第14章半导体器件概要
第14章 存储器与可编程逻辑器件
第14章存储器与可编程逻辑器件本章将主要介绍各种半导体存储器的功能﹑组成及其工作原理。
内容有存储器的概念，随机和只读存储器的功能、结构与应用，可编程逻辑器件的结构、工作原理、功能与应用。
14.1 半导体存储器概述半导体存储器是一种能存储大量信息的器件，它是由许多存储单元组成的。
每个存储单元都有唯一的地址代码加以区分，而且能存储一位（或一组）二进制信息，半导体存储器是目前应用最广泛的存储器件。
14.1.1 存储器的技术指标存储容量、存取时间是存储器的两个主要技术指标。
1. 存储容量存储容量表示存储器存放二进制单元的多少，一般来说，存储容量就是存储单元的总数，一组二进制信息称为一个字，而一个字由若干位(Bit)组成，若一个存储器由N个字组成，每个字为M位，则存储器的容量为N×M，单位是二进制的位。
例如一个存储单元有1K字，每个字的字长是4位，则该存储器的容量是4096位二进制单元。
存储容量越大越好，目前动态存储器的容量已经达到109位/片。
2. 存取周期存储器的性能基本上取决于从存储器读出信息和把信息写入存储器的速率。
存储器的存取速度用存取周期或读写周期来表征，把连续两次读（写）操作间隔的最短时间称为存取周期。
存取周期越短越好，目前高速随机存储器的存取周期仅10ns左右。
14.1.2 半导体存储器的分类半导体存储器的种类很多，从信息的存取情况来看，半导体存储器可分为随机存储器和只读存储器两大类。
随机存储器在正常工作状态下可以随机地向存储器任意存储单元写入数据或从任意存储单元读出数据，其英文名称为：Random Access Memory，缩写为RAM。
在断电后，RAM 中的信息会丢失。
只读存储器在正常工作时，存储器中的数据只能读出，不能写入。
只读存储器的英文名称为：Read Only Memory，缩写为ROM。
在断电后，ROM中的信息不会丢失。
从电路的器件构成情况来看，半导体存储器可分为双极型和MOS型两大类。
《半导体器件与工艺》课件
晶圆制备
切割
将大块单晶硅切割成小片，得到晶圆。
研磨
对晶圆表面进行研磨，以降低表面粗糙度。
抛光
通过化学和机械作用对晶圆表面进行抛光，使其 表面更加光滑。
薄膜沉积
物理气相沉积
通过物理方法将材料气化并沉积在晶圆表面，如真空 蒸发镀膜。
化学气相沉积
通过化学反应将材料沉积在晶圆表面，如金属有机化 学气相沉积。
有巨大的应用潜力。
制程技术进步
纳米尺度加工
随着制程技术的不断进步，半导体器件的特征尺寸不断缩小，目前已进入纳米尺度。纳米 尺度加工技术面临着诸多挑战，如表面效应、量子效应和隧穿效应等，需要不断探索新的 加工方法和材料体系。
异质集成技术
通过将不同材料、结构和工艺集成在同一芯片上，可以实现高性能、多功能和低成本的半 导体器件。异质集成技术需要解决材料之间的界面问题、应力问题和工艺兼容性问题等。
可靠性试验
对芯片进行各种环境条件下的可靠性试验，如温度循环、湿度、振动等。
失效分析
对失效的芯片进行失效分析，找出失效原因，以提高芯片的可靠性。
05 半导体工艺发展趋势与挑 战
新型材料的应用
01
硅基材料
作为传统的半导体材料，硅基材料在集成电路制造中仍占据主导地位。
随着技术的不断发展，硅基材料的纯度、结晶度和性能不断提升，为半
柔性电子技术
柔性电子技术是将电子器件制作在柔性基材上的技术，具有可弯曲、可折叠、可穿戴等优 点。柔性电子技术在智能终端、可穿戴设备、医疗健康等领域具有广泛的应用前景。
可靠性及成品率问题
可靠性问题
随着半导体器件的特征尺寸不断缩小，可靠 性问题日益突出。需要加强可靠性研究，建 立完善的可靠性评价体系，提高半导体器件 的长期稳定性。
半导体器件基础要点课件
05 半导体器件应用与展望
半导体器件在电子设备中的应用
集成电路
01
半导体器件是集成电路的基础组成部分，用于实现各种逻辑功
能和电路控制。
数字逻辑门
02
半导体器件可以构成各种数字逻辑门，如与门、或门、非门等
，用于实现数字信号的处理和运算。
微处理器和存储器
03
微处理器和存储器是半导体器件的重要应用领域，用于实现计
详细描述
半导体器件可以分为分立器件和集成电路两大类。分立器件 包括二极管、晶体管等，它们主要用于信号放大、转换和控 制。集成电路是将多个器件集成到一个芯片上，实现更复杂 的功能，如运算、存储和处理等。
半导体器件的发展历程
总结词
半导体器件的发展经历了三个阶段，即晶体管的发明、集成电路的诞生和微电子技术的 飞速发展。
包括热导率、热膨胀系数等参数，影 响半导体的散热性能和可靠性。
光学性能
包括能带隙、光吸收系数、光电导率 等参数，影响半导体的光电转换性能 。
03 半导体器件工作原理
PN结的形成与特性
PN结的形成
在半导体中，通过掺杂形成P型和N型半导体，当P型和N型半导体接触时，由 于多数载流子的扩散作用，在接触面形成一个阻挡层，即PN结。
硅基MEMS器件的特点与优势
高度集成
硅基MEMS器件可以在微米尺 度上实现复杂的功能，具有极
高的集成度。
长寿命
硅基材料具有优异的机械性能 和化学稳定性，使得硅基 MEMS器件具有较长的使用寿 命。
低功耗
硅基MEMS器件的功耗较低， 适用于对能源效率要求较高的 应用场景。
可靠性高
硅基MEMS器件的结构简单， 可靠性高，不易出现故障。
《半导体器件》PPT课件
b
+
D1
RL uO
D2
_
输出 波形
1.3.3 限幅电路
+ –
R
D1
D2
++
A Ri
––
工作原理
a. 当ui较小使二极管D1 、D1截止时
电路正常放大
b. 当ui 较大使二极管D1 或D1导通时
+ –
输入电压波形
ui
R
D1
D2
++
A Ri
––
0 t
R
+
D1
D2
++
A Ri
–
––
输出端电压波形
ui
因此，理想二极管正偏时，可视为短路线；反偏 时，可视为开路。
在分析整流，限幅和电平选择时，都可以把二极 管理想化。
1.3 半导体二极管的应用
1.3.1 在整流电路中的应用
整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电
路。
整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不 是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上 称单向脉动性直流电压。
1.2 半导体二极管
二
1.2.1 半导体二极管的结构和类
极
型
外壳
引线 阳极引线
管
铝合金小球
就
是
PN结
一
N型锗片
触丝
个
N型硅
金锑合金
封
底座
装
的
阴极引线
PN
结
点接触型
平面型
半导体二极管的外型和符号
正极
半导体器件物理PPT课件
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
30
●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
27
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
杂质来源
一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；
半导体器件物理 教案 课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体简介1.1 半导体的定义与特性1.2 半导体材料的分类与应用1.3 半导体的导电机制第二章：PN结与二极管2.1 PN结的形成与特性2.2 二极管的结构与工作原理2.3 二极管的应用电路第三章：晶体三极管3.1 晶体三极管的结构与类型3.2 晶体三极管的工作原理3.3 晶体三极管的特性参数与测试第四章：场效应晶体管4.1 场效应晶体管的结构与类型4.2 场效应晶体管的工作原理4.3 场效应晶体管的特性参数与测试第五章：集成电路5.1 集成电路的基本概念与分类5.2 集成电路的制造工艺5.3 常见集成电路的应用与实例分析第六章：半导体器件的测量与测试6.1 半导体器件测量基础6.2 半导体器件的主要测试方法6.3 测试仪器与测试电路第七章：晶体二极管的应用7.1 二极管整流电路7.2 二极管滤波电路7.3 二极管稳压电路第八章：晶体三极管放大电路8.1 放大电路的基本概念8.2 晶体三极管放大电路的设计与分析8.3 晶体三极管放大电路的应用实例第九章：场效应晶体管放大电路9.1 场效应晶体管放大电路的基本概念9.2 场效应晶体管放大电路的设计与分析9.3 场效应晶体管放大电路的应用实例第十章：集成电路的封装与可靠性10.1 集成电路封装技术的发展10.2 常见集成电路封装形式与特点10.3 集成电路的可靠性分析与提高方法第十一章：数字逻辑电路基础11.1 数字逻辑电路的基本概念11.2 逻辑门电路及其功能11.3 逻辑代数与逻辑函数第十二章：晶体三极管数字放大器12.1 数字放大器的基本概念12.2 晶体三极管数字放大器的设计与分析12.3 数字放大器的应用实例第十三章：集成电路数字逻辑家族13.1 数字逻辑集成电路的基本概念13.2 常用的数字逻辑集成电路13.3 数字逻辑集成电路的应用实例第十四章：半导体存储器14.1 存储器的基本概念与分类14.2 随机存取存储器（RAM）14.3 只读存储器（ROM）与固态硬盘（SSD）第十五章：半导体器件物理在现代技术中的应用15.1 半导体器件在微电子技术中的应用15.2 半导体器件在光电子技术中的应用15.3 半导体器件在新能源技术中的应用重点和难点解析重点：1. 半导体的定义、特性及其导电机制。
(完整版)半导体器件ppt
器件. 14
2020年2月11日7时38分
电阻工作区
• 假设VGS > VT ，并在漏区和源区之间加上一个小电压VDS
S
VGS
G
VDS
D ID
n+ - V(x) + n+
x
B
ID
k'n
W L
VGS
VT
VDS
VD2S 2
kn
动态或瞬态特性：耗尽区电容
• 空间电荷区的作用像一个具有半导体材料介电常数εsi的绝缘体，n区 和p区就像是电容器的极板
耗尽区电容具有高度的 非线性，且随反向偏置 的增加而减小：一个5V 的反向偏置使电容降低 两倍以上
• 大信号耗尽区电容 Ceq KeqC j0
器件. 5
2020年2月11日7时38分
2020年2月11日7时38分
阈值电压
• 强反型发生时VGS的值称为阈值电压VT
VGS
G
+
S
D
-
n+
n+
n channel p substrate
depletion region
B •体偏置对阈值的影响
–γ称为体效应(衬偏效应)系数，它表明VSB改变所产生的影响
VT VT 0 2F VSB 2F
器件. 17
2020年2月11日7时38分
速度饱和
• 短沟器件的主要差别是速度饱和效应 • 速度饱和效应：当沿沟道的电场达到某一临界值时，载流子的速度
将由于散射效应(即载流子间的碰撞)而趋于饱和 • 在沟道长度为0.25μm的NMOS器件中大约只需要2V左右的漏源电压
半导体照明课件 17 第14章 发光二极管的可靠性
电过应力产生的冲击有可能直接损坏芯片，或造成金线熔断 等现象，致使LED失效。
§14.2 LED的失效分析
二. 影响LED可靠性的主要因素
由此可见，影响LED可靠性的因素主要有：芯片的 可靠性、机械应力、热应力和电应力等。
§14.3 改善LED可靠性的关键技术
一. 散热技术 所以，解决散热问题是改善LED可靠性的重中之重。
下面以L公司的Lxx封装 S型产品为例，分析LED热量消耗 的路径，找出散热技术的关键点。 1. LED的散热路径
与传统LED不同，Lxx封装S型产品的散热设计的特点 是将电流通道和主散热通道分离。
平均无故障时间(Mean Time Between Failures, MTBF)
问:有一款LED 的MTBF高达1,500,00小时,根据换算 1,50,000/(24*365)≈17.1年
是不是可以说该LED每只平均能工作17年不出故障?
∵MTBF=1/λ ∴λ=1/MTBF=1/17.1≈6% 所以正确的说法应该是一年内,平均每100 只有6只LED会出故障。
第14章 LED的可靠性
14.1 LED可靠性概念 14.2 LED寿命测试方法 14.3 LED失效分析 14.4 改善LED可靠性的关键技术
LED要进入照明领域，其可靠性是人们关注的一 大焦点。
较之传统的LED，照明LED的输入功率更大，应用 环境和条件更加恶劣和严苛，这对LED的可靠性提出了 更高的要求。
寿命
老化：LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮 度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可 描述为：