微电子器件
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spContent=在微电子器件课程的教学过程中,自始自终把培养学生掌握微电子器件的基本分析方法放在首位,培养学生具备举一反三,触类旁通的能力,使学生在将来的工作中能够进一步深入地学习、研究、设计及测试微电子器件打下坚实的基础。本课程采用的教材是陈星弼院士等编著的《微电子器件》。
—— 课程团队
课程概述

本课程是电子科学与技术集成电路设计与集成系统专业的一门专业主干课,目的是使学生掌握二极管、双极型晶体管与MOS场效应晶体管的基本原理和工作特性。这些内容是微电子技术领域的工程师所必须掌握的。本课程的先修课程是半导体物理。本课程是晶体管设计与模拟、集成电路原理、微电子工艺、集成电路制造工艺等有关的课程的先修课程。 


课程大纲

第一周 半导体器件基本方程、平衡PN结空间电荷区和内建电势

教学内容:

1、    半导体器件三组基本方程:泊松方程、输运方程(或称为电流密度方程)和连续性方程。

2、    PN结的平衡状态是PN结的最基本的状态,掌握了PN结的平衡状态,就掌握了PN结的最基本的特性,并且可以由此推广到非平衡状态。

教学要求:

1、  掌握一维形式的半导体器件基本方程、电荷控制方程和基本方程的6个应用例子。理解三维形式的半导体器件基本方程、基本方程的积分形式和扩散方程。

2、  掌握空间电荷区的形成过程、内建电场与内建电势的概念及其计算、耗尽区宽度的计算。理解突变结与线性缓变结、耗尽近似与中性近似等概念、掺杂浓度与内建电场的斜率之间的关系、从而掺杂浓度与耗尽区宽度之间的关系。

 

第二周 平衡PN结的能带图与空间电荷区载流子分布、外加偏压PN结载流子运动

教学内容:

1、    平衡PN结的能带图的画法,通过波尔兹曼方程推导出空间电荷区载流子分布;

2、    外加偏压下PN结的载流子在四个区域的运动情况;

教学要求:

1、    掌握平衡条件下PN结能带图的画法,并能根据能带图算出空间电荷区的载流子浓度分布;

2、    掌握外加偏压下PN结载流子的运动情况。

 

第三周 理想的PN结直流电流电压特性、势垒区复合产生电流对PN结直流特性的影响

学习内容:

1、    将从PN结内部载流子的分布与外加电压之间的关系,来说明PN结为什么具有单向导电性,并推导出PN结的直流电流电压方程;

2、    推导PN结势垒区产生复合电流的主要思路是,首先确定势垒区中净复合率的近似表达式,然后将其在整个势垒区中作积分,即可得到PN结势垒区产生复合电流密度的表达式。

学习要求:

1、  掌握PN结的直流电流的形成原因及构成、结定律及少子浓度边界条件、有外加电压时的少子浓度分布及其示意图、扩散电流的表达式、反向饱和电流及其影响因素、正向导通电压的概念;

2、  掌握外加偏压下势垒区复合产生电流的成因,并能够与扩散电流进行比较。

 

第四周 准费米能级与大注入效应、PN结的击穿电压

教学内容:

1、    在非平衡状态下,两种载流子之间不能达到平衡态,同种载流子在不同地点之间也不能达到平衡态。但对同一地点的同一种载流子而言,费米能级仍然存在。于是为了能用与平衡载流子浓度分布公式相类似的公式来描述非平衡载流子浓度的分布,引入了准费米能级的概念;

2、    大注入条件及大注入条件下的PN结电流公式大注入条件下自建场的形成原因;

3、    引起反向击穿的三种机理,即雪崩倍增、隧道效应和热击穿。

教学要求:

1、  要求学生掌握PN结在外加正向电压和反向电压时的能带图,理解准费米能级的概念;

2、  要求学生掌握PN结小注入条件与大注入条件、大注入条件下的PN结电流公式。理解大注入条件下的少子边界条件及自建场、转折电压、WEBSTER效应;

3、  要求学生掌握PN结雪崩倍增因子的概念、利用雪崩击穿临界电场来计算雪崩击穿电压的方法、隧道击穿的原理。理解碰撞电离率的概念、雪崩击穿和隧道击穿的大小关系、击穿电压的温度系数。

 

第五周PN结的势垒电容和扩散电容、PN结的开关特性

教学内容:

1、    首先说明势垒电容上的电荷是什么电荷,以及这些电荷与外加电压的关系,接着引出势垒电容的定义。根据势垒电容上电荷的特点,可以将势垒电容看作一个普通的平行板电容器,从而可以采用平行板电容器的简单公式来计算PN结的势垒电容,PN结势垒区的厚度就相当于平行板电容器的极板间距。

2、    PN结的实际应用中,有一种情形是在正向直流偏压上迭加一个小信号交流电压,这时PN结的正向电流也有类似的形式,即在正向直流电流上迭加一个小信号交流电流。本节推导PN结扩散电容的主要思路是:由给定的小信号交流电压值,求出与之对应的小信号交流电流,小信号交流电流的幅度除以小信号交流电压的幅度,可以得到PN结的小信号交流导纳。这个导纳的实部是PN结的小信号电导,导纳的虚部中即包含了PN结的扩散电容;

3、    将在直流特性和瞬态特性两个方面,将PN结二极管与理想开关进行比较,找出PN结二极管与理想开关之间存在的差距及其原因,并讨论减小这些差距的措施。

教学要求:

1、     要求学生掌握势垒电容的物理意义、势垒电容的定义、突变结与线性缓变结的势垒电容计算公式、突变结与线性缓变结的势垒电容与偏压的关系、减小势垒电容的措施。

2、     要求学生掌握小信号的条件、PN结扩散电容的物理意义、PN结小信号电导及小信号电阻的计算公式、PN结扩散电容的计算公式、扩散电容与偏流及偏压的关系、减小扩散电容的措施、二极管的交流小信号等效电路。理解交流小信号下的少子浓度边界条件、扩散电容的各种特点;

3、     要求学生掌握PN结的直流开关特性、存储时间、下降时间和反向恢复时间、引起反向恢复过程的原因、反向恢复时间的计算公式、减小反向恢复时间的措施。理解反向恢复过程对开关二极管的开关速度的影响、储存在中性区的非平衡少子电荷在反向恢复期间的变化情形。

 

第六周 双极结型晶体管基础、均匀基区晶体管电流放大系数

教学内容:

1、  介绍关于双极结型晶体管的基础知识和基本特点;

2、  根据晶体管的基区输运系数、发射结注入效率和共基极电流放大系数的定义,晶体管的共基极电流放大系数就是基区输运系数和发射结注入效率的乘积。所以本节将先依次推导基区输运系数和发射结注入效率的表达式,然后将它们相乘即可得到共基极电流放大系数,再根据共基极电流放大系数与共发射极电流放大系数之间的关系,即可得到共发射极电流放大系数;

教学要求:

1、  要求学生掌握双极晶体管的基本工作原理、双极晶体管的结构、晶体管的各种工作状态及其与两个结上的偏压的关系、晶体管在各工作状态下的少子分布图与能带图、晶体管中的电流传输过程、晶体管的共基极与共发射极直流短路电流放大系数的定义及其相互关系。理解晶体管的共基极与共发射极静态电流放大系数的定义及其相互关系;

2、  要求学生掌握基区输运系数的定义与表达式、基区渡越时间的定义与表达式、发射结注入效率的定义与表达式、均匀基区晶体管的共基极与共发射极电流放大系数的表达式。

 

第七周 缓变基区晶体管的电流放大系数

教学内容:

在缓变基区晶体管中,由于基区杂质分布不均匀,基区内会产生内建电场。少子在基区中不但有扩散运动,还有漂移运动,甚至以漂移运动为主,从而缩短了少子的基区渡越时间,有利于提高基区输运系数与电流放大系数,也有利于以后要介绍的晶体管的频率特性。本节除了将要推导出缓变基区晶体管的基区输运系数、发射结注入效率和共基极共发射极电流放大系数的表达式外,还将围绕电流放大系数作一些专题讨论,例如关于小电流时放大系数的下降,关于发射区重掺杂的影响等。最后将简要介绍异质结双极晶体管的基本原理,它是利用了与发射区重掺杂效应相反的效应。

教学要求:

要求学生掌握缓变基区晶体管中的杂质分布情形、缓变基区晶体管中的基区内建电场极其对基区渡越时间和基区输运系数的作用、缓变基区晶体管的电流放大系数、电流放大系数在小电流下的变化极其原因、发射区重掺杂效应、异质结双极晶体管的基本原理。理解缓变基区晶体管的能带图、缓变基区晶体管中的少子分布图、基区陷落效应。

 

第八周 双极晶体管的直流电流电压方程

教学内容:

对于基区来说,集电结零偏集电区不存在、基区的右侧与金属电极接触,这两种情况的少子边界条件是相同的,基区右边界处的少子浓度都等于平衡少子浓度。集电结零偏、发射结任意偏压下的电流已经在前面得到。如果把晶体管的发射区当作集电区,把集电区当作发射区,则可以得到一个倒过来应用的晶体管。这种晶体管称为倒向晶体管。倒向晶体管的集电结零偏就是正向晶体管的发射结零偏。把两种情况下的个电极上的电流加起来,就可得到两个结上均为任意直流电压时晶体管的直流电流表达式,即晶体管的直流电流电压方程。

教学要求:

要求学生掌握倒向晶体管的概念、埃伯斯-莫尔(Ebers-Moll)方程、共基极和共发射极输出特性方程及输出特性曲线、IESICSICBOICEO的测量方法、基区宽度调变效应及减小这种效应的措施、厄尔利电压的概念。

 

第九周 双极晶体管的反向特性、基极电阻

教学内容:

1、  由于在晶体管中有多种反向电流,每一种反向电流趋于无穷大时就有一种相应的击穿电压,所以晶体管有多种击穿电压。本节将主要介绍三种常见的击穿电压。本节还将介绍晶体管的基区穿通效应;

2、  如果把基极电流IB从基极引线流经非工作基区到达工作基区所产生的电压降,当作是由一个电阻产生的,则称这个电阻为基极电阻,用rbb΄表示。由于基区很薄,基极电阻的截面积很小,使基极电阻的值相当可观,对晶体管的特性会产生明显的影响。基极电阻大致由四部分串联构成:(1)非工作基区与基极金属的欧姆接触电阻rcon(2)基极接触处到基极接触孔边缘下的基区电阻rcb(3)基极接触孔边缘下到工作基区边缘的基区电阻rb(4)工作基区的基区电阻rb¢。本节将借助于方块电阻来对这些电阻进行计算,并讨论减小基极电阻的措施,其中包括非工作基区重掺杂等。

教学要求:

1、  要求学生掌握各种反向截止电流的测量方法、各种击穿电压的测量方法、雪崩倍增效应对共基极接法的影响和对共发射极接法的影响、包括击穿特性的输出特性曲线、BVCBOBVCEO之间的关系、基区穿通效应及其防止措施、基区局部穿通的概念。理解浮空电势的概念、计算雪崩倍增因子的经验公式、ICEO ~ VCE曲线中的负阻现象及其原因、发射极与基极之间接有外电路时的反向电流与击穿电压;

2、  要求学生掌握方块电阻的定义、利用方块电阻来计算矩形薄层材料的电阻的方法、欧姆接触电阻的计算、工作基区与非工作基区的概念、减小基极电阻的措施。理解构成基极电阻的各部分电阻在晶体管中的位置、影响欧姆接触电阻的各种因素、以功率相等为标准的等效电阻的概念。

 

第十周 双极型晶体管与频率相关的内容

教学内容:

1、  在共基极接法中,高频小信号电流在从发射极流入从集电极流出的过程中,除了发生类似于直流下的两种亏损外,还会发生一些新的变化。造成这些变化的原因是在直流下可以忽略的发射结势垒电容、扩散电容和集电结势垒电容、以及较宽的集电结势垒区对电流的延迟作用等在高频不能再被忽略。于是随着信号频率的提高,晶体管的高频小信号电流放大系数的幅度会下降,相位会滞后。本节通过对电流放大系数随频率提高而下降的规律的详细研究,得出在高频下频率每加倍电流放大系数的幅度下降一半的结论。反映电流放大系数的频率特性的主要参数是特征频率,其定义是当电流放大系数的幅度下降到1时的频率。给出了特征频率的计算公式和测量方法,讨论了提高特征频率的措施;

2、  如果用另外一些元件构成一个电路,使这个电路输入输出端上信号量之间的关系和晶体管的完全一样,则这个电路就是晶体管的等效电路。构建等效电路的依据就是电流电压方程。在分析含有晶体管的电路时,用等效电路来代替晶体管是很方便的;

3、  所谓对信号进行放大,从本质上讲应该是对信号功率的放大。晶体管对信号功率的放大能力,称为晶体管的功率增益。利用共发射极T形等效电路,并在输出端接共轭匹配负载时,可以得到最大功率增益。功率增益与频率平方的乘积称为晶体管的高频优值,只取决于晶体管本身而与频率无关,是综合衡量晶体管的功率放大能力和频率特性的一个重要参数,又称为功率增益-带宽乘积。晶体管的功率增益随着频率的提高而下降,频率每加倍,功率增益降为1/4。当频率超过最高振荡频率时,晶体管就会失去功率放大能力。特征频率代表的是共发射极接法的晶体管有电流放大能力的频率极限,而最高振荡频率则代表晶体管有功率放大能力的频率极限。

教学要求:

1、  要求学生掌握高频小信号基区输运系数的定义、基区渡越时间对高频小信号的作用、基区渡越时间与发射极扩散电容的关系、高频小信号基区输运系数的精确公式、共基极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率、共发射极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率、特征频率的定义、计算和测量、提高特征频率的措施。理解特征频率随电流的变化、影响高频电流放大系数与特征频率的其它因素;

2、  要求学生根据高频小信号电流电压方程画出原始的高频小信号等效电路、混合π等效电路、直流小信号等效电路、共发射极T形等效电路;

3、  要求学生掌握最大功率增益的定义及计算、高频优值的定义及计算、最高振荡频率的定义及计算、高频优值与最高振荡频率之间的关系、提高晶体管高频优值的措施。理解晶体管输入功率和最大输出功率的计算、包括发射极引线电感的最大功率增益和最高振荡频率的计算、提高晶体管高频优值的各项措施所带来的负面影响。

 

第十一周 MOSFET基础、MOSFET阈电压

教学内容:

1、  N沟道MOSFET中,当栅极上没有外加适当的栅极电压时,N+源区和N+漏区被两个背靠背的二极管所隔离。这时如果在漏极与源极之间加上漏源电压VDS,是不会产生电流的。当加在栅极上的栅源电压VGS达到阈电压VT的值时,栅极下面的P型半导体表面发生强反型,形成连通N+源区和N+漏区的N型沟道,在VDS作用下就能产生漏极电流ID。在VDS一定的条件下,VGS越大,则N型沟道内的可动电子数就越多,ID就越大。在VDS足够大且恒定时,IDVGS的增大而变化的规律,称为MOSFET的转移特性。所以MOSFET的基本工作原理,是通过改变栅源电压VGS来控制沟道的导电能力,从而控制漏极电流ID 。因此MOSFET是一种电压控制型器件;

2、  阈电压也称为开启电压,是MOSFET的重要参数之一,其定义是使栅下的衬底表面开始发生强反型时的栅极电压。在推导阈电压的表达式时可以近似地采用一维分析,即认为衬底表面下空间电荷区内的空间电荷完全由栅极与衬底之间的电压所决定,与漏极电压无关。作为推导MOSFET的阈电压的工作的一部分,先推导以P型半导体为衬底的没有源、漏区的MOS结构的阈电压。整个推导过程可分为四个步骤,即理想MOS结构当VG = 0时的情形、实际MOS结构当VG = 0时的情形、实际MOS结构当VG = VFB时的情形和实际MOS结构当VG = VT时的情形。然后将所得结果推广到有源、漏区的MOSFET中。

教学要求:

1、 要求学生掌握MOSFET的基本结构、MOSFET的工作原理、MOSFET的类型、MOSFET的转移特性曲线图、沟道电阻与漏源电压的关系、MOSFET的输出特性曲线图。了解MOSFET的优点;

2、 要求学生掌握衬底费米势及表面势的概念、表面强反型的概念、MOSFET阈电压的定义及计算、影响阈电压的各种因素、MOSFET的衬底偏置效应。理解推导阈电压时所用的能带图、离子注入对阈电压的调整。

 

第十二周 MOSFET的直流电流电压方程、MOSFET的直流特性和温度特性

教学内容:

1、推导MOSFET在线性区、饱和区和亚阈区的直流电流方程;

2MOSFET的常用直流参数有阈电压、饱和漏极电流、截止漏极电流和通导电阻等,关于阈电压的问题已经在前面作过详细讨论,本节主要介绍后三个直流参数。本节还将介绍MOSFET的阈电压和漏极电流等重要参数的温度系数的推导,结果表明MOSFET有良好的温度稳定性。最后介绍MOSFET的击穿电压。当漏源电压超过一定限度时,漏极电流将迅速上升,这种现象称为漏源击穿,在MOSFET中产生漏源击穿的机构有两种,一是漏PN结的雪崩击穿,二是漏源两区的穿通,对应的击穿电压分别是漏源雪崩击穿电压和漏源穿通电压。当栅源电压超过一定限度时,会使栅氧化层发生击穿,造成永久性的损坏,使栅氧化层发生击穿的栅源电压称为栅源击穿电压。

教学要求:

1、  要求学生掌握沟道电子电荷面密度的表达式、MOSFET非饱和区漏极电流的近似表达式、沟道夹断的概念、饱和漏源电压与饱和漏极电流的定义及计算、有效沟道长度调制效应及其防止措施。理解漏区静电场对沟道的反馈作用。掌握亚阈区电流的特性、亚阈区栅源电压摆幅的计算及影响因素。

2、  要求学生掌握MOSFET的通导电阻的定义及计算、MOSFET的阈电压与漏极电流的温度特性、MOSFET的漏源雪崩击穿电压及其特点、MOSFET的漏源穿通及其影响。理解MOSFET的栅源击穿电压及其特点。

 

第十三周 MOSFET的小信号参数、短沟道效应、MOSFET的发展方向

教学内容:

1、  介绍跨导、漏源电导和电压放大系数等三个小信号参数;

2、  前面用于分析MOSFET的模型可以称为长沟道模型,或经典模型。但是随着MOSFET沟道长度的不断缩短,许多原来可以忽略的效应变得显著起来,甚至成为主导因素,使MOSFET出现了一系列在长沟道模型中得不到反映的现象。这一系列的现象统称为短沟道效应。对短沟道效应必须进行二维甚至三维分析,一般是用计算机来进行数值模拟。本节将采用一些简单的模型来对短沟道效应作近似分析;

3、  MOSFET过去40年的发展历史及今后的发展趋势来看,其发展方向主要是沟道长度的不断缩短。这种发展趋势可以用摩尔定律来描述,即MOS集成电路的集成度每18个月翻一番,最小线宽每6年下降一半。缩短MOSFET的沟道长度虽然可以提高分立器件和集成电路的性能,但是单独缩短沟道长度会引起短沟道效应,导致MOSFET性能的退化。所以MOSFET的发展过程,就是在不断缩短沟道长度的同时,尽量设法消除或削弱短沟道效应的过程。主要介绍衡场按比例缩小法则。

教学要求:

1、  要求学生掌握MOSFET的跨导的定义及计算、漏源电导的定义及计算、电压放大系数的定义及计算;

2、  要求学生掌握MOSFET的阈电压的短沟道效应及其防止措施、VGS对迁移率的影响、VDS对迁移率的影响、载流子速度饱和对饱和漏源电压与饱和漏极电流的影响、漏诱生势垒降低效应、强电场效应及其对衬底电流和击穿特性的影响、沟道热电子效应。理解阈电压的窄沟道效应、最高漏源使用电压;

3、  了解MOSFET的发展方向,掌握衡场按比例缩小法则的特点。


预备知识

先修课程:《固体物理》、《半导体物理》


证书要求

1、  完成所有课程的学习;

2、  完成单元测试;(15分)

3、  完成单元作业;(15分)

4、  完成课程考试;(60分)

5、 完成课程讨论。(10分)


参考资料
  1. Ÿ   《微电子器件》,陈星弼、张庆中、陈勇编著,电子工业出版社;

  2. Ÿ   《微电子技术基础双极、场效应晶体管原理》,曹培栋编著,电子工业出版社;

  3. Ÿ   《半导体器件电子学(英文版)》,R . M . WarnerB . L . Grung著,电子工业出版社。