IC版图设计第一章

第一章半导体器件理论基础1.1半导体基础知识1.2PN结与结型二极管1.3双极型晶体管基本结构与工作原理1.4MOS晶体管基本结构与工作原理

1.1.1半导体的晶体结构晶体和非晶体：

从外观看

晶体有一定的几何外形，

非晶体没有一定的形状。

用来制作集成电路的硅、锗等都是晶体，而玻璃、橡胶等都是非晶体。1.2.2本征半导体与杂质半导体本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。但是，当半导体的温度升高（例如室温300K）或受到光照等外界因素的影响时，本征激发所产生的自由电子和空穴数目是相同的。在外加电场作用下，电子和空穴的运动方向相反，但由于电子和空穴所带电荷相反，因而形成的电流是相加的，即顺着电场方向形成电子和空穴两种漂移电流。杂质半导体根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体可以分为N型半导体和P型半导体。P型半导体掺入少量的3价元素，如硼、铝或铟，有3个价电子，形成共价键时，缺少1个电子，产生1个空位。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。3价杂质的原子很容易接受价电子，称为“受主杂质”。N型半导体掺入少量的5价元素，如磷、砷或锑，有5个价电子，形成共价键时，多余1个电子。电子为多数载流子，空穴为少数载流子。在半导体内产生多余的电子，称为“施主杂质”。1.1.3方块电阻Rs称为方块电阻，L/W为方块数。第一章半导体器件理论基础1.1半导体基础知识1.2PN结与结型二极管1.3双极型晶体管基本结构与工作原理1.4MOS晶体管基本结构与工作原理PN结的形成PN结形成：控制同一块半导体的掺杂，形成PN结合金法；扩散法；离子注入法在P（N）型半导体上外延生长N（P）型半导体同质结和异质结：由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的PN结---同质结由两种不同的半导体单晶材料组成的结---异质结合金法---合金烧结方法形成PN结；扩散法---高温下热扩散，进行掺杂；离子注入法---将杂质离子轰击到半导体基片中；PN结工艺合金法及其杂质分布 合金法制备PN结的基本过程如图所示加热降温熔融体扩散法及其杂质分布 用扩散法制备PN结的基本过程如图扩散结的形成过程a）氧化b）光刻c）P型杂质的扩散d）PN结PN结的扩散与漂移由于两种半导体内带电粒子的正、负电荷相等，所以半导体内呈电中性。★PN结：+++++++++++++++---------------载流子的扩散运动建立内电场内电场对载流子的作用扩散运动和漂移运动达到动态平衡，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结P区N区PN结平衡状态下的PN结正负离子形成了内建电场ε，N区指向P区；电场阻止扩散运动的继续进行内建电场ε作用下，进入空间电荷区的空穴在向P区漂移，自由电子向N区漂移，将产生漂移运动；漂移运动和扩散运动方向相反;动态平衡时，扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反，流过PN结的总电流为零。扩散电流漂移电流扩散与漂移共存平衡PN结的能带图平衡PN结的能带图a）N型、P型半导体的能带b）平衡PN结的能带PN结正向偏置PN结外加正向电压（P区接电源的正极，N区接电源的负极，或P区的电位高于N区电位），称为正向偏置，简称正偏。PN结电流电压特性PN结反向偏置PN结外加反向电压（P区接电源的负极，N区接电源的正极，或P区的电位低于N区电位），称为反向偏置，简称反偏。正向偏置：外加电场方向与自建电场方向相反，削弱自建电场；载流子扩散运动超过了漂移运动；空间电荷区宽度减小；电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区，共同构成PN结正向电流；使边界少子浓度增加几个数量级，形成大的浓度梯度和扩散电流；PN结电流电压特性反向偏置外加电场方向与自建电场方向相同，增强自建电场；载流子漂移运动超过了扩散运动；空间电荷区宽度增加；N区边界的空穴（少子）被拉向P区，P区边界的电子（少子）被拉向N区，即PN结的反向抽取效应；反向漏电流；PN结电流电压特性反向偏置反向饱和电流（边界少子浓度变化量最大不会超过平衡时的少子浓度）PN结击穿（反向击穿）原因：载流子数量的增大机制：热电击穿（不可恢复），雪崩击穿，隧道击穿PN结电流电压特性PN结正偏时呈导通状态，正向电阻很小，正向电流很大；

PN结反偏时呈截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。——

PN结的单向导电性PN结电流电压特性PN结型二极管(a)PN结击穿

热电击穿

PN结加偏压增加，温度上升，反向电流增大，两者循环下去，最终导致反向电流无限增大而发生击穿。PN结的击穿现象隧道击穿

隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应使大量电子从价带穿过禁带，而进入到导带所引起的一种击穿现象。又称齐纳击穿。PN结隧道击穿示意图PN结击穿

雪崩击穿雪崩击穿示意图PN结击穿

PN结电容效应电容描述电子系统电荷存储能力的物理量。如果一个半导体系统中存储的电荷量随外加电压发生变化，则该系统中就存在电容。定义为：PN结中具有电荷存储效应的因素包括：空间电荷耗尽区的耗尽电荷和外加偏压后的过剩少子注入。PN结电容效应PN结有存储和释放电荷的能力。势垒电容：当PN结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应。当PN结上外加的正向电压增加，势垒高度降低⇒空间电荷减少当PN结上外加的反向电压增加，势垒高度增加⇒空间电荷增加扩散电容当PN结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应。当正向偏置电压增加，扩散区内的非平衡载流子积累很快增加；在反向偏置下，非平衡载流子数变化不大，扩散电容可忽略；PN结电容效应第一章半导体器件理论基础1.1半导体基础知识1.2PN结与结型二极管1.3双极型晶体管基本结构与工作原理1.4MOS晶体管基本结构与工作原理电子和空穴二种载流子同时参与输运的、具有电流和功率放大能力的三端半导体器件，通常简称晶体管。按功能---高频晶体管、低频晶体管、大功率晶体管、小功率晶体管、开关晶体管、低噪声晶体管，等。由满足一定几何结构参数和材料物理参数要求的二只背靠背的pn结构成；直流和交流工作状态下呈现不同的电学特性。双极型晶体管:基本特征：分类:按材料—Ge晶体管、Si晶体管、GaAs、SiGe晶体管等。按能带结构—同质结晶体管(BJT)，一般称其为晶体管。异质pn结晶体管(HBT)，简称异质结晶体管。异质结晶体管具有更优良的电学特性。双极型晶体管一般有三个电极（即三个引出脚）下面是一些双极型晶体管的外型。大功率低频三极管中功率低频三极管小功率高频三极管在电路中的主要作用：电流电压放大器，电压基准源，振荡器，功率开关等。晶体管的特性

一、晶体管结构简介

1.晶体管的两种结构一、晶体管结构简介1.晶体管一般有NPN和PNP两种结构双极型晶体管(BJT)2.晶体管的三个区一、晶体管结构简介2.晶体管有三个区:N集电区NP基区e发射极b基极c集电极发射区管芯结构剖面图

基区(P):很薄,空穴浓度较小——引出基极b.

发射区(N):与基区的接触面较小——引出发射极e.

集电区(N):与基区的接触面较大——引出集电极c.1.晶体管一般有NPN和PNP两种结构以NPN型晶体管为例。双极型晶体管(BJT)发射极的电路符号一、晶体管结构简介

基区(P):很薄,空穴浓度较小——引出基极b.

发射区(N):与基区的接触面较小——引出发射极e.

集电区(N):与基区的接触面较大——引出集电极c.1.晶体管一般有NPN和PNP两种结构注意：发射极的符号带箭头。PNP型ECBECBNPN型双极型晶体管电路符号2.晶体管有三个区:双极型晶体管(BJT)双极型晶体管(BJT)3.晶体管的两个PN结一、晶体管结构简介1.晶体管一般有NPN和PNP两种结构PNP型ECBECBNPN型双极型晶体管电路符号NPN与PNP管具有几乎等同的特性，只不过各电极端的电压极性和电流流向不同而已。2.晶体管有三个区:

很显然，三极管有两个PN结，发射区与基区间的称为发射结，集电区与基区间的叫集电结。双极型晶体管(BJT)二、晶体管的电流分配和放大作用

1.晶体管正常工作时各极电压的连接及作用NNP空穴电子ecbIBIEICICBOIENIEPIBN电流方向1.晶体管各PN结电压连接的一般特性

顾名思义：发射区的作用是发射电子,集电区的作用是收集电子,下面以NPN型三极管为例分析载流子(即电子和空穴)在晶体管内部的传输情况。

二、晶体管的电流分配与放大作用发射结集电结发射极集电极基极

发射结必须处于正向偏置——目的削弱发射结

集电结必须处于反向偏置——目的增强集电结VEEVCC+－+－ICN连接BJT各极间电压的一般特性晶体管的电流分配晶体管的放大作用双极型晶体管(BJT)动画演示NNP空穴电子ecbIBIEICICBOIENIEPIBN电流方向VEEVCCVCC+－+ICN

发射结必须处于正向偏置——目的削弱发射结

集电结必须处于反向偏置——目的增强集电结

二、晶体管的电流分配与放大作用

分析集电结电场方向知,反向偏置有利于收集在基区的电子1.晶体管各PN结电压连接的一般特性

发射结变薄有利于发射区的电子向基区扩散连接BJT各极间电压的一般特性晶体管的电流分配晶体管的放大作用双极型晶体管(BJT)

二、晶体管的电流分配与放大作用2.晶体管的电流分配

发射极电流的组成NNP空穴电子ecbIBIEICICBOIENIEPIBN电流方向2.晶体管的电流分配

发射极电流IE:主要由发射区的电子扩散(IEN)而成,亦有极少数的由基区向发射区扩散的空穴电流(IEP)。IE=IEN+IEPIENVEEVCCVCC+－+ICN

注意电流方向：电流方向与电子移动方向相反,与空穴移动方向相同。1.晶体管各PN结电压连接的一般特性晶体管的电流分配晶体管的放大作用双极型晶体管(BJT)

二、晶体管的电流分配与放大作用基极电流的形成NNP空穴电子ecbIBIEICICBOIENIEPIBN电流方向

基极电流IB:基极电流主要由基区的空穴与从发射区扩散过来的电子复合而成。同时电源VEE又不断地从基区中把电子拉走,维持基区有一定数量的空穴。VEEVCCVCC+－+ICN2.晶体管的电流分配1.晶体管各PN结电压连接的一般特性

由于基区有少量空穴,所以从发射区扩散过来的电子在基区会被复合掉一些,形成基极电流。晶体管的电流分配晶体管的放大作用双极型晶体管(BJT)集极电流的形成

二、晶体管的电流分配与放大作用NNP空穴电子ecbIBIEICICBOIENIEPIBN电流方向

集电极电流IC:集电极电流主要由集电结收集从发射区扩散至基区的电子而成(ICN)。亦有由于基区和集电区的少子漂移作用而产生的很小的反向饱和电流ICBO。VEEVCCIC=ICN+ICBOICNVCC+－+ICN

由于基区空穴的复合作用,集电区收集的电子数会比发射区扩散的电子数要小一些,即集电极电流IC比发射极电流IE要小一些。2.晶体管的电流分配1.晶体管各PN结电压连接的一般特性晶体管的电流分配晶体管的放大作用双极型晶体管(BJT)

二、晶体管的电流分配与放大作用IE=IB+ICNNP空穴电子ecbIBIEICICBOIENIEPIBN电流方向

由电路分析的内容可知,三个电极之间的电流关系为：VEEVCCIE=IB+ICRbVEEVCCRLIB

发射极与基极之间为正向偏置+－+－IE=IB+IC

集电极与基极之间为反向偏置ICVCC+－+2.晶体管的电流分配1.晶体管各PN结电压连接的一般特性

三极管的三个极不管如何连接,这个关系是不会改变的。

以后画电路时三极管就不再使用结构图而用电路符号图了。晶体管的电流分配晶体管的放大作用双极型晶体管(BJT)

二、晶体管的电流分配与放大作用①系数的意义NNP空穴电子ecbIBIEICICBOIENIEPIBN电流方向①为了表示集电极收集发射区发射电子的能力,通常使用一个常数hfb()表示VEEVCChfb==iC／iERbVEEVCCRLIB+－+－IE=IB+ICICVCC+－+2.晶体管的电流分配1.晶体管各PN结电压连接的一般特性iC和iE是表示通过三极管集电极和发射极电流的瞬时值.晶体管的电流分配晶体管的放大作用双极型晶体管(BJT)②系数的意义NNP空穴电子ecbIBIEICICBOIENIEPIBN电流方向②为了表示集电极电流是基极电流的倍数,通常使用一个常数hfe()表示VEEVCCRbVEEVCCRLIB+－+－IE=IB+ICICVCC+－+hfe==iC／iBhfe()称为共发射极交流电流放大系数

二、晶体管的电流分配与放大作用2.晶体管的电流分配1.晶体管各PN结电压连接的一般特性晶体管的电流分配晶体管的放大作用双极型晶体管(BJT)③与之间的关系NNP空穴电子ecbIBIEICICBOIENIEPIBN电流方向③hfb()与hfe()之间的关系VEEVCCRbVEEVCCRLIB+－+－IE=IB+ICIC=

1－

VCC+－+

二、晶体管的电流分配与放大作用联立下面三式可求出此关系式：iC=iBiC=iEiE=iC+iB

2.晶体管的电流分配1.晶体管各PN结电压连接的一般特性晶体管的电流分配晶体管的放大作用双极型晶体管(BJT)3.放大作用

二、晶体管的电流分配与放大作用3.放大作用共射基本放大电路的组成演示

三极管的放大作用实际上是使微小的信号(如微小变化的电压、微小变化的电流）转换成较大变化的信号。要使三极管有放大作用,必须与一些阻容元件按一定的方式连接成电路,称为放大电路。最基本的放大电路是共射极放大电路。2.晶体管的电流分配1.晶体管各PN结电压连接的一般特性晶体管的放大作用双极型晶体管(BJT)(1)共射电路的组成viVBBVCCRL1K+－+－ceb

输入与输出回路共用发射极，所以称为共发射极放大电路。

二、晶体管的电流分配与放大作用=49

基极与发射极间组成输入回路3.放大作用(1)共射极放大电路集电极与发射极间组成输出回路晶体管共射极放大电路的组成共射极电路的电压放大原理

三极管的放大作用实际上是使微小的信号(如微小变化的电压、微小变化的电流）转换成较大变化的信号。要使三极管有放大作用,必须与一些阻容元件按一定的方式连接成电路,称为放大电路。最基本的放大电路是共射极放大电路。双极型晶体管(BJT)

二、晶体管的电流分配与放大作用三个交变电流3.放大作用(1)共射极放大电路viVBBVCCiB=IB+iB

iC=IC+iC

vOiE=IE+iE

+－+－+－cebRL1K=49共射极电路的电压放大原理(2)共射电路的电压放大

输出电路同时产生一个变化的电流。

输入信号电压在输入回路上产生一个变化的电流。

三极管的放大作用实际上是使微小的信号(如微小变化的电压、微小变化的电流）转换成较大变化的信号。要使三极管有放大作用,必须与一些阻容元件按一定的方式连接成电路,称为放大电路。最基本的放大电路是共射极放大电路。

变化的电流在负载电阻上产生一个变化电压。

三极管的放大作用实际上是使微小的信号(如微小变化的电压、微小变化的电流）转换成较大变化的信号。要使三极管有放大作用,必须与一些阻容元件按一定的方式连接成电路,称为放大电路。最基本的放大电路是共射极放大电路。双极型晶体管(BJT)

二、晶体管的电流分配与放大作用3.放大作用(1)共射极放大电路(2)放大作用

这个放大电路的电压放大倍数为viVBBVCCiB=IB+iB

iC=IC+iC

vOiE=IE+iE

+－+－+－ceb(2)共射电路的电压放大=49RL1K

设输入信号电压变化vi=20mV,产生基极电流的变化量为iB=20A

输出电流变化量为iC=iB=49×20A=980A=0.98mA

变化的电流在负载电阻上产生的电压变化量为vO=-iCRL

=-0.98mA×1k=-0.98V共射极电路的电压放大原理AV=vo/vi=-0.98V/20mV=-49小结

１．双极型半导体器件的特点是有两种载流子（自由电子和空穴）同时参于导电。PN结是组成双极型半导体的基础。２．双极型晶体管是一种电流控制器件（基极电流控制集电极电流），他具有电流放大作用。晶体管有二个PN结：发射结和集电结；有三种工作状态：放大、截止和饱和。

第一章半导体器件理论基础1.1半导体基础知识1.2PN结与结型二极管1.3双极型晶体管基本结构与工作原理1.4MOS晶体管基本结构与工作原理场效应管：利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管；一种载流子参与导电，又称单极型(Unipolar)晶体管。原理：利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而实现放大作用。双极晶体管：参加工作的不仅有少数载流子，也有多数载流子，故统称为双极晶体管；特点单极型器件(靠多数载流子导电)；输入电阻高：可达1010（有资料介绍可达1014）以上、抗辐射能力强

；制作工艺简单、易集成、热稳定性好、功耗小、体积小、成本低。MOS场效应晶体管结构、工作原理和输出特性

栅极Al(Gate)源极(Source)漏极(Drain)绝缘层SiO2(Insulator)保护层表面沟道(Channel)衬底电极(Substrate)OhmiccontactMOS管结构两边扩散两个高浓度的N区形成两个PN结以P型半导体作衬底NMOS通常，MOS管以金属Al(Metal)SiO2(Oxide)Si(Semiconductor)作为代表结构基质：硅、锗、砷化镓和磷化铟等栅材：二氧化硅、氮化硅、和三氧化二铝等制备工艺：MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型（N型）半导体上生成一层SiO2

薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型（P型）区，从N型（P型）区引出电极。基本结构参数

----电容结构沟道长度沟道宽度栅绝缘层厚度tOX

扩散结深衬底掺杂浓度NA

+表面电场MOSFETFundamentalsD-S

间总有一个反接的PN结产生垂直向下的电场MOS管工作原理

栅压从零增加，表面将由耗尽逐步进入反型状态，产生电子积累。当栅压增加到使表面积累的电子浓度等于或超过衬底内部的空穴平衡浓度时，表面达到强反型，此时所对应的栅压称为阈值电压UT

。感应表面电荷吸引电子电场排斥空穴NMOS正常工作时的偏置强反型时，表面附近出现的与体内极性相反的电子导电层称为反型层——沟道，以电子导电的反型层称做N沟道。感应表面电荷一种典型的电压控制型器件电流通路——从漏极经过沟道到源极UGS=0,

UDS≠0，漏端PN结反偏，反偏电流很小——器件截止

UGS≠0,

UDS≠0，表面形成沟道，漏区与源区连通，电流明显；

——器件导通

zeroappliedbias源极和漏极之间始终有一个PN结反偏，IDS=0分析：漏-源输出特性

下面分区讨论各区的特点曲线与虚线的交点为“夹断点”夹断区(截止区)恒流区(放大区或饱和区)预夹断轨迹可变电阻区击穿区（1）截止区特性（UGS

<UT开启电压）外加栅电压UGS在表面产生感应负电荷，随着栅极电压的增加，表面将逐渐形成耗尽层。但耗尽层电阻很大，流过漏—源端的电流很小，也只是PN结反向饱和电流，这种工作状态称为截止状态。Operation

Modes夹断区(截止区)恒流区(放大区或饱和区)预夹断轨迹可变电阻区击穿区（2）线性区特性（UGS

≥UT）——曲线OA段当UGS

UT后，表面形成强反型导电沟道，若加上偏置电压UDS

，载流子就通过反型层导电沟道，从源端向漏端漂移，由漏极收集形成漏-源电流IDS。UGS增大，反型层厚度亦增厚，因而漏-源电流线性增加。表面形成反型层时，反型层与衬底间同样形成PN结，这种结是由表面电场引起的;——场感应结

UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的;夹断区(截止区)恒流区(放大区或饱和区)预夹断轨迹可变电阻区击穿区（3）沟道夹断——曲线A点表面强反型形成导电沟道时，沟道呈现电阻特性，漏-源电流通过沟道电阻时，将在其上产生电压降。栅绝缘层上的有效电压降从源到漏端逐渐减小，UDS很大时，降落在栅下各处绝缘层上的电压不相等，反型层厚度不相等，因而导电沟道中各处的电子浓度不相同；UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。导电沟道呈现一个楔形沿沟道有电位梯度绝缘层内不同点的电场强度不同,左高右低夹断区(截止区)恒流区(放大区或饱和区)预夹断轨迹可变电阻区击穿区当电压继续增加到漏端栅绝缘层上的有效电压降低于表面强反型所需的阈值电压UT

时，漏端表面的反型层厚度减小到零，即漏端处沟道消失，只