晶体管结构与作用

1、李 明材料科学与工程学院芯片发展历程与莫尔定律晶体管结构与作用芯片微纳制造技术主要内容l半导体基础知识半导体基础知识lMOSFET晶体管结构和工作原理晶体管结构和工作原理l晶体管应用举例晶体管应用举例导体（金属）导体（金属）半导体半导体绝缘体绝缘体铜铜铁铁硅硅锗锗大理石大理石玻璃玻璃橡胶橡胶电阻率电阻率导体、半导体、绝缘体单元素半导体：单元素半导体：Si、Ge、Sn等，外壳电子数为等，外壳电子数为 4的的C族元素族元素化合物半导体：化合物半导体：GaAs、GaP、InAs、ZnSe等，等， 一般由一般由B和和N族组成的化合物。族组成的化合物。氧化物半导体：氧化物半导体：ZnO、MnO2、MnO

2、、Cr2O3、 NiO、TiO2、Cu2O、SnO2等等电阻率的影响因素：杂质、温度、光、结构缺陷电阻率的影响因素：杂质、温度、光、结构缺陷本征半导体本征半导体：本征半导体： 纯净的单元素半导体硅、锗，以及等纯净的单元素半导体硅、锗，以及等价化合物半导体价化合物半导体GaAs、GaN等等。本征半导体的导电机理：本征半导体的导电机理： 在温度非常低的条件下，最外层价电在温度非常低的条件下，最外层价电子被束缚得很紧，几乎无自由电子或空穴子被束缚得很紧，几乎无自由电子或空穴存在。故本征半导体在低温下的电阻率很存在。故本征半导体在低温下的电阻率很高，变为绝缘体。高，变为绝缘体。 在受热或光照射的条件下

3、，价电子被在受热或光照射的条件下，价电子被激发而成为自由电子，同时产生等数量的激发而成为自由电子，同时产生等数量的带正电荷的空穴。这些自由电子和空穴在带正电荷的空穴。这些自由电子和空穴在外界电场的作用下移动而形成电流。外界电场的作用下移动而形成电流。 束缚电子束缚电子，自由电子自由电子， 电子电子空穴空穴掺杂物半导体N型半导体型半导体： 向本征半导体中掺杂少量的价电子数向本征半导体中掺杂少量的价电子数为为 5 的的N族元素，则可获得自由电子，而族元素，则可获得自由电子，而成为成为N（Negative）型半导体。型半导体。 N型半导体型半导体的导电性主要靠自由电子的移动来完成的导电性主要靠自由电

4、子的移动来完成。P型半导体型半导体： 向本征半导体中掺杂少量的价电子数向本征半导体中掺杂少量的价电子数为为 3 的的B族元素，则可产生空穴，而成为族元素，则可产生空穴，而成为P（Positive）型半导体。型半导体。 P型半导体的导电型半导体的导电性主要靠空孔的的移动来完成。性主要靠空孔的的移动来完成。 束缚电子束缚电子，自由电子自由电子， 电子电子空穴空穴PN结与二极管的特性与构造整流特性整流特性： 当向当向PN结由结由P向向N方向施加反向电压时，方向施加反向电压时，PN结合部位将出现空结合部位将出现空乏层，电流无法导通（图左）。但施加正向电压时，自由电子和空乏层，电流无法导通（图左）。但施

5、加正向电压时，自由电子和空穴会顺利移动而形成电流。这就是穴会顺利移动而形成电流。这就是PN结二极管重要的整流特性结二极管重要的整流特性。电子的移动方向电子的移动方向空穴的移动方向空穴的移动方向 PN结：结：PN Junction, 二极管：二极管：Diode电子电子空穴空穴电子电子空穴空穴PN结的电流特性降伏电压降伏电压降伏降伏电流电流逆向逆向电压电压逆向电流逆向电流正向正向电流电流正向电压正向电压二极管的标记二极管的标记芯片上二极管的构造芯片上二极管的构造负极负极正极正极N-SiP-Si正极正极负极负极电 至光 转换电发光原理：正负电在半导电发光原理：正负电在半导体体P-N节处相遇，产生光子

6、节处相遇，产生光子而发光而发光光 至电 转换LED照明光伏太阳能电池光发电原理：光子照射到光发电原理：光子照射到P-N节，产生电流，产生电力节，产生电流，产生电力PN结的应用电流整流器偏置隔离场效应晶体管（MOSFET） l场效应晶体管场效应晶体管l低电压和低功耗。低电压和低功耗。l结型场效应晶体管（结型场效应晶体管（JFET）和金属）和金属-氧化物型场效氧化物型场效应晶体管（应晶体管（MOSFET）NMOS型场效应三极管特特 性性a)Vg = 0：源极与漏极间，由于NPN结的作用无电流通过。b) Vg 0：且较高时，栅极与P-Si的界面间形成电子富集层（电子隧道），源极与漏 极连通，电流通过

7、。引出漏极（引出漏极（Vd）drainP-Si多晶体多晶体-Si栅极栅极SiO2 绝缘膜绝缘膜引出栅极（引出栅极（Vg） gateN-Si 漏极漏极N-Si 源极源极基极（基极（Vsub）substrate引出源极（引出源极（Vs）sourceN型隧道（电子隧道）型隧道（电子隧道）VgVsVsubVd特特 性性1.与NMOS动作相反，当Vg 0 ，且绝对值较大时，栅极与N-Si的界面间形成空孔富集层（空孔隧道），源极与漏极连通，电流才能通过。2.由于空孔的移动速度低于电子，故动作速度比NMOS慢，应用较少。 电子迁移率=1350cm2/VS， 空孔迁移率= 480cm2/VS VgVsVsub

8、Vd引出引出漏极（漏极（Vd）drainN-Si多晶体多晶体-Si栅极栅极SiO2 绝缘膜绝缘膜引出栅极（引出栅极（Vg） gateP-Si 漏极漏极P-Si 源极源极基极（基极（Vsub）substrate引出源极（引出源极（Vs）sourceP型隧道（空孔隧道）型隧道（空孔隧道）PMOS型场效应三极管两个两个pn结偏置状态相反结偏置状态相反沟道由反型层构成，与源漏形成通路沟道由反型层构成，与源漏形成通路场效应晶体管NMOS的结构芯片上的实际芯片上的实际NMOS结构结构PN+N+3 voltsVds0.7 voltsVgs+ +- - - - - - - - - - -场效应晶体管工作原理N

9、MOSNMOS电流电压特性电流电压特性l线性区，线性区，MOSFET象电阻，电阻受栅电压控制象电阻，电阻受栅电压控制l饱和区，饱和区，MOSFE象电流源，电流大小与象电流源，电流大小与VG2有关有关场效应晶体管工作原理栅的作用类似与水闸的闸门栅的作用类似与水闸的闸门场效应晶体管工作原理CMOS：Complemetary Metal-Oxide SemiconductorCMOS型晶体管并联式MOS型场效应管 5VVs输输出出输输入入VsPMOSNMOS3245132451CMOS的输入输出特性的输入输出特性输入电压输入电压输输出出电电压压a)当输入电压低时，NMOS不导通，PMOS导通，输出电

10、压为高5V，表现为1。b) 当输入电压高时， NMOS导通，PMOS不导通，输出电压为低0V，表现为0。l将PMOS和NMOS做在同一集成电路上就形成了互补型金属氧化物半导体技术，也就是CMOS技术l主要特点为功耗低，是集成电路中被广泛采用的基本回路CMOS型晶体管并联式MOS型场效应管 Metal 1, AlCuP-EpiP-WaferN-WellP-WellPMDp+p+n+n+WMetal 1P-well Polycide gate and local interconnectionSTIN-wellCMOS InverterCMOS应用例1：反相器5VVs输入VdPMOSNMOS1 0

11、Off onon off5VVs输入VdPMOSNMOS0 1on offoff on静态无电流CMOS应用例2：乘法逻辑电路输出输出输入输入BYAYBAABY000100010111Y = A BCMOS应用例3：存储器掩模ROM可编程ROM (PROM-Programmable ROM)可擦除可编程ROM (EPROM-Erasable PROM)随机存储器RAM(Random Access Memory)静态存储器SRAM (Static RAM)主要用于高速缓存和服务器内存动态存储器DRAM (Dynamic RAM)按功能特点EEPROM (Electrically EPROM)/E

12、2PROM 只读存储器ROM(Read- Only Memory)Flash Memory (快闪存储器，如U盘)FRAM (Ferro-electric RAM 铁电存储器)SDRAM, DDR-RAM等非挥发存储器（Non-Volatile Memory-NVM）挥发存储器（Volatile Memory-VM）或者称易失存储器DRAM:四管动态MOS存储单元存储节点CMOS应用例3：存储器CMOS应用例4：图像传感器（CIS）lCCDCMOSl20世纪世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片第一块单片CMOS图像传感器件图像传感器件l将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上l适合大规模批量生产适合大规模批量生产l 首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。l行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。l行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。CMOS应用例4：图像传感器（CIS）l首先进入“复位状态”，此时打开门管M。电容被充电至V，二极管处于反向状态；l然后进人“取样状态”。这时关闭门管M,在光照下二极管产生光电流，使电容上存贮的电荷放电，