清华大学电子系课件

1Ω ⋅ m = 100Ω ⋅ cm
1S / cm = 1 /( Ω ⋅ cm ) = 100 /( Ω ⋅ m ) = 100 S / m
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半导体器件基础
作业中的问题（续） 题1.3.5
已知：VTH=0.7V, PN结串联电阻rs＝5Ω， RL=500 Ω vs＝100sinwtmV， 图解法求 iD = I DQ + id 求： , vO = VOQ + vo IDQ，VDQ， 解： 导通后，VDQ＝VTH 参见书p27 V − Vth 2 − 0.7 D I DQ = BB = = 2.6 mA 静态：
Q VO = RL 2 VI = 10 = 8 V > 6 V RL + R 2 + 0 .5 V Z = 6V ∴ 反向击穿，
10 − V O V − VZ V = O + O R rZ RL IZ = VO − V Z = 4 . 8 mA rZ
QVO =
RL 0.5 VI = 10 = 5V < 6V RL + R 0.5 + 0.5
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半导体器件基础
6. 集成电路中的元件
6.1 集成双极型晶体管
NPN管 B P＋ E N＋ C
N＋
版图
P＋
N外延
N＋埋层
P＋
N＋埋层 N＋埋层
P衬底
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半导体器件基础
6. 模拟集成电路中的元件（续一）
6.1 集成双极型晶体管 纵向PNP管 β大，但C只能 接最低电位 C P＋ E P＋
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半导体器件基础
6. 模拟集成电路中的元件（续四）
6.6 集成元件的特点 •绝对精度差，相邻元件匹配特性好，相对 误差小。 •温度一致性好，对称性好 •电阻不宜太大或太小（尽量用有源器件替代） •慎重使用大电容
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半导体器件基础
基本要求
半导体
半导体 (结构、本征、杂质）， 半导体中的载流子（形成、运动、浓度） N型半导体、P型半导体（结构、特点、载流子浓度）
Q
VTH 阈值电压 vD
反向击 V(BR) 穿电压
RD =
VQ IQ
rd =
dv D diD
Q
≈
VT IQ
＋ iD
vD rD Vth
－
＋ id
rd
vD rS
－
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Cj
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半导体器件基础
基本要求（续三）
三极管
工作原理 各极电流关系 四种工作状态（会判断） 特性曲线（共射输出、输入） 基区宽度调制效应 温度特性 安全工作区
vD
iD
i D = I S ( e v D / VT − 1 ) ≈ I S e v D / VT
iD = I S (e
vD /VT
− 1) ≈ −I S
VΦ =
kT N N In A 2 D q ni
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半导体器件基础
基本要求（续二）
二极管
结构、特性 直、交流电阻概念及求法 稳压管伏安特性(工作条件） 简单电路分析计算 （图解、公式） iD 反向饱 和电流 IS 0
∴ 未击穿， VO = 5V
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I Z min < I Z < I Z max , V O = 6 . 048 V
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半导体器件基础
作业中的问题（续） 题1.4.6
三极管极性的判断 （关于VBE） 导通工作时，VBE的变化不大，可取近似值： VBE（Si）≈ 0.7V VBE（Ge）≈ 0.3V
T截止: VB<Vth, (iB=0, VI=VB<Vth)，iC=0, vO=VCC 导通后： VBE≈0.7V 临界饱和：VBC＝0
iB = I BS = I CS I CS
VI − VBE iB ≈ RB
β
VCC − VC VCC − VBE = = RC RC
放大：iB< IBS iC= βiB vO=VCC-iCRC
1 L ⋅ K p (vGS − VGS ( th ) ) W
10
=
1 + λV
DSQ
λ I DQ
=
+V I
DQ
DSQ
Ron =
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半导体器件基础
基本要求（续五）
JFET
工作原理 特性曲线
集成元件的特点
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半导体器件基础
作业中的问题 电阻率和电导率的单位 题1.1.3
iCN α = iE
β =
α
1−α
iC= α iE+ICBO
iC = β i B + ( β + 1) I CBO
i E = (1 + β )i B + I CEO
V A + VCEQ I CQ VA I CQ
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IE=IEN+IEP IB=IEP+IBP-ICBO IC=ICN+ICBO
rce = ≈
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半导体器件基础
基本要求（续四）
MOSFET
工作原理 特性曲线（P、N沟道，增强、耗尽型） di 2i D 伏安特性表达式 W gm = D v = ≈ 2K p iD L dvGS vGS − vGS ( th ) 沟道长度调制效应 衬底调制效应 v 温度特性 iD = I DSS (1 − GS ) 2 (1 + λv DS )
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半导体器件基础
例题：
RB
RC
VCC ic + vO _
+ 设β＝100, Vth=0.5V, VBE≈0.7V, T vI _ VCE(sat)≈0.2V, RB=10KΩ, RC=2KΩ, VCC=12V, 分析：VI＝0.3V、1V、1.5V时，T工作状态，iC，vO
N＋ N＋ N＋ N＋ P＋ P＋ P＋ P＋
P-阱 PN - Si - Si N N管 源漏区
源漏区推进 P管 源漏区
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半导体器件基础
6. 模拟集成电路中的元件（续三）
6.3 集成电路中的二极管 一般采用BE结（双极工艺）； 源漏极与衬底间PN结（MOS工艺） 6.4 集成电路中的电阻 基区或发射区扩散电阻（双极工艺）； 多晶硅电阻、阱电阻（MOS工艺） 6.5 集成电路中的电容 PN结反偏电容；MOS电容
n i = A 0T e
3 2
−
Eg0 2 KT
n0 p0 = ni2
σ = q ( nµ n + pµ p )
Dp
kT = = µ p µn q
6
Dn
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半导体器件基础
基本要求（续一）
PN结
形成原理 电特性（单向导电性） PN结方程，伏安特性 温度特性 击穿特性 PN结电容 V(BR) IS 0 VTH
DSQ
Kp W 2 iD = 2(vGS − vGS ( th ) )v DS − v DS 2 L
[
]
vGS ( off )
Kp W iD = (vGS − vGS ( th ) ) 2 (1 + λv DS ) 2 L
r ds = dv DS di D
V GSQ
I DSS = i D
V
A
A
Kp W 2 vGS ( off ) ≈ 2 L
RL 500
vs
iD VBB RL 2V vO 动态：
id =
rd ≈
VOQ = VBB − Vth = 2 − 0.7 = 1.3V
VT 26 = = 10Ω I DQ 2.6
vs 100 sin wt = ≈ 0.194 sin wt ( mV ) RL + rs + rd 500 + 5 + 10
饱和： iB > I BS
iC ( sat ) ≈ VCC − VCE ( sat ) RC
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半导体器件基础
关于考试
时间：10月 20日 晚上 7：00～9：00 地点：五教 5203 （学号<=2005011095) 5204 （学号>2005011095) 形式：闭卷 内容：第一、二章 题型：填空题、分析计算题 答疑：10月17日(二) 8:00~9:35 5教5101 10月19日(四) 4:00~6:00 中央主楼 913或908
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IR
半导体器件基础
R
作业中的问题（续） 题1.3.7
VI
DZ
RL
VO
已知：VZ=6V, rZ=10Ω,IZmin=2mA, IZmax=20mA, VI=10V, R=500Ω 求（1）RL=2kΩ时，VO＝？ （2）RL=500Ω时，VO＝？ 解： 稳压管反向击穿后才会稳压，未击穿时是反向截止的二极管
N＋埋层
C P＋
E
B
P＋ N＋ N外延 P衬底
P＋
B N＋ P＋ 横向PNP管 β小，耐压高，结 电容大，频率低
2
P＋
N外延 P衬底
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半导体器件基础
6. 模拟集成电路中的件（续二）
6.2 集成MOS管 硅栅CMOS工艺 栅氧（有源区） 场氧（场区） 场区氧化 P场区注入 As(N+区注入) N＋区光刻 阱区注入及推进 场区光刻B+ 有源区光刻 栅氧化 初始氧化 阱区光刻 P+区光刻 铝淀积、光刻及合金 3N4 B+ (P管注入) Si 3 4 引线孔光刻 PGS淀积 金属引线 多晶硅栅 P＋区注入 多晶硅淀 积、掺杂 Si3N4 SiO2