复习半导体物理

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1、MOS晶体管的动作晶体管的动作 MOS晶体管实质上是一种使晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的电流时而流过，时而切断的n+n+P型硅基板型硅基板栅极（金属）栅极（金属）绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VG=0VS=0VD=0栅极电压为零时，存储在栅极电压为零时，存储在源漏极中的电子互相隔离源漏极中的电子互相隔离VGS0时，沟道出现耗尽区，时，沟道出现耗尽区， 至至VGS VTH时，沟道反型，时，沟道反型，形成了连接源漏的通路。形成了连接源漏的通路。+ + + + + + + +VGVD电流电流SVDS较小时，沟道中

2、任何一处电压的栅沟道电压都大于较小时，沟道中任何一处电压的栅沟道电压都大于阈值电压，随着阈值电压，随着VDS的增大，电场强度增大，电子漂移速的增大，电场强度增大，电子漂移速度增大，因此电流随着度增大，因此电流随着VDS的增大而增大。的增大而增大。（线性区，（线性区，非饱和区）非饱和区）随着随着VDS进一步增大至进一步增大至VDS=VGS-VTH(即即VGD0)，集电结反偏（，集电结反偏（VBC0)，集电结也正偏（，集电结也正偏（VBC0)时时(但注意，但注意，VCE仍仍大于大于0)，为，为饱和工作区饱和工作区。NNPECB1. 发射结正偏，向基区注入电子，集电结也正偏，也向发射结正偏，向基区注

3、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。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，即不再存在象正向工作区一样的电流放大作用，即 不再成立。不再成立。3. 对应饱和条件的对应饱和条件的VCE值，称为饱和电压值，称为饱和电压VCES，其值约为，其值约为0.3V，深饱和时，深饱和时VCES达达0.10.2V。 bcII当当VBC0 ， VBE0时时，为反向

4、工作区。工作，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，的掺杂浓度低，因此其发射效率低，很小（约很小（约0.02）。）。当发射结反偏（当发射结反偏（VBE0),集电结也反偏（集电结也反偏（VBC0)时，为截止区。时，为截止区。RNNPECB反向工作区反向工作区集成双极晶体管的有源寄生效应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双极晶体管的四种工作状态VBEVBC饱和区饱和区反向工作区反向工作区截止区截止区正向工作区正向工作区( (正偏正偏) )( (反偏反

5、偏) )( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V3双极集成电路等效电路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)等效电路等效电路隐埋层作用：隐埋层作用：1. 减小寄生减小寄生pnp管的影响管的影响 2. 减小集电极串联电阻减小集电极串联电阻衬底接最低电位衬底接最低电位VBEVBC饱和区饱和区反向工作区反向工作区截止区截止区正向工作区正向工作区( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )集成双极晶体管的有源寄生效应集成双极晶体管的有

6、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管工作于正向工作区和截止区的情况VBC0npn管管VEB_pnp0VS=0VCB_pnp0VS=0VCB_pnp0npn管管VBE0VS=0VCB_pnp0npn管管饱和工作区饱和工作区VBE0集成双极晶体管的有源寄生效应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管工作于饱和工作区的情况正向工作区正向工作区寄生晶体管对电路产生影响寄生晶体管对电路产生影响VBEVBC饱和区饱和区反向工作区反向工作区截止区截止区正向工作区正向工作区( (正

7、偏正偏) )( (反偏反偏) )( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )常用集成电阻器常用集成电阻器 基区扩散电阻基区扩散电阻 发射区扩散电阻、埋层扩散电阻发射区扩散电阻、埋层扩散电阻 基区沟道电阻基区沟道电阻、外延层电阻、外延层电阻 离子注入电阻离子注入电阻 多晶硅电阻多晶硅电阻、MOS电阻电阻氧化膜氧化膜pnnP型扩散层型扩散层（电阻）（电阻）基区扩散电阻基区扩散电阻（Rs=100-200 / ) Rs为基区扩散的薄层电阻为基区扩散的薄层电阻L、W为电阻器的长度和宽度为电阻器的长度和宽度sLRRW1. 端头修正端头修正2. 拐角修正因子拐角修正因子3. 横向扩散修正因子横向扩散修正因子4.

8、 薄层电阻值薄层电阻值Rs的修正的修正小阻值电阻可采用胖短图形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对大阻值电阻可采用折叠图形12(2)0.55sjcLRRknkWxVCCLw导电层导电层绝缘层绝缘层氧化膜氧化膜pN+平板型电容平板型电容双极集成电路中的双极集成电路中的MOS电容器电容器铝电极铝电极N-epiACAtCCAxoosXOMOSi02tox=100nm时，CA=3.45e-4pF/um230pF需约0.1mm2特点：特点：1. 单位面积电容值较小单位面积电容值较小2. 击穿电压击穿电压BV较高（大于较高（大于50V）隔

9、离隔离槽槽NBVEBtox绝缘层的击穿电场强度（绝缘层的击穿电场强度（510）106V/cmVBEVBC饱和区饱和区反向工作区反向工作区截止区截止区正向工作区正向工作区( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )CBEnpnIBICIEIE=IB+ICIBICIEIC=IB+IECBEVCESCBE简易简易TTL与非门与非门ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2 两管单元两管单元TTL与非门工作原理与非门工作原理R1R2VCCB1ABC4K4K4K4K几个假设：几个假设：1.发射极正向压降，当晶体管正向工作时，取发射极正向压降，当晶体管正向工作时，取Vbe

10、F=0.7V，而当晶体管饱和时，而当晶体管饱和时， 取取VbeS=0.7V.2.集电结正向饱和压降，取集电结正向饱和压降，取VbcF=0.60.7V。3.晶体管饱和压降，当晶体管饱和压降，当T1管深饱和时，因管深饱和时，因Ic几乎为零，取几乎为零，取VceS0.1V，其余管子取，其余管子取 VceS0.3V简易简易TTL与非门与非门1. 1. 输入信号中至少有一个为低电平的情况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被嵌位在被嵌位在1VIB1=(VCC-1V)/R1 =5V-1V

11、/4K=1mA4K4KIC1B2T2管截止管截止,VOH=VCC-IOHR2输出高电平时电路供给负载门的电流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，管的集电结反偏，Ic1很小，很小，满足满足IB1 Ic1，T1管深饱和，管深饱和，VOCS1=0.1V，VB2=0.4V简易简易TTL与非门与非门2. 2. 输入信号全为高电平输入信号全为高电平R1R2VCCB1ABC1.4VVOH=5VVB1 =VBC1+VBE2 =0.7V+0.7V =1.4VVB1被嵌位在被嵌位在1.4V4K4KIC1B2VOH=5VT1T1管的发射结反偏管的发射结反偏, ,集电结正偏集电结正偏,