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微电子期末
2020-01-04

半导体物理基础

半导体材料

本征半导体,空穴及其导电作用

半导体的重要特性

本证半导体的缺点:载流子少,导电性差,温度稳定性差

杂质半导体

参入杂质的本征半导体称为杂质半导体

P型半导体

N型半导体

载流子的漂移与扩散

PN结

对于P型半导体和N型半导体的结合面,离子薄层形成的空间电荷区称为PN结

在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层

PN结的单向导电性

PN结的反向击穿

PN结的电容效应

二极管

二极管的$V$-$I$特性

二极管的伏安特性曲线可表示:$i_D=I_S(e^{v_D/V_T}-1)$

二极管的主要参数

二极管电路的简化模型分析方法

理想模型

恒压降模型

管压降恒定:

折线模型

硅管:

小信号模型

常温下微变电阻$(300K)r_d=\dfrac{V_T}{I_D}=\dfrac{26(mV)}{I_D}$

模型分析法应用举例

限幅电路

开关电路

低电压稳压电路

小信号工作情况分析

TODO

齐纳二极管

半导体三极管

三极管的结构和符号

放大状态下三极管的工作原理

实现放大的外部条件:发射结正偏,集电结反偏

实现放大的内部条件:发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度,且基区很薄

共基极直流放大系数$\bar{\alpha}=\dfrac{\text{传输到集电极的电流}}{\text{发射极注入电流}}=\dfrac{I_{C}-I_{CBO}}{I_{E}}\approx\dfrac{I_C}{I_E}$

共射极直流放大系数$\bar{\beta}=\dfrac{\bar{\alpha}}{1-\bar{\alpha}}$

反向饱和电流/穿透电流$I_{CEO}=(1+\bar{\beta})I_{CBO}$

当$I_C >> I_{CEO}$时,忽略$I_{CEO}$,则$\bar{\beta}\approx\dfrac{I_C}{I_B}$

三极管的三种组态

BJT的$I$-$V$特性曲线

输入特性曲线

$$i_B=f(v_{BE})|_{v_{CE}=const}$$

输出特性曲线

$$i_C=f(v_{CE})|_{i_B=const}$$

BJT的主要参数

  1. 电流放大系数

    • 共发射极直流电流放大系数$\bar{\beta}=\dfrac{I_C-I_{CEO}}{I_B}\approx\dfrac{I_C}{I_B}|_{v_{CE}=const}$

    • 共发射极交流电流放大系数$\beta=\dfrac{\Delta I_C}{\Delta I_B}|_{v_{CE}=const}$

    • 共基极直流电流放大系数$\bar{\alpha}=\dfrac{I_C-I_{CBO}}{I_E}\approx\dfrac{I_C}{I_E}$

    • 共基极交流电流放大系数$\alpha=\dfrac{\Delta I_C}{\Delta I_E}|_{v_{CB}=const}$
      当$I_{CBO}$和$I_{CEO}$很小时,$\bar{\alpha}\approx\alpha,\bar{\beta}\approx\beta$,可以不加区分

  2. 极间反向电流

  3. 极限参数

    • 集电极最大允许电流$I_{CM}$
    • 集电极最大允许功率损耗$P_{CM}=I_CV_{CE}$
    • 反向击穿电压
    • $V_{(BR)CBO}$:发射极开路时的集电结反向击穿电压
    • $V_{(BR)EBO}$:集电极开路时的发射结的反向击穿电压
    • $V_{(BR)CEO}$:基极开路时的集电极和发射极间的击穿电压

温度对BJT参数及特性的影响

温度对BJT参数的影响

温度对BJT特性曲线的影响

三极管放大电路

共射极放大电路的工作原理

静态

静态工作点(TODO)

动态

BJT放大电路的图解分析法

静态工作点的图解分析

动态工作情况的图解分析

静态工作点对波形失真的影响

放大电路的动态范围

温度对工作点的影响(定性)

  1. 温度变化对$I_{CBO}$的影响

$I_{CBO}=I_{CBO(T_0=25^{\circ}C)}\cdot e^{k(T-T_0)}$

温度$T$上升$\to$输出特性曲线上移

  1. 温度变化对输入特性曲线的影响

$V_{BE}=V_{BE(T_0=25^{\circ}C)}-(T-T_0)\times2.2\times10^{-3}V$

温度$T$上升$\to$输入特性曲线左移

  1. 温度变化对$\beta$的影响

温度每升高1$^{\circ}C,\beta$要增加$0.5\%\sim1.0\%$

温度$T$上升$\to$输出特性曲线族间距增大

基极分压式射极偏置电路

TODO

场效应管

场效应管的分类

  1. MOSFET(IGFET)绝缘栅型
    1. 增强型
      • N沟道
      • P沟道
    2. 耗尽型
      • N沟道
      • P沟道
  2. JFET结型(耗尽型)
    1. N沟道
    2. P沟道

耗尽型:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在
增强型:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道

结构

特性曲线

输出特性曲线

  1. 截止区
  2. 可变电阻区(非饱和区)
  3. 饱和区(恒流区,放大区):必须让FET工作在饱和区(放大区)才有放大作用

转移特性曲线

主要参数

  1. $V_T$:(增强型参数)开启电压
    $V_{TN}$:N沟道增强型开启电压
  2. $V_P$:(耗尽型/结型参数)夹断电压
  3. 饱和漏电流$I_{DSS}$(耗尽型):在$V_{GS}=0$的情况下,当$V_{DS} > V_P$时的漏极电流称为饱和漏极电流.通常令$|V_{DS}|=10V,V_{GS}=0V$时测出的$i_D$就是$I_{DSS}$.在转移特性上,就是$V_{GS}=0$时的漏极电流
  4. 直流输入电阻$R_{GS}$:在漏源之间短路的条件下,漏源之间加一定电压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻

N沟道增强型MOSFET

工作原理

  1. $V_{GS}$对沟道的控制作用

    • 当$V_{GS}\le0$时
      无导电沟道.$d,s$间加电压时,也无电流产生
    • 当$0 < V_{GS} < V_{TN}$时
      产生电场,但未形成导电沟道(反型层),$d,s$间加电压后,没有电流产生
    • 当$V_{GS} > V_{TN}$时
      在电场作用下产生导电沟道,$d,s$间加电压后,将有电流产生.$V_{GS}$越大,导电沟道越厚

  2. $V_{DS}$对沟道的控制作用
    当$V_{GS}$一定($V_{GS} > V_{TN}$)时

    • $V_{DS}$增加$\to I_D$增加$\to$沟道电位梯度增加$\to$靠近漏极$d$处的电位升高$\to(d)$电场强度减小$\to(d)$沟道变薄
    • 当$V_{DS}$增加到使$V_{GD}=V_{TN}$时,在紧靠漏极处出现预夹断
    • 预夹断后,$V_{DS}$增加$\to$夹断区延长$\to$沟道电阻增加$\to I_D$基本不变

  3. $V_{DS}$和$V_{GS}$同时作用时
    $V_{DS}$一定,$V_{GS}$变化时,给定一个$V_{GS}$,就有一条不同的$i_D$-$V_{DS}$曲线

N沟道耗尽型MOSFET

P沟道MOSFET

沟道长度调制等几种效应

  1. 沟道长度调制效应
    饱和区的曲线并不是平坦的

  2. 衬底调制效应(体效应)

    • 衬底未与源极并接时,衬底与源极间的偏压$V_{BS}$将影响实际的开启/夹断电压和转移特性
      • 阈值电压升高
      • TODO
    • 为保证导电沟道与衬底之间的PN结反偏,要求
      • N沟道:$V_{BS}\le0$
      • P沟道:$V_{BS}\ge0$

  3. 击穿效应

    1. 漏衬击穿:外加的漏源电压过高,将导致漏极到衬底的PN结击穿
    2. 栅极击穿:栅极电压过高,绝缘层击穿
      • 通常在MOS管的栅源间接入双向稳压管,限制栅极电压

JFET的结构和工作原理

工作原理

  1. $V_{GS}$对沟道的控制作用
    当$V_{GS} < 0$时:PN结反偏$\to$耗尽层加厚$\to$沟道变窄
    $V_{GS}$继续减小,沟道继续变窄
    当沟道夹断时,对应的栅源电压$V_{GS}$称为夹断电压$V_P$或$V_{GS(off)}$
    对于N沟道的JFET,$V_P < 0$

  2. $V_{DS}$对沟道的控制作用
    当$V_{GS}=0$时:$V_{DS}$增加$\to g,d$间PN结的反向电压增加,使靠近漏极处的耗尽层加宽,沟道变窄,从上至下呈楔形分布
    当$V_{DS}$增加到使$V_{GD}=V_P$时,在紧靠漏极处出现预夹断.此时$V_{DS}$增加$\to$夹断区延长$\to$沟道电阻增加$\to i_D$基本不变

  3. $V_{GS}$和$V_{DS}$同时作用时
    当$V_P < V_{GS} < 0$时,导电沟道更容易夹断,对于同样的$V_{DS},i_D$的值比$V_{GS}=0$时的值要小
    在预夹断处:$V_{GD}=V_{GS}-V_{DS}=V_P$

FET和BJT重要特性的比较

  1. 对应关系

  2. 输入对输出的控制

    • BJT:基-射极间电压$V_{BE}$控制集电极电流$i_C$
    • MOS管:栅源电压$V_{GS}$控制漏极$i_D$
    • 在放大区域内,MOS管的$i_D$与$V_{GS}$之间是平方关系,而BJT的$i_C$与$V_{BE}$之间是指数关系.所以通常BJT的跨导要大于MOS管的跨导
    • 因MOS管的栅极电流$i_G=0$而BJT的基极电流$i_B\not=0$,且电压$V_{BE}$首先影响$i_B$(或$i_E$)然后通过$i_B$()实现对$i_E$()的控制,故常将BJT称为电流控制器件,MOS管称为电压控制器件

  3. 跨导:TODO

  4. 输出电阻:TODO

  5. MOS管的$K_n$与BJT的$\beta$或$\alpha$:TODO

场效应管放大电路

基本共源极放大电路的组成

TODO

基本共源放大电路的工作原理

TODO

用图解方法确定静态工作点$Q$

TODO

放大电路模型

信号

模拟信号和数字信号

放大电路

放大电路的符号及模拟信号放大

放大电路模型

电压放大模型

$A_v=\dfrac{v_o}{v_i}=A_{vo}\dfrac{R_L}{R_o+R_L}$

  1. 负载大小会影响增益的大小
  2. 减小负载的影响
  3. 减小输入回路对信号的衰减影响

电流放大模型

$A_i=\dfrac{i_o}{i_i}=A_{is}\dfrac{R_o}{R_o+R_L}$

  1. 减小负载的影响
  2. 减小对信号源的衰减

互阻放大模型

TODO

互导放大模型

TODO

隔离放大电路模型

TODO

放大电路的主要性能指标

输入电阻

$R_i=\dfrac{v_i}{i_i}$

决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小

输出电阻

$R_o=\dfrac{v_t}{i_t}|_{v_s=0,R_L=\infty}$

决定了放大电路带负载的能力

增益

其中$A_v,A_i$常用分贝$(dB)$表示

频率响应(基本概念)及带宽(识图)

非线性失真

由元件非线性特性引起的失真
在频谱图上表现为新的频率分量产生

运算放大器

集成电路运算放大器

运算放大器的电压传输特性

设$v_p > v_N$

  1. 线性区

$V_- < A_{V_O}(v_p-v_N) < V_+$
$v_O=A_{V_O}(v_p-v_N)$

  1. 饱和区
    • $A_{V_O}(v_p-v_N)\ge V_+$
      $v_O=+V_{om}=V_+$
    • $A_{V_O}(v_p-v_N)\le V_-$
      $v_O=-V_{om}=V_-$

理想运算放大器

理想运算放大器特点

反馈(概念)

讲系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入,进而影响系统功能的过程

反馈的电压增益

深度负反馈

$A_V=\dfrac{v_o}{v_i}\approx\dfrac{1}{F_V}=1+\dfrac{R_2}{R_1}$

虚短和虚断

$A_V=\dfrac{v_o}{v_i}\approx\dfrac{1}{F_V}=\dfrac{v_o}{v_f}=\dfrac{v_o}{v_N} \Rightarrow v_i\approx v_f$或$v_P\approx v_N$

同相放大电路

  1. 电压增益

根据虚短和虚断的概念

  1. 输入电阻

$R_i=\dfrac{v_i}{i_i}\to\infty$

  1. 输出电阻

$R_O=r_O\parallel[(R_1\parallel r_i)+R_2]\to0$

同相放大电路-电压跟随器

$v_o=v_n\approx v_p=v_i$

反相放大电路

  1. 电压增益

根据虚短和虚断的概念

  1. 输入电阻

$R_i=\dfrac{v_i}{i_i}=\dfrac{v_i}{v_i/R_1}=R_1$

  1. 输出电阻

$R_O=r_O\parallel R_2\to0$

求差电路

$R_4=R_1,R_2=R_3$

求和电路

$R_1=R_2=R_3$

输出再接一级反向电路

数字逻辑

数字信号

  1. 模拟信号:时间和数值均连续变化的电信号,如正弦波,三角波

  2. 数字信号:在时间上和数值上均是离散的信号

  3. 模拟信号的数字表示:由于数字信号便与存储,分析和传输,通常将模拟信号转换为数字信号

数字信号的描述方法

  1. 二值数字逻辑和逻辑电平

    • 二值数字逻辑:0,1数码
      • 二进制数:表示数量
      • 二值逻辑:表示事物状态
    • 表示方式:在电路中用低,高电平表示0,1两种逻辑状态

  2. 数字波形:信号逻辑电平对时间的图形表示

    • 主要参数
      • 周期($T$):两个相邻脉冲之间的时间间隔
      • 脉冲宽度($t_w$):脉冲幅值的50%所跨越的时间
      • 占空比($Q$):脉冲宽度栈整个周期的百分比
      • 上升/下降时间($t_r/t_f$):从脉冲幅值10%到90%锁经历的时间

二值逻辑变量与基本逻辑运算

逻辑门电路

分类

一般特性

  1. 输入和输出的高,低电平

    • $V_{IL(max)}$:输入低电平的上限值
    • $V_{IH(min)}$:输入高电平的下限值
    • $V_{OL(max)}$:输出低电平的上限值
    • $V_{OH(min)}$:输出高电平的下限值

  2. 噪声容限

在保证输出电平不变的条件下,输出电平允许波动的范围

负载门输入高电平时的噪声容限:$V_{NH}-$当前级门输出高电平的最小值时允许负向噪声电压的最大值
$V_{NH}=V_{OH(min)}-V_{IH(min)}$

负载门输入低电平时的噪声容限:$V_{NL}-$当前级门输出低电平的最大值时允许正向噪声电压的最大值
$V_{NL}=V_{IL(max)}-V_{OL(max)}$

  1. 传输延迟时间

开关速度的参数,说明门电路在输入脉冲波形的作用下,其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间

  1. 功耗

    • 静态功耗:电路没有状态转换时的功耗,即门电路空载时电源总电流$I_D$与电源电压$V_{DD}$的乘积
    • 动态功耗:电路在输出状态转换时的功耗
    • 对于TTL门电路,静态功耗是主要的.CMOS电路的静态功耗非常低,有动态功耗

  2. 延时-功耗积
    是速度功耗综合性的指标,用符号$DP$表示
    $DP=\dfrac{t_{pLH}+t_{pHL}}{2}P_D$

  3. 扇入与扇出数

    • 扇入数:取决于逻辑门的输入端的个数
    • 扇出数:在正常工作情况下,所能带同类门电路的最大数目

MOS开关及其等效电路

当$v_1 < V_T$:MOS管截止,输出高电平
当$v_1 > V_T$并且比较大:MOS管工作在可变电阻区,输出低电平

MOS管相当于一个由$V_{GS}$控制的无触点开关

CMOS反向器

CMOS逻辑门

CMOS传输门

TODO

TTL

半导体存储器(基本概念)

微电子学的新发展(基本概念)

提纲

半导体三极管

三极管放大电路

场效应管

场效应管放大电路

放大电路模型

运算放大器

数字逻辑

逻辑门电路(不要求分析)