正向工作区。电子流空穴流cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1Ie=Ic+IbecboecIIII1令则bcII共基极短路电流增益共射极短路电流增益正向工作区•发射结正偏，发射极发射电子，在基区中扩散前进，大部分被集电极反偏结收集：(接近于1）•具有电流放大作用：bcIIecboecIIII当发射结正偏（VBE0)，集电结也正偏（VBC0)时(但注意，VCE仍大于0)，为饱和工作区。NNPECB1.发射结正偏，向基区注入电子，集电结也正偏，也向基区注入电子（远小于发射区注入的电子浓度），基区电荷明显增加（存在少子存储效应），从发射极到集电极仍存在电子扩散电流，但明显下降。2.不再存在象正向工作区一样的电流放大作用，即不再成立。3.对应饱和条件的VCE值，称为饱和电压VCES，其值约为0.3V，深饱和时VCES达0.1～0.2V。bcII当VBC0，VBE0时，为反向工作区。工作原理类似于正向工作区，但是由于集电区的掺杂浓度低，因此其发射效率低，很小（约0.02）。当发射结反偏（VBE0),集电结也反偏（VBC0)时，为截止区。RNNPECB反向工作区集成双极晶体管的有源寄生效应C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)双极晶体管的四种工作状态VBEVBC饱和区反向工作区截止区正向工作区(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V3双极集成电路等效电路CBEpn+n-epin+n+-BLP-SiP+P+SC(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)等效电路隐埋层作用：1.减小寄生pnp管的影响2.减小集电极串联电阻衬底接最低电位VBEVBC饱和区反向工作区截止区正向工作区(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)集成双极晶体管的有源寄生效应C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)NPN管工作于正向工作区和截止区的情况VBC0npn管VEB_pnp0VS=0VCB_pnp0截止正向工作区和截止区寄生晶体管的影响可以忽略pnp管VEB_pnp=VBC_npn0VS=0VCB_pnp0pnp管VBC0npn管VBE0集成双极晶体管的有源寄生效应C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)NPN管工作于反向工作区的情况正向工作区反向工作区寄生晶体管对电路产生影响VBEVBC饱和区反向工作区截止区正向工作区(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)VEB_pnp=VBC_npn0VS=0VCB_pnp0pnp管VBC0npn管饱和工作区VBE0集成双极晶体管的有源寄生效应C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)NPN管工作于饱和工作区的情况正向工作区寄生晶体管对电路产生影响VBEVBC饱和区反向工作区截止区正向工作区(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)常用集成电阻器•基区扩散电阻•发射区扩散电阻、埋层扩散电阻•基区沟道电阻、外延层电阻•离子注入电阻•多晶硅电阻、MOS电阻氧化膜pnnP型扩散层（电阻）基区扩散电阻（Rs=100-200/)Rs为基区扩散的薄层电阻L、W为电阻器的长度和宽度sLRRW1.端头修正2.拐角修正因子3.横向扩散修正因子4.薄层电阻值Rs的修正小阻值电阻可采用胖短图形一般阻值电阻可采用瘦长图形对大阻值电阻可采用折叠图形12(2)0.55sjcLRRknkWxVCCLw]F[SdC导电层绝缘层氧化膜pN+平板型电容双极集成电路中的MOS电容器铝电极N-epiACAtCCAxoosXOMOSi02tox=100nm时，CA=3.45e-4pF/um230pF需约0.1mm2特点：1.单位面积电容值较小2.击穿电压BV较高（大于50V）隔离槽N＋BV＝EBtox绝缘层的击穿电场强度（5～10）×106V/cm1.简易TTL逻辑门2.四管单元TTL逻辑门3.五管单元TTL逻辑门VBEVBC饱和区反向工作区截止区正向工作区(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)CBEnpn正向工作区IBICIEIE=IB+IC反向工作区IBICIEIC=IB+IE饱和工作区CBEVCES截止区CBE简易TTL与非门ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2两管单元TTL与非门工作原理R1R2VCCB1ABC4K4K4K4K几个假设：1.发射极正向压降，当晶体管正向工作时，取VbeF=0.7V，而当晶体管饱和时，取VbeS=0.7V.2.集电结正向饱和压降，取VbcF=0.6~0.7V。3.晶体管饱和压降，当T1管深饱和时，因Ic几乎为零，取VceS＝0.1V，其余管子取VceS＝0.3V简易TTL与非门1.输入信号中至少有一个为低电平的情况R1R2VCCB1ABC1VVOL=0.3VVOL=0.3VVB1=VBE1+VOL=0.3V+0.7V=1VVB1被嵌位在1VIB1=(VCC-1V)/R1=5V-1V/4K=1mA4K4KIC1B2T2管截止,VOH=VCC-IOHR2输出高电平时电路供给负载门的电流0.4VIOHT2管的集电结反偏，Ic1很小，满足βIB1Ic1，T1管深饱和，VOCS1=0.1V，VB2=0.4V简易TTL与非门2.输入信号全为高电平R1R2VCCB1ABC1.4VVOH=5VVB1=VBC1+VBE2=0.7V+0.7V=1.4VVB1被嵌位在1.4V4K4KIC1B2VOH=5VT1管的发射结反偏,集电结正偏,工作在反向有源区,集电极电流是流出的,T2管的基极电流为:IB2=-IC1=IB1+IB1≈IB1（0.01)IB1=(VCC-VB1)/R1=5V-1.4V/4K=0.9mA∴IB2≈0.9mAT2管饱和，T2管的饱和电压VCES=0.3V∴VOL=0.3VABCR1R2VCCVOB1B2T1T20.7VT1管工作在反向放大区假设:ßF=20,ßR=0.02IB1=(VCC-VB1)/R1=5V-1.4V/4K=0.9mA-IE1=ßRIB1=0.02*0.9=0.018mA-IC1=(ßR+1)IB1=0.918=IB2假设T2管工作在正向放大区2220.9,20200.918BFCFBImAIImA在R2上产生的压降为18mA*4K=72V4K4K不成立有效低电平输出Vin输入低电平有效范围0VIL有效高电平输出Vout输入高电平有效范围VIHVDD过渡区VOHVOL噪声噪声幅值＋VOLVIL噪声幅值VIL-VOL高电平噪声噪声幅值＋VIHVOH噪声幅值VOH-VIH低电平NMH=VOH-VIHNMH=VOH-VIH高噪声容限低噪声容限两管单元TTL与非门的静态特性-负载能力...能够驱动多少个同类负载门正常工作NN扇出ABCR1R2VCCB1B2T1T24K4K1.求低电平输出时的扇出解：负载电流IC=NNIILVCCVOT1T24K4KVCCVOT1T24K4K。。。IILN个ICIILIIL=(VCC-VBES)/R1=(5V-0.7V)/4K≈1.1mA)()(2222ILNOLCCOLRCBINRVVSIISSIImAISKRRVBOL9.0,4,4,3.0,20221设：解得：NN≈3ABCR1R2VCCB1B2T1T24K4K2.求高电平输出时的扇出要求保证输出高电平≥3V解：负载电流IC=NNIIHVCCVOT1T24K4KVCCVOT1T24K4K。。。IIHN个ICIIHIIH=-IE=0.018mAVOH=VCC-ICR2≥3VNN=2522253535353270.0184CHIHHIHIRNINRIRmAK＝25ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2简易TTL与非门的缺点1.输入抗干扰能力小2.电路输出端负载能力弱3.IB2太小，导通延迟改善小四管单元与非门典型四管单元TTL与非门ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T3T51.T2管使电路低电平噪声容限VNML提高了一个结压降，因此电路抗干扰能力增强。2.T3、T5构成推挽输出（又称图腾柱输出），使电路负载能力增强。3.T5基极驱动电流增大，电路导通延迟得到改善。ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2电平移位作用R3R4180ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2两管单元TTL与非门电路抗干扰能力小电路输出端负载能力弱IB2小，导通延迟较大四管单元TTL与非门T2管的引入提高了抗干扰能力有源负载的引入提高了电路的负载能力ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T5ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T5电路导通时，T2、T5饱和VO=VOL这时，T2管的集电极和输出之间的电位差为：VC2-VO=VCES2+VBES5-VCES5≈VBES5=0.8VT5和D不能同时导通D起了电平移位的作用R5T3ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T5R5T3R1R2VCCVOB1B2T1T2T5R5T4ABT3T3、T4管构成达林顿管，T4管不会进入饱和区反向时T4管的基极有泄放电阻，使电路的平均延迟时间下降四管单元TTL与非门五管单元TTL与非门5管单元TTL与非门电路输入级由多发射极晶体管T1和基极电组R1组成，它实现了输入变量A、B、C的与运算输出级：由T3、T4、T5和R4、R5组成其中T3、T4构成复合管，与T5组成推拉式输出结构。具有较强的负载能力中间级是放大级，由T2、R2和R3组成，T2的集电极C2和发射极E2可以分提供两个相位相反的电压信号TTL与非门工作原理输入端至少有一个接低电平0.3V3.6V3.6V1V3.6VT1管:A端发射结导通，Vb1=VA+Vbe1=1V，其它发射结均因反偏而截止.be4be3C2OHVVVV5-0.7-0.7=3.6VVb1=1V,所以T2、T5截止,VC2≈Vcc=5V,T3：微饱和状态。T4：放大状态。电路输出高电平为：5V输入端全为高电平3.6V3.6V2.1V0.3VT1:Vb1=Vbc1+Vbe2+Vbe5=0.7V×3=2.1V因此输出为逻辑低电平VOL=0.3V3.6V发射结反偏而集电极正偏.处于反向放大状态T2：饱和状态T3：Vc2=Vces2+Vbe5≈1V，使T3导通，Ve3=Vc2-Vbe3=1-0.7≈0.3V，使T4截止。T5：饱和状态，TTL与非门工作原理TTL与非门工作速度存在问题：TTL门电路工作速度相对于MOS较快，但由于当输出为低电平时T5工作在深度饱和状态，当输出由低转为高电平，由于在基区和集电区有存储电荷不能马上消散，而影