微电子器件原理PPT课件（共10章）01绪论

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1、微电子器件原理 什么是微电子？什么是微电子？什么是微电子器件？什么是微电子器件？什么是微电子？什么是微电子？什么是微电子器件？什么是微电子器件？微电子器件原理微电子器件原理固态电子论微电子工艺基础集成电路微波器件MEMS半导体器件物理传感器光电器件晶体管原理应 用 领 域本课程的地位和作用本课程的地位和作用（基础）（基础）课程的地位和作用： 以半导体能带理论、载流子的传输现象和过程为基础，以双极型器件和场效应器件为典型代表，分析器件结构、工作原理及其外部特性与载流子传输过程的内在联系，是学习和研究集成电路、微波器件、光电器件、传感器、MEMS等的重要基础。 课程内容： 以双极型晶体管和场效应晶

2、体管为代表，由载流子浓度分布及其运动规律的微观过程为出发点分析、研究器件的工作原理和特性。掌握：基本概念 基本原理 基本方法（计算）第一章第一章 p np n结结 1.1 p-n结的形成及平衡状态 1.2 p-n结的直流特性 1.3 p-n结空间电荷区和势垒电容 1.4 p-n结的交流小讯号特性 1.5 p-n结击穿第二章第二章 双极型晶体管的直流特性双极型晶体管的直流特性 2.1 晶体管的基本结构和杂质分布 2.2 晶体管的放大机理 2.3 晶体管的直流I-V特性及电流增益 2.4 晶体管的反向电流及击穿电压 2.5 晶体管的直流特性曲线介绍 2.6 基极电阻 2.7 埃伯尔斯莫尔模型1.6

3、开关特性；1.7二极管其他类型第三章第三章 双极型晶体管的频率特性双极型晶体管的频率特性 3.1 晶体管交流电流放大系数与频率参数 3.2 晶体管的交流特性分析 3.3 晶体管的高频参数及等效电路 3.4 高频下晶体管中载流子的输运及中间参数 3.5 晶体管电流放大系数的频率关系 3.6 晶体管的高频功率增益 3.7 工作条件对晶体管fT、Kpm的影响第四章第四章 双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性 4.1 集电极最大允许工作电流 4.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响 4.3 有效基区扩展效应 4.4 发射极电流集边效应 4.5 发射极单位周长电流容量 4.6 晶体管最大耗散功

4、率PCM 4.7 二次击穿和安全工作区 第五章第五章 二极管和双极型晶体管的开关特性二极管和双极型晶体管的开关特性 5.1 p-n结二极管的开关特性 5.2 晶体管的开关作用 5.3 晶体管的开关过程和开关时间 5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降第六章第六章 结型场效应晶体管结型场效应晶体管 6.1 结型场效应晶体管的基本工作原理 6.2 结型场效应晶体管的直流特性与低频小信号参数 6.3 结型场效应晶体管的交流特性 6.4 结型场效应晶体管的功率特性 6.5 结型场效应晶体管结构举例第七章第七章 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 7.1 MOSFET的基本工作原理和分类 7.2 MO

5、SFET的阈值电压 7.3 MOSFET的电流电压特性和直流特性曲线 7.4 MOSFET的击穿特性 7.5 MOSFET的频率特性 7.6 MOSFET的功率特性和功率MOSFET的结构 7.7 MOSFET的开关特性 7.8 MOSFET的温度特性 7.9 MOSFET的短沟通和窄沟道效应第八章第八章 晶体管的噪声特性晶体管的噪声特性 8.1 晶体管的噪声和噪声系数 8.2 晶体管的噪声源 8.3 双极型晶体管的噪声 8.4 JFET和MESFET的噪声特性 8.5 MOSFET的噪声特性第一章 p-n结 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法p-n结,形成,平衡状态,杂质分布:突变结,缓

6、变结;空间电荷区:电场,电势,载流子浓度,空间电荷区宽度;正向、反向p-n结;正向阈值电压;耗尽层近似;势垒电容;变容二极管;扩散电容;p-n结击穿:定义,分类,碰撞电离率,倍增因子p-n结电流成分转换;正向I-V特性的讨论;大注入效应;p-n结击穿:电击穿,热击穿,雪崩击穿,隧道击穿;击穿电压影响因素及措施:球、柱、平面结,磨角势垒高度;正向电流公式;边界载流子浓度;实际扩散结势垒电容计算,查表;交流小信号特性分析方法,特性方程;雪崩击穿条件第二章1 BJT直流特性 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法基本结构,杂质分布;发射结注入,基区输运,集电结收集;电流放大系数,中间参量;缓变基区自

7、建电场;反向电流及击穿电压直流特性曲线;基极电阻;E-M模型 放大原理;载流子传输过程;缓变基区自建电场对载流子输运及分布的影响;放大系数影响因素及改善措施;击穿电压及相互关系;势垒穿通;厄尔利效应 基区载流子(少子,电子)密度分布;电流密度分布;电流增益;缓变基区晶体管发射效率,方块电阻;基极电阻,等效功率法;分贝 第三章 频率特性 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法交流电流放大系数与频率参数;高频参数及等效电路;高频下载流子输运及中间参数;高频功率增益;最佳高频功率增益;高频优值 基区宽变效应;高频下载流子输运及中间参数;工作条件对频率参数的影响 交流特性分析;高频参数及等效电路*放大

8、系数的频率关系;高频优值 第四章 功率特性 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法集电极最大允许工作电流;基区大注入自建电场;发射极有效长度、宽度;二次击穿;安全工作区;发射极镇流电阻 基区大注入对电流放大系数的影响;基区电导调制效应;有效基区扩展效应:均匀基区,缓变强场,缓变弱场;发射极电流集边效应;二次击穿:电流集中,雪崩注入 几个临界电流密度;热阻;耗散功率;转换效率 第五章 开关特性 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法开关时间,反向恢复时间,贮存时间,下降时间;晶体管开关时间定义;正向压降,饱和压降;临界饱和基极电流;过驱动电流;饱和,截止状态;电荷控制参数 开关作用;电荷存储效应

9、;反向恢复过程;缩短二极管开关时间措施;晶体管开关作用,特点及要求;开关过程;电荷存储效应;提高开关速度的措施 反向恢复时间;贮存时间,下降时间;电荷控制法;电荷控制方程;开关时间 第六章 JFET&MESFET 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法分类,符号;直流参数;交流参数;频率参数 基本结构,工作原理;特性曲线;特性影响因素;短栅器件的速度饱和效应;串联电阻的影响;温度效应 直流参数;交流参数;频率参数 第七章 MOSFET 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法阈值电压;直流参数;小信号低频参数;高频功率增益;开关时间;短沟道效应,判据 基本结构,工作原理;阈值电压;击穿机制;雪崩

10、注入及应用;沟道长度调制效应;漏区电场静电反馈效应;低频小信号模型;密勒效应;开关特性;温度特性;短沟道和窄沟道效应 阈值电压;直流特性分析;直流参数;低频参数;频率特性;开关时间 第八章 噪声特性 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法噪声,噪声系数;信噪比;热噪声;散粒噪声;1/f噪声;噪声频谱特性;诱生栅极噪声 分贝 1、 半导体器件电子学 Semiconductor-Device Electronics（英文版）电子工业出版社2002.092、微电子器件技术基础 电子工业出版社 2001.043、晶体管原理 国防工业出版社 2002.014、现代半导体器件物理科学出版社 2001.06

11、5、S.M. Sze, Semiconductor Device Physics and Technology 19856、S.M. Sze ,Modern Semiconductor Device Physics 19987、晶体管原理与设计 科学出版社 1979主要参考书*据统计：半导体器件主要有据统计：半导体器件主要有67种，另外还有种，另外还有110多个相关的变种多个相关的变种*所有这些器件都是由少数的基本模块构成：所有这些器件都是由少数的基本模块构成： p-n结结金属半导体接触金属半导体接触 MOS结构结构 异质结异质结 超晶格超晶格半导体器件基础半导体器件基础半导体器件基础半导体器

12、件基础半导体器件的发展历程半导体器件的发展历程萌萌芽芽期期成长期成长期成熟期成熟期衰退期1874年年 F.Braun半导体器件的第半导体器件的第1项研究项研究金属半导体接触金属半导体接触1939年年 Schottky肖特基势垒肖特基势垒1907年年 H.J.RoundSiC发光二极管发光二极管 LED1947年年 Shockley ，Bardeen, Brattain晶体管晶体管 (transistor)点接触式点接触式诺贝尔奖诺贝尔奖1949年年 Shockleyp-n结结双极晶体管（双极晶体管（BJT1940187019301950萌萌芽芽期期第一个点接触式的第一个点接触式的Ge晶体管晶体

13、管 (transistor)成为现代电子成为现代电子工业的基础工业的基础获获1956年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖 1947年年12月月23日第一只日第一只晶体管晶体管在贝尔实验室诞生，从此人在贝尔实验室诞生，从此人类步入了飞速发展的电子时代。类步入了飞速发展的电子时代。 1947年年12月月23日第一只日第一只晶体管晶体管在贝尔实验室诞生，从此人在贝尔实验室诞生，从此人类步入了飞速发展的电子时代。类步入了飞速发展的电子时代。 1957年年 Kroemer异质结异质结双极晶体管双极晶体管HBT诺贝尔奖诺贝尔奖1952年年 Schockley结型场效应晶体管结型场效应晶体管JFET第第1个半导体场

14、效应器件个半导体场效应器件1954年年 Chapin, Fuller, Pearson 硅太阳电池，硅太阳电池，61952年年Ebers闸流管模型闸流管模型 thyristor1958年年 Esaki隧道二极管隧道二极管诺贝尔奖诺贝尔奖19601950进进入入成成长长期期1960年年 Kahng,Atalla增强型增强型MOSFET1962年年 Hall, Nathan, Quist 半导体激光器半导体激光器1963年年Gunn渡越电子二极管渡越电子二极管Gunn二极管二极管1967年年Kahng, Sze非挥发存储器非挥发存储器1966年年 MeadMESFET1965年年Johnston,

15、 DeLoach, CohenIMPATT二极管二极管197019601962年年Wanlass、C. T. SahCMOS技术技术1968年年Dennard单晶体管单晶体管DRAM第一个增强型第一个增强型MOSFET利用硅和热氧化生长的二氧化硅，其利用硅和热氧化生长的二氧化硅，其上为铝栅上为铝栅沟道长度：沟道长度：25微米微米栅氧化层：栅氧化层：1000埃埃 1958年月12日（实验成功），杰克基尔比发明了集成电路，这一发明奠定了现代微电子技术的基础，如果没有他的发明，就不会有计算机的存在，信息化时代也只能空谈。基尔比实现了把晶体管、二极管、电阻、电容等元件都做在一块半导体晶片上以形成电路的

16、设想。它包含有只晶体管、只电阻器和只电容器，全部元器件都做在一块半导体锗晶体片上，元器件之间的导线是黄金膜，整个电路大小相当于半只曲别针。 杰克杰克 基尔比（基尔比（Jack S. Kilby） 集成电路之父集成电路之父 Ge 衬底上的混合集成电路，移相振荡器 美国专利号3138743 2000年基尔比因为发明集成电路而获得当年的诺贝尔物理学奖。这份殊荣，经过四十二年的检验显得愈发珍贵，更是整个人类对基尔比伟大发明的充分认可。诺贝尔奖评审委员会的评价很简单：“为现代信息技术奠定了基础”。 第一块硅单片集成电路，1959， Noyce罗伯特罗伯特 诺伊斯（诺伊斯（Robert Noyce）：科学、商业双料巨人）：科学、商业双料巨人 他在基尔比的基础上发明了可商业生产的集成电路，使半导体产业由“发明时代”进入了“商用时代”。同时，还共同创办了两家硅谷最伟大的公司：一个是曾经有半导体行业“黄埔军校”之称的-仙童(Fairchild)公司，一个是当今世界上最大设计和生产半导体的科技巨擎英特尔公司。 1959年7月，诺伊斯研究出一种二氧化硅掩蔽的扩散技术和PN结的隔离技术，并创造性地在氧化膜上制