微电子学概论简要笔记

微电子学是研究固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路，子系统及系统的电子学分支。

微电子学主要研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理。

微电子学是研究并实现信息获取、传输、存储和输出的科学，是研究信息载体的科学，构成了信息科学的基石。

微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠度性是微电子学发展的方向。

半导体的特点
①本征半导体，电导率随温度的上升而指数增加。
②半导体中的杂质的种类和数量决定了半导体的电导率，而且掺杂时温度对电导率影响不大。
③半导体中可以实现非均匀掺杂。
④光的辐照、高能电子注入可以影响半导体的电导率。

硅晶体和锗晶体都是金刚石结构。

硅晶体中，共价键上的电子摆脱束缚所需要的能量约为1.12电子伏，锗为0.78电子伏。

常见的化合物半导体材料砷化镓、InSb、GaP、InP。

固体材料按内部的原子规则排列的是晶体，不规则的是非晶体。

在硅晶体中，共价键中的电子获得1.12电子伏的能量就能够摆脱共价键的束缚，称为自由电子，这时在原来的共价键上留下一个缺位。

由于相邻共价键上的电子随时可以跳过来填补这个缺位，从未使缺位转移到相邻的共价键上，可以认为缺位也是可以移动的。

可以自由移动的缺位称为空穴。

半导体就是靠电子和空穴移动而导电的。

2.4 pn结

许多半导体都是由pn结构成的。

掌握pn结是分析半导体器件的基础。

半导体导电性能的特点是存在两种载流子、扩散和产生复合三种运动形式。

n型区和p型区的交界面处就形成了pn结。

pn结具有单向导电性质。

2.4.1 平衡pn结

没有外加电压的pn结是平衡pn结。

p型半导体和n型半导体的交界面存在电子和空穴的浓度差。

n区中的电子要向p区扩散，p区中的空穴要向n区扩散。

n区的电子扩散后，n区剩下带正电的电离施主，形成了一个带正电的区域。

p区的空穴扩散后，p区剩下带负电的电离受主，形成了一个带负电的区域。

p区和n区交界面形成了带正、负电荷的空间电荷区。

空间电荷区的正负电荷会形成自建电场。

自建电场的方向从n区到p区。

自建电场会推动带负电的电子做漂移运动。

在平衡pn结中，载流子并非静止不动的，而是扩散和漂移的动态平衡。

电子从n区运动到p区必须越过山丘。

空间电荷区又叫做势垒区，耗尽层。

2.4.2 pn结的正向特性

外加电场的方向与自建电场方向相反。

打破了扩散和漂移的相对平衡。

扩散运动超过漂移运动。

n区的电子将源源不断地扩散到p区，成为非平衡载流子。

p区的空穴将源源不断地扩散到n区，成为非平衡载流子。

pn结正向偏压称为pn结正向注入效应。

2.4.3 pn结的反向特性

外加电场的方向与自建电场方向相同。

打破了载流子漂移与扩散的平衡。

漂移运动趋势大于扩散趋势。

2.4.3 pn结的击穿

隧道击穿主要取决于空间电荷区的最大电场。

雪崩击穿是碰撞电离的结果。

隧道击穿的电压随温度升高而减小。

雪崩击穿电压的温度系数是正的。

温度升高使雪崩倍增的碰撞电离率减小。

2.4.5 pn结的电容

pn结上的电压变化和平行板电容器一样。

平行板电容器的电压变化是通过内部正负电荷变化来实现的。

若空间电荷区正、负电荷的数量减少，则pn结上的电压就减少。

在半导体中的空穴和电子统称为载流子。

在硅中掺入Ⅴ族元素杂质，这种杂质向硅提供了一个自由电子，称为施主杂质。

依靠施主杂质提供的电子导电的半导体称为n型半导体。

在硅中掺如Ⅲ族元素杂质，这种杂质向硅提供了一个空穴，本身可以接受一个电子，称为受主杂质。

依靠受主杂质提供空穴导电的半导体称为p型半导体。

电子作稳恒运动，具有完全确定的能量，这种稳恒运动状态称为量子态。

在一定条件下，电子可以发生从一个量子态移到另一个量子态的突变，这种突变称为量子跃迁。

半导体是大量原子组成的晶体。

由于原子之间的距离很近，一个原子的外层电子不仅受到这个原子的作用，还受到相邻原子的作用。

当原子组成和晶体后，电子的量子态将发生质的变化，它不再固定于个别原子上运动，而是穿行于整个晶体运动。

原子组合成晶体，电子运动的发生的变化成为“共有化”。

电子在原子间的转移不是任意的，电子只能在能量相同的量子态之间发生转移。

共有化量子态与原子能级之间存在直接的对应关系。

从一个原子能级将演变出许许多多的共有化量子态，它们代表电子以不同的速度在晶体中运动。

晶体中量子态的能级由低到高分成许多组，分别和个原子能级相对应，每一组包含大量的、能量很接近的能级。一组就代表一个能带。

能带和能带之间的间隙称为禁带。

能量最高的价电子所填充的能带称为价带。

价带以上的能带基本上是空的，其中最低的没有被电子填充的能带称为导带。

能带图只能说明电子的能量，不能说明电子的实际位置。

施主的电离实质上就是原来在施主能级上的电子跃迁到导带中去。

受主的电离是价带中的电子跃迁到受主能级的过程。

在p型半导体中空穴是多子，电子是少子。

在n型半导体中电子是多子，空穴是少子。

半导体中同时存在电子和空穴的根本原因是晶格的热振动使电子不断发生价带到导带的跃迁。

晶格的热振动可以看成是每个原子来回不断地撞击四周的电子。

原子撞击原子的能量如果超过了半导体的禁带宽度，则可以提供足够的能量给共价键的电子，使其从价带跃迁到导带。

原子热运动的能量用波尔兹满常数乘以开尔文温度来衡量，室温下kT=0.026电子伏。

本征半导体电子和空穴的浓度相等，等于本征载流子浓度。

掺杂情况下，多子和少子同时存在，它们的浓度需要用电中性条件和多子与少子平衡的基本公式来确定。

在热平衡情况下，一个能级被电子占据的几率是这个能级能量E的函数，称为电子的平衡统计分布函数，又称费米分布函数。

半导体的电导率与半导体中载流子的浓度和半导体材料的迁移率有关。

pn结存在两种载流子，载流子有漂移、扩散和产生复合三种运动形式。

pn结正向导通，反向截止。

p型半导体和n型半导体结合最后会形成一个平衡pn结，中间是空间电荷区。

2.5 双极晶体管

2.5.1双极晶体管的基本结构

双极型晶体管又称三极管，其导电特性取决于电子和空穴两种少数载流子的输运特性。

双极型晶体管由两个相距很近的pn结组成。

双极晶体管可以分成npn和pnp两种。

npn晶体管的一个n+区为发射区，p区为基区，第二个n区为收集区。

npn晶体管第一个pn结为发射结，第二个pn结为收集结。

晶体管的发射结加上正向小电压，称为正向偏置。

晶体管的收集结加上反向大电压，称为反向偏置。

简单的把两个pn结背对背地连接成npn或pnp结构并不能起到晶体管的作用。

两个pn结中间的p区宽度不断缩小，使p区宽度小于少子扩散长度，两个pn结就可以发生相互作用。

从正向pn结注入p区的电子可以通过扩散达到反向pn结空间电荷区边界，并且被反向pn结空间电荷区的电场拉到n区，然后漂移通过n区而流出，这时输出电流受到输入电流控制。

输入电流越大输出电流越大，具有电流放大作用。

基区宽度远小于基区中少子的扩散长度，因此发射结注入基区的非平衡少子能够靠扩散通过基区，并被收集结电场拉向收集区，流出收集结，使得反向偏置收集结流过反向大电流。

非平衡少子的扩散运动是晶体三极管的工作基础。

正向发射结把电子注入到p型区，基区宽度W远远小于电子的扩散长度，注入到基区的电子来不及复合就扩散到反向收集结的边界，被反向收集结的抽取作用拉向收集区。

虽然收集结处于反向，但却流过很大的反向电流。

正是由于发射结的正向注入作用和收集结的反向抽取作用，使得有一股电子流由发射区流向收集区。

共基极直流短路电流放大系数等于输出电流除以输入电流。

共基极直流短路电流放大系数等于收集极电流除以发射极电流。

共发射直流短路电流放大系数等于输出电流除以输入电流。

共发射直流短路电流放大系数等于收集极电流除以基极电流。

共发放大系数等于共射放大系数除以括号一减共射放大系数括号完。

共基极直流输入特性曲线说的是固定Vcb，发射极和基极间的电压降Veb改变对发射极电流的影响。

共基极直流输出特性说的是固定发射极电流，Vcb对收集极电流的影响。

2.6 MOS场效应晶体管 MOSFET

场效应晶体管是一种电压控制器件。

场效应晶体管导电过程主要涉及一种载流子。

场效应晶体管也称为单极晶体管。

当施加在栅极上的电压为0时，源区和漏区被中间的p型区隔开。

源和漏之间相当于两个背靠背的pn结。

即使在源和漏之间加一定的电压也没有明显的电流。

在栅上加上一定的正电压后会形成电子导电沟道。

如果这时在源漏之间加电压就会有明显的电流流过。

第三章大规模集成电路基础

集成电路就是将电路中的有源元件（二极管、晶体管）无源元件以及它们之间的互连引线等一起制作在半导体衬底上，形成一块独立的不可分的整体电路。

芯片是指没有封装的单个集成电路。

硅片是指包含成百上千个芯片的大圆硅片。

MOSFET处于大信号工作时，有导通和截止两种状态，因此它可以作为电子开关。

反相器的输出信号与输入信号反相，能执行逻辑非的功能。

反相器是数字电路的最基本的单元。

存储器最小记忆单元是bit。
集成电路的性能指标：集成度、速度、功耗、特征尺寸、可靠性。

集成电路发展的原动力——不断提高性价比。

集成电路提高性价比的主要途径缩小器件的特征尺寸、增大硅片面积。

MOSFET的三维结构简化图。

MOSFET的结构参数：沟道长度 L、沟道宽度 W 、栅氧化层厚度、源漏PN结结深。
MOSFET的材料参数：衬底掺杂浓度、载流子迁移率。

漏源电压 VDS=VD - VS
栅源电压 VGS=VG - VS
体源电压 VBS=VB - VS

在栅压为零时，从源电极和漏电极被两个背靠背的PN结隔离，这时即使在源漏之间加上电压，也没有明显的漏源电流（忽略PN结的反向漏电流）。

当在栅上加有足够大的电压时，MOS结构的沟道区就会形成反型层，它可以把源区和漏区连通，形成导电沟道，这时如果在漏源间加有一定的偏压，就会有明显的电流流过。

当VDS很小时，它对反型层影响很小，表面沟道类似于一个简单电阻，漏电流与VDS成正比。

随着VDS的增加，它对栅的反型作用开始起负面影响，使反型层从源到漏逐渐变窄，反型载流子数目也相应减小，使IDS-VDS曲线的斜率减小。沟道载流子数目在靠近漏端降低最多，在漏端附件的反型层将最终消失（称为沟道被夹断）。使沟道开始夹断的漏源电压称为漏源饱和电压，相应的电流称为饱和电流。

当漏源电压超过饱和电压后，夹断区变宽，夹断点从漏到源移动。夹断区是耗尽区，因而超过VDsat的电压主要降落在夹断区。对于长沟道（L>>△L）器件，夹断后漏电流基本保持不变，因为，夹断点P点的电压VDsat保持不变，从源到P点的载流子数目不变，因而从漏到源的电流也不变化。

一般长沟道器件的 I_DS ~ V_DS 特性

直流特性的定性描述：转移特性

MOSFET的电流由器件内部的电场控制（栅压引起的纵向电场和漏电压引起的横向电场）, 因而称为场效应晶体管。

按照沟道类型分类
NMOS：衬底为P型，源、漏区为重掺杂的n+, 沟道中载流子为电子
PMOS：衬底为N型，源、漏区为重掺杂的P+，沟道中载流子为空穴

按照工作模式分类
增强型：零栅压时不存在导电沟道
耗尽型：零栅压时存在导电沟道

NMOS管的开关特性
NMOS管的电路符号及转移特性

PMOS管的开关特性
PMOS管的电路符号及转移特性

CMOS传输门

CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。

反相器是这样的电路，当其输入信号为高电平时，其输出为低电平，而当其输入信号为低电平，其输出则为高电平。反相器在电路中的表示符号。

NMOS反相器及其等效电路

CMOS反相器

在输入为0或1（VDD)时，两个MOS管中总是一个截止一个导通，因此没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电流流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为0。这是CMOS电路低功耗的主要原因。CMOS电路的最大特点之一是低功耗。

CMOS电路的优点

微功耗。CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。
抗干扰能力很强。输入噪声容限可达到VDD/2。
电源电压范围宽。多数CMOS电路可在3～18V的电源电压范围内正常工作
输入阻抗高。
负载能力强。CMOS电路可以带50个同类门以上。
逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD ）

基本逻辑运算
非运算

与运算

CMOS “非” 门电路

只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低电平。

CMOS复合逻辑门

CMOS集成电路的特点
优点：
功耗低
噪声容限大
可适应较宽的温度和电源电压
集成度高
输入阻抗高、抗干扰能力强
缺点：
驱动能力较差

CMOS集成电路技术是半导体集成电路的主流技术，其市场占有率超过95％。

双极集成电路的特点
优点：
速度高
稳定性好
适于处理高电压、大电流场合
驱动能力强
工艺简单
适用于高精度模拟电路
缺点：
功耗大
集成度低

第四章集成电路制造工艺