复旦大学微电子882半导体器件原理完整版
复旦大学微电子专业专用集成电路内部电子版教程
Language) – VHDL
• VHDL描述能力强，覆盖面广，可用于多种层次 的电路描述， • VHDL的硬件描述与工艺技术无关，· 不会因工艺 变化而使描述无效。 • VHDL支持设计再利用(Reuse)方法，支持超大规 模集成电路设计的分解和组合。 • 可读性好，易于理解,国际标准,具备通用性。
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第二章ASIC设计流程和方法
– Verilog HDL
• 能用于行为描述和结构描述，电路描述同时可以 包含不同层次，且能和混合模式的模型一起进行 模拟 • Verilog使用四值逻辑，即0，l，X和Z，· 其中“X” 为不定态，Z为悬空态 • 使用的基本数据类型是 "与"和 "寄存器"。
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第一章 专用集成电路概述
– 专用标准电路ASSP(Application-Specific Standard Products)
• Modem 芯片, DVD decoder , VCD decoder, audio DAC, Motor Servo DSP 等
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第二章ASIC设计流程和方法
– 2.23结构描述
• • • • RTL (register Transfer Level) 级 门级(Gate Level) 开关级(Switch Level) 电路级(Circuit Level)
复旦大学(微电子)半导体器件第八章MOSFET-37页PPT精品文档
体电荷效
• 前面给出MOSFET特性公式：
ID S C ox n W L V G S V T V D S 1 2 V D 2 S
在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和 源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以 后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。
3o 体电荷效应； 4o 沟道长度调制效应； 5o 源漏串联电阻寄生效应； 6o 亚阈值效应； 7o 衬偏效应； 8o 短沟道效应。 9o CMOS闭锁效应；
亚阈值效应
• 回忆我们前面假设表面呈现强反型时MOSFET沟道开 始形成，源、漏之间开始导通。
• 实际上MOSFET源、漏之间加上电压以后，源端PN结 处于正向，就会有非平衡载流子注入，漏端PN结就会 收集到注入的非平衡载流子，同时还有反向的产生电 流（包括表面态的产生电流），所以在强反型之前源、 漏之间就会有电流，这就称为亚阈值电流。
减小 Overlap，降低寄生电容，可采用自对准多晶硅栅工艺。
MOSFET 的开关特性
+VDD
v (t)
vGS (t)
RD
VT
+
vDS (t)
+ vGS(t)
C vDS(t)
90%
10%
t
0 ton
toff
MOS 倒相器开关特性：
IDS
Ioff 0（亚阈值电流）； Von 0（导通有电阻）；
四种 MOSFET 的输出特性
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
沟道长度调制效应
• 沟道长度调制效应使输出特性的饱和区发生倾 斜。
复旦大学(微电子)半导体器件第二章平衡载流子
E EF kBT
dE
2
2 me*kT
h3
3/ 2
exp
EC EF kBT
Nc 2
2 me*kBT
h3
3/ 2
n0
Nc
exp
Ec EF kBT
电子－空穴浓度积
• 按相同的方法可以得到空穴浓度：
p0
NV
• 载流子浓度随温度变化的三个主要特征区域的表达式； • 从载流子随温度变化的曲线可以求得杂质电离能、杂
质浓度和禁带宽度；
• 高载流子浓度效应。
习题
• 从原理上说明：为什么在能带中载流子浓度低的情况 下波兹曼分布和费米分布在形式上相同？所谓浓度低 的含义是什么？
• 写出计算载流子浓度和费米能级位置需要的公式。这 些公式在什么情况下适用？
N型半导体中热平衡电子浓度随温度变化
• 右边是单一浅施主低掺杂半导 体中热平衡电子浓度随温度变 化的示意图。弱电离区、饱和 电离区和本征激发区的导带电 子主要来源分别是施主逐步电 离、施主接近全电离和本征激 发。
• 虚线是本征载流子浓度，只在 本征激发区才显示出和电子浓 度可比拟的量。
• 饱和电离区是晶体管和集成电 路正常工作的温度范围。
1
EF E kBT
1
费米分布函数和玻尔兹曼分布函数
• 处于费米能级相同位置的能量状态 上，电子占有的几率是1/2,费米能级
表示电子的平均填充水平。
E
EF：fe
fh
1 2
• 玻尔兹曼分布函数（一个量子态可 以同时被多个电子占有）
fe Aexp E kT
复旦大学(微电子)半导体器件第五章PN结
第五章结•平衡态PN结；•PN结的伏安特性；•PN结的电容；•PN结的击穿特性；•PN结二极管的开关特性；•金-半肖特基接触和欧姆接触；•异质结：半导体器件的基本结构－PN结、金半结和异质结PN结空间电荷区•由于PN结两边载流子浓度不同造成载流子扩散运动，载流子扩散的结果在结附近出现了空间电荷区，该区域内电离施主和受主杂质的浓度远大于载流子浓度，有电离杂质产生的自建电场，阻止载流子进一步扩散。
•在空间电荷的区内有载流子的漂移流和扩散流，平衡情况下净电流为零。
平衡PN结能带图•空间电荷区内部各点不是电中性，但是整个空间电荷区正负电荷相等；•空间电荷区的电场使PN结两边出现电势差；•热平衡情况下费米能级保持水平；•空间电荷区以外均匀掺杂，是电中性区。
在该区域：导带、价带和费米能级之间的相对位置保持原样。
注意：P区电子的势能高于N区，空穴的势能正好相反，电势N区高于P。
⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=T k qV p p B D p n exp 00⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=T k qV n n B D n p exp 000exp F V V B E E p N k T ⎛⎞−=−⎜⎟⎝⎠0exp C F C B E E n N k T ⎛⎞−=−⎜⎟⎝⎠2l n B D ADik T N NVq n =正向电压下的窄势垒模型•势垒区（空间电荷区）很窄，势垒区两边边界处电子准费米能级保持水平；•势垒区以外的非平衡载流子扩散复合区由于非平衡载流子复合减少逐步趋于平衡，准费米能级趋向平衡费米能级。
该区域内非平衡少数载流子准费米能级变化大而非平衡多数载流子准费米能级变化很小。
从何入手计算伏安特性•假设理想情况包括：低掺杂的突变结、忽略势垒区复合、外加电压全部加在势垒区、小注入。
•因为外电压全部加在势垒区，所以选择势垒区边界计算电流。
•势垒边界的少子和多子都有扩散流和漂移流，非平衡少数载流子的漂移流非常小可以忽略。
•在忽略势垒区复合的情况下，势垒两边的非平衡少数载流子的扩散电流相加就是总电流。
复旦大学半导体器件原理讲义L04-小尺寸MOSFET的特性
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应15
4.1.5 漏感应势垒降低
2. 原因 (1) 电荷分享
18/74
2ε s (Vbi + VBS ) yS = qN A 2ε s (Vbi + VDS + VBS ) yD = qN A
⎧ x ⎡⎛ 2 y ⎞1 / 2 ⎤ Q ⎪ = 1 − ⎨ j ⎢⎜1 + S ⎟ − 1⎥ F= 2 L ⎢⎜ QB xj ⎟ ⎥ ⎪ ⎣⎝ ⎠ ⎦ ⎩ ⎡⎛ 2 y ⎞1 / 2 ⎤ ⎫ xj ⎪ + ⎢⎜1 + D ⎟ − 1⎥ ⎬ 2 L ⎢⎜ xj ⎟ ⎥⎪ ⎠ ⎣⎝ ⎦⎭ 1 yS + yD ≡ 1−α L 2
' B
ΔVT =
α ( y S + y D ) qε s N A (VB + 0.5VBS )
LCox
F↓ VT ↓
VDS ↑
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应16
4.1.5 漏感应势垒降低
2. 原因 (2) 电势的二维分布
19/74
导带边 Ec
特征长度
l=
ε s d max tox ηε ox
4.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构
1. 最大漏电场 Eymax 饱和时
1 E y max = (VDS − VDSsat ) 0.22tox/ 3 x1j / 3 tox 和 xj 均以 cm 为单位
27/74
tox ↑ 降低 Eymax 措施
xj ↑
VDS ↓ VDD ↓ 新型漏结构 ⎯⎯ Graded pn junction
表面势
ΔVT =
sinh ( y l ) sinh[(L − y ) l ] Vs ( y ) = VsL + (Vbi + VDS − VsL ) + (Vbi − VsL ) sinh (L l ) sinh (L l ) [2(Vbi − 2VB ) + VDS ][exp(− L 2l ) + 2 exp(− L l )] VDS 很小
复旦大学2019年全国硕士研究生招生考试882半导体器件原理考试大纲
3.3MOSFET 的直流特性 3.3.1MOSFET 非平衡时的能带图 3.3.2IDS~VDS 的关系 3.3.2.1 缓变沟道近似(GCA) 3.3.2.2 可调电阻区(线性区) 3.3.2.3 饱和区 3.3.3MOSFET 的亚阈值特性 3.3.3.1 亚阈值现象 3.3.3.2 亚阈值区的扩散电流 3.3.3.3 亚阈摆幅 3.3.4 MOSFET 直流参数 3.3.4.1 输出特性和转移特性 3.3.4.2 直流参数 3.3.4.3 低频小信号参数 3.3.5 MOSFET 的二级效应 3.3.5.1 非常数表面迁移率效应 3.3.5.1.1 栅电场影响(Ex) 3.3.5.1.2 漏电场 Ey 影响（载流子速度饱和效应） 3.3.5.1.3 对 gm 的影响 3.3.5.2 体电荷变化效应 3.3.5.3 非零漏电导 3.3.5.3.1 沟道长度调制效应 3.3.5.3.2 漏电场静电反馈效应 3.3.5.4 源漏串联电阻对 gD 和 gm 的影响 3.3.5.5GIDL 3.3.6 击穿特性 3.3.6.1 源漏击穿 3.3.6.1.1 漏-衬底 pn 结雪崩击穿(BVDS) 3.3.6.1.2 沟道雪崩击穿 3.3.6.1.3 漏源势垒穿通 3.3.6.2 栅击穿 3.4MOSFET 的频率特性 3.4.1 交流小信号等效电路 3.4.1.1MOSFET 的电容 3.4.1.2 计算分布电容 CGS 和 CGD 3.4.1.3 等效电路 3.4.2 高频特性 3.4.2.1 跨导截止频率 3.4.2.2 截止频率(最高振荡频率)fT 3.4.2.3 沟道渡越时间 3.4.2.4 提高 fT 的途径 3.5MOSFET 的开关特性 3.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器 3.5.1.1MOS 倒相器的开关作用
复旦大学(微电子)半导体器件第二章平衡载流子-PPT课件
载流子按能量分布
• 载流子按能量分布 =分布几率和状态密度的乘 积 • 右图中体积为V的半导体 能量为E的电子的状态密度 是 g( E ) V N E
c c
4 2 m c e NE c 3 h
3 / 2
E E c
1 / 2
注意：能带图向上电子的能量高，向下空穴的能量高。
* e
3 /2
3 h
2 mk T N 2
* e B c
C
kT B
F
3/2
3 h E c E F n x p 0 N ce k T B
电子－空穴浓度积
• 按相同的方法可以得到空穴浓度：
E F E V p x p 0 N Ve k T B
• 导带的电子浓度=导带中某能量状态密度(单位体积的状态数）和 该状态电子的分布几率的乘积在整个导带的总和。 3 / 2 4 2 m 1 / 2 c e • 导带中某能量E的电子的状态密度为 NE E E c c 3 h • 费米分布函数：在热平衡情况下，考虑到一个量子态最多只能被 一个电子占有，能量为E的单量子态被电子占有的几率为： 1 fe E E EF k 是 玻 尔 兹 曼 常 数 B exp 1
E g ( e VG ) ： e ( 0 . 6 6 ) 、 S i ( 1 . 1 2 ) 、 G a A s ( 1 . 4 2 )
3 1 3 1 0 6 n c m ： G e ( 2 1 0 ) 、 S i ( 1 . 5 1 0 ) 、 G a A s ( 2 1 0 ) i
虽然计算时是导带 所有能量电子的总和，但是结果在形式上可以看作所有 电子集中在导带底部，前面一项是有效状态密度，后 面一项是玻尔兹曼分布函数。 • 空穴也是如此 E F E V p x p 0 N Ve k T B
复旦大学(微电子)半导体器件第二章平衡载流子
集半导体物理、器件和工艺导论（第一部分）半导体物理和半导体器件物理•复旦大学微电子研究院•包宗明•Baozm@第二章平衡载流子的统计分布•载流子的分布函数•电子浓度和空穴浓度•本征半导体的载流子浓度•单一浅施主和浅受主低掺杂半导体的载流子浓度•载流子浓度和温度的关系•杂质补偿•高载流子浓度效应•哪些因素决定半导体的导电类型？•哪些因素会影响半导体中的电子浓度和空穴浓度？费米分布函数和玻尔兹曼分布函数•处于费米能级相同位置的能量状态上，电子占有的几率是1/2,费米能级表示电子的平均填充水平。
•玻尔兹曼分布函数（一个量子态可以同时被多个电子占有）12F e h E E f f ===：()exp e f A E kT =−1()exp exp 1exp F F e FE E kT E E f E E E kT kT kT−⎛⎞⎛⎞=≈−⎜⎟⎜⎟−⎛⎞⎝⎠⎝⎠+⎜⎟⎝⎠时费米分布近似于玻尔兹曼分布以上结果成立的条件•我们用的是热平衡态统计理论，所以只在热平衡时成立。
•考虑到一个量子态只能被一个电子占有时要用费米分布函数，如果不限定一个量子态上占有的电子数就可以用波兹曼分布函数。
显然当电子数远远少于状态数时该限制没有实际意义，这时两者可以通用。
•在计算导带电子和价带空穴时用玻尔兹曼分布近似，所得结果只在载流子浓度很低（状态填充率低）时成立。
N型半导体中热平衡电子浓度随温度变化•右边是单一浅施主低掺杂半导体中热平衡电子浓度随温度变化的示意图。
弱电离区、饱和电离区和本征激发区的导带电子主要来源分别是施主逐步电离、施主接近全电离和本征激发。
•虚线是本征载流子浓度，只在本征激发区才显示出和电子浓度可比拟的量。
•饱和电离区是晶体管和集成电路正常工作的温度范围。
杂质补偿•电中性条件：•饱和电离区：•在施主浓度大于受主的情况下，施主能级上的电子首先要填充受主能级。
AADDpNnnNp−+=−+00D An p N N=+−重掺杂效应•杂质浓度和有效状态密度接近就必须考虑一个量子态只允许被一个电子占有，这时杂质能级和导带中的电子不能用玻尔兹曼分布函数作近似，必须用费米分布函数。
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一．选择题１５＊６
１。
p＋－n结耗尽层宽度主要取决于：B
Ａ：p＋区浓度Ｂ：n区的浓度Ｃ：p＋区和n区的浓度
２。
二极管正向阈值电压Ｖf：b
Ａ：随温度升高而升高Ｂ：随温度升高而下降Ｃ：不随温度变化
３。
p－n结隧穿电压比雪崩击穿电压：B
Ａ：来得大Ｂ：来得小Ｃ：在同一数量级上
４。
双极型晶体管共基极连接：
Ａ：只有电流放大作用Ｂ：既有电流放大作用又有电压放大作用Ｃ：无电流放大有电压放
大
５。
晶体管基区运输系数主要决定于：c
Ａ：基区浓度Ｂ：基区电阻率和基区少子寿命Ｃ：基区宽度和基区少子扩散长度
６。
npn平面晶体管发射效率与发射区浓度关系；C
Ａ：发射区浓度越高发射效率越高Ｂ：发射区电阻率越高发射率越高Ｃ：发射区浓度
不能太高否则发射率反而下降
７。
电子迁移率等于１５００，４００Ｋ温度下其扩散系数为：B
Ａ：３９Ｂ：５２Ｃ：７０
８。
题目给出mos结构的Ｑsc～ψs关系图，要求判断其衬底是什么型（n型，p 型，中性）
９．理想的mos结构Ｃ～Ｖ关系图与实际的Ｃ～Ｖ关系图的差别是：
Ａ：只有p型时，向负方向平移一段距离Ｂ：n型时向正方向平移一段距离Ｃ：向负方
向平移一段距离，与类型无关
１０．mos管＂缓变沟道近似＂是指：
Ａ：垂直与沟道方向电场和沿沟道方向电场变化很慢Ｂ：沿沟道方向的电场变化很慢
Ｃ：沿沟道方向的电场很小
１１．mos工作时的沟道夹断点电压Ｖdsat：
Ａ：与栅电压Ｖgs无关Ｂ：在长沟道与短沟道是不同Ｃ：始终等于Ｖgs－Ｖt
１２．nos管体电荷变化效应是指；
Ａ：衬源偏压Ｖbs对阈值电压Ｖt的影响Ｂ：沟道耗尽层受栅压Ｖgs影响而对电流Ｉds影
响Ｃ：沟道耗尽层受栅压漏源电压Ｖds影响而对电流Ｉds影响
１３．mos亚阈值电流的主要特征：
具体选项没记下，主要是电流随Ｖgs指数变化，当Ｖds大于３ＫＴ／q时电流与Ｖds关系不
大
１４．nos管短沟道效应是指：
选项没有记下
１５．控制cmos倒相管latch－up最有效的方法：
Ａ：提高沟道电场Ｂ：等比率缩小器件Ｃ：增大衬底电阻
二．名词解析５＊６
１．试说明迁移率的定义是什么？其量纲是什么？
２．试说明mos管沟道长度调变效应及其影响
３．试说明mos管有放大作用的基本原理
４．试说明mos管的频率特性和其基本参数的关系
５．试说明如何降低n沟道mos集成倒相器静态工作时的功耗
三．计算题１＊３０
有一个n沟道mos场效应管，衬底浓度Ｎa＝１０＾１７（cm＾－３），氧化层厚度Ｔox＝５
０nm，氧化层中正电荷密度Ｎss＝１０＾１０（cm＾－２），金属ＡＬ的功函数Ｗm＝４．
２ev，硅的电子亲和势为４．０５ev．试求该管的阈值电压Ｖt，它是什么型？在Ｖg＝３
v，Ｖds＝２v时，它工作在什么区？（注：其他的所有常数都没有给出）
器件题目：
一单项选择题5'*12
（部分选项可能与实题有出入）
1.在P正-N结中耗尽层的宽度取决于
A.Na
B.Nd
C.Na和Nd
2.在二极管中，正向阈值电压Vf和温度的关系是
A.Vf随温度升高而上升
B.Vf随温度升高而下降
C.Vf不随温度变化
3.二极管中的隧道击穿电压和齐纳击穿电压相比
A.隧道击穿电压高
B.齐纳击穿电压高
C.两个击穿电压在一个数量级之上
4.P正-N结中，势垒电容的大小取决于a
A.Na
B.Nd
C.Na和Nd
5.双极型p-n-p晶体管中，发射区掺杂浓度和发射效率的关系是
A.掺杂浓度越高，发射效率越高
B.掺杂浓度和发射效率没有关系
C.掺杂浓度并非越高越好，过高反而会降低发射效率
6.在双极型晶体管中，使用Ge-Si基区的目的是（选项记不清了）
A.提高发射效率并且降低基区电阻
B.提高基区输运系数
C.仅仅为了提高发射效率
7.在双极型晶体管中，基区输运系数与什么有关
A.发射区掺杂浓度
B.基区宽度和少子扩散长度
C.基区掺杂浓度和少子分布
8.在漂移基区晶体管中，基区内建电场与什么因素关系最大
A.少子浓度分布
B.掺杂浓度
C.基区宽度
9.在N沟道耗尽型MOS管中，何时沟道会消失
A.Vg<Vt
B.Vg>Vt
C.Vg>0
10.MOS管的沟道电流与以下那些因素有关
（选项记不清了，知道公式就能选对）
11.MOS管的阈值电压与以下那些因素有关
（同上）
12.MOS管的短沟道效应会导致以下什么的发生
A.沟道电流和阈值电压都增大
B.沟道电流增大
C.阈值电压增大
二计算题30'*3
1.根据以下四个MOS电容中直流电荷的分布图，判断1)衬底类型2)MOS电容工作在什么区
3)画出MOS表面能带图
（四个图为半物课本MOS结构中的那几张，因为我现在手里没有半物书，具体是否一一对
应暂时不明）
2.已知IDSS＝10^-4A,VDSAT=4V,Vt=0.8V
1)求VGS
2)若VGS=2V,VDS=2V,求IDS
3)若VGS=3V,VDS=1V,再求IDS
3.已知在CMOS集成倒相器中，tox＝50nm,p-sub衬底浓度为
4.5*10^16,
Nss=2*10^10(这个
数量级记不清了)，Al的功函数为4.2V，p阱的注入浓度为3*10^17,Vdd＝3V
求倒相管和负载管的阈值电压。