复旦微电子模拟电路第2章半导体器件
复旦课件-半导体器件-L03-MOSFET的基本特性
kT N B ln q ni
NB 增加 2 个数量级， VB 增加 0.12 V
VTn NMOS
VT / V
3.2 MOSFET的阈值电压8
3.2.3 影响 VT 的因素
3. 界面固定电荷 QSS 的影响 n 沟 MOS （NMOS） p 沟 MOS （PMOS）
22/121
3.1 MOSFET的结构和工作原理4
3.1.2 MOSFET的结构
6/121
3.1 MOSFET的结构和工作原理5
3.1.3 MOSFET的基本工作原理
ID 当 VG > VT 时 ID : 0
7/121
B
3.1 MOSFET的结构和工作原理6
3.1.4 MOSFET 的分类和符号
NMOS
26/121
3.2 MOSFET的阈值电压13
3.2.3 影响 VT 的因素
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect)
(2) MOSFET 的 VT
0 n+ VGS n+ EC EC EV EV VGS = VFB, VBS = 0 2qVB EC EC EV VGS = VT, VBS = 0 EV VGS = VT(VBS), VBS > 0 q |VBS| VGS = VFB, VBS > 0 q(2VB+ |VBS|)
接触电势差
功函数差
3.2 MOSFET的阈值电压3
3.2.2 阈值电压的表达式
16/121
n 沟 MOS （NMOS）
VTn ms
Qss qN Ad max 2kT N A ln Cox Cox q ni
p 沟 MOS （PMOS）
复旦大学(微电子)半导体器件第二章平衡载流子
E EF kBT
dE
2
2 me*kT
h3
3/ 2
exp
EC EF kBT
Nc 2
2 me*kBT
h3
3/ 2
n0
Nc
exp
Ec EF kBT
电子－空穴浓度积
• 按相同的方法可以得到空穴浓度：
p0
NV
• 载流子浓度随温度变化的三个主要特征区域的表达式； • 从载流子随温度变化的曲线可以求得杂质电离能、杂
质浓度和禁带宽度；
• 高载流子浓度效应。
习题
• 从原理上说明：为什么在能带中载流子浓度低的情况 下波兹曼分布和费米分布在形式上相同？所谓浓度低 的含义是什么？
• 写出计算载流子浓度和费米能级位置需要的公式。这 些公式在什么情况下适用？
N型半导体中热平衡电子浓度随温度变化
• 右边是单一浅施主低掺杂半导 体中热平衡电子浓度随温度变 化的示意图。弱电离区、饱和 电离区和本征激发区的导带电 子主要来源分别是施主逐步电 离、施主接近全电离和本征激 发。
• 虚线是本征载流子浓度，只在 本征激发区才显示出和电子浓 度可比拟的量。
• 饱和电离区是晶体管和集成电 路正常工作的温度范围。
1
EF E kBT
1
费米分布函数和玻尔兹曼分布函数
• 处于费米能级相同位置的能量状态 上，电子占有的几率是1/2,费米能级
表示电子的平均填充水平。
E
EF：fe
fh
1 2
• 玻尔兹曼分布函数（一个量子态可 以同时被多个电子占有）
fe Aexp E kT
复旦微电子-模拟电路-第1章+电路分析基础-文档资料89页
s
s
2019/10/24
模拟电子学基础
20
复旦大学电子工程系 陈光梦
拉普拉斯变换的算符作用
若规定 f(t) 的初值（或积分初值）为0，则根 据微分定理和积分定理，有
df (t) sF(s) dt
f
(t)dt
F(s) s
所以，可以将拉普拉斯变换的自变量 s 看成一 个微分算符
例如： vL(t)Ld d ti(t) vL(s)L si(s)
模拟电子学基础
18
复旦大学电子工程系 陈光梦
拉普拉斯变换简介
定义
Fs f testdt 0
s 是一个复变量， s = s + jw
f(t) 应满足下列条件： 1）当t < 0时，f(t) = 0； 2）当t > 0时，f(t) 分段连续； 3）当t →∞时，e-st 较 f(t) 衰减得更快。
2019/10/24
模拟电子学基础
36
复旦大学电子工程系 陈光梦
节点电压法的注意点
一个具有N个节点的网络，一定可以写出N-1个 节点电压方程。
要求流入节点的源为电流源。 若电路中的激励源不是电流源，则可以通过诺顿
定理先行转换。 若在电路中出现相关源，可以先作为独立源处理，
网络的等效关系
1
+ 源网络
N
负载 网络
N'
等价
1
rs
负载
vs
网络 N'
1'
1'
vs＝网络 N 的端口1-1' 间的开路电压
rs＝网络 N 内所有独立源被去除后，端口1-1' 间 的总阻抗
复旦大学微电子考研试题882半导体器件原理
一．选择题１５＊６１。
p＋－n结耗尽层宽度主要取决于：BＡ：p＋区浓度Ｂ：n区的浓度Ｃ：p＋区和n区的浓度２。
二极管正向阈值电压Ｖf：bＡ：随温度升高而升高Ｂ：随温度升高而下降Ｃ：不随温度变化３。
p－n结隧穿电压比雪崩击穿电压：BＡ：来得大Ｂ：来得小Ｃ：在同一数量级上４。
双极型晶体管共基极连接：Ａ：只有电流放大作用Ｂ：既有电流放大作用又有电压放大作用Ｃ：无电流放大有电压放大５。
晶体管基区运输系数主要决定于：cＡ：基区浓度Ｂ：基区电阻率和基区少子寿命Ｃ：基区宽度和基区少子扩散长度６。
npn平面晶体管发射效率与发射区浓度关系；CＡ：发射区浓度越高发射效率越高Ｂ：发射区电阻率越高发射率越高Ｃ：发射区浓度不能太高否则发射率反而下降７。
电子迁移率等于１５００，４００Ｋ温度下其扩散系数为：BＡ：３９Ｂ：５２Ｃ：７０８。
题目给出mos结构的Ｑsc～ψs关系图，要求判断其衬底是什么型（n型，p 型，中性）９．理想的mos结构Ｃ～Ｖ关系图与实际的Ｃ～Ｖ关系图的差别是：Ａ：只有p型时，向负方向平移一段距离Ｂ：n型时向正方向平移一段距离Ｃ：向负方向平移一段距离，与类型无关１０．mos管＂缓变沟道近似＂是指：Ａ：垂直与沟道方向电场和沿沟道方向电场变化很慢Ｂ：沿沟道方向的电场变化很慢Ｃ：沿沟道方向的电场很小１１．mos工作时的沟道夹断点电压Ｖdsat：Ａ：与栅电压Ｖgs无关Ｂ：在长沟道与短沟道是不同Ｃ：始终等于Ｖgs－Ｖt１２．nos管体电荷变化效应是指；Ａ：衬源偏压Ｖbs对阈值电压Ｖt的影响Ｂ：沟道耗尽层受栅压Ｖgs影响而对电流Ｉds影响Ｃ：沟道耗尽层受栅压漏源电压Ｖds影响而对电流Ｉds影响１３．mos亚阈值电流的主要特征：具体选项没记下，主要是电流随Ｖgs指数变化，当Ｖds大于３ＫＴ／q时电流与Ｖds关系不大１４．nos管短沟道效应是指：选项没有记下１５．控制cmos倒相管latch－up最有效的方法：Ａ：提高沟道电场Ｂ：等比率缩小器件Ｃ：增大衬底电阻二．名词解析５＊６１．试说明迁移率的定义是什么？其量纲是什么？２．试说明mos管沟道长度调变效应及其影响３．试说明mos管有放大作用的基本原理４．试说明mos管的频率特性和其基本参数的关系５．试说明如何降低n沟道mos集成倒相器静态工作时的功耗三．计算题１＊３０有一个n沟道mos场效应管，衬底浓度Ｎa＝１０＾１７（cm＾－３），氧化层厚度Ｔox＝５０nm，氧化层中正电荷密度Ｎss＝１０＾１０（cm＾－２），金属ＡＬ的功函数Ｗm＝４．２ev，硅的电子亲和势为４．０５ev．试求该管的阈值电压Ｖt，它是什么型？在Ｖg＝３v，Ｖds＝２v时，它工作在什么区？（注：其他的所有常数都没有给出）。
半导体器件的模拟设计及验证
半导体器件的模拟设计及验证半导体器件是现代电子科技领域中的重要组成部分。
在数字电路、模拟电路、射频电路等各类电路中均有广泛应用。
由于半导体器件的特殊性质，其模拟设计及验证需要特定的技术手段和方法，下面将对这一话题进行探讨。
一、半导体器件分析与模拟半导体器件的模拟设计与验证，首先需要对器件内部的物理过程进行分析和模拟。
现代集成电路中常见的半导体器件有晶体管、MOS场效应管、二极管等。
这些器件在工作时遵循不同的物理规律，例如PN结的电子和空穴的扩散漂移、场效应管的电荷积累效应等。
我们可以利用数学方法对这些物理过程进行建模，进而在计算机上实现器件的仿真。
二、半导体器件的模拟设计当确定了半导体器件内部物理过程的模型和仿真方法后，我们就可以开始进行半导体器件的模拟设计。
模拟设计的主要目的是通过理论计算得到理想的电器参数，并通过多次推导优化得到与实际工艺相符的电器参数。
具体的步骤包括：1. 制定模拟设计方案：制定器件的设计方案，例如电极的布局、电极宽度、材料选择等。
设计方案需要考虑器件的特定用途以及实际工艺流程的要求。
2. 电路与结构仿真：对确定后的器件设计方案，在电路仿真软件中建立对应的电路模型，进行仿真计算，获得电器特性参数。
3. 仿真参数优化：根据仿真结果，进行仿真参数优化，调整设计方案，进行多次仿真，直至获得与实际工艺流程相符的仿真结果。
4. 器件制造流程：根据完成后的器件仿真结果，确定器件的制造流程，制造真实半导体器件。
5. 实验测试验证：对制造好的器件进行实验测试验证，进行器件的检测和分析，确保其所具备的电学性能与预期的一致。
三、半导体器件的验证在设计和制造过程中，我们需要对半导体器件进行验证，以保障制造的半导体器件符合设计要求。
半导体器件的验证主要可以分为两个方面：电学行为测试和非电学行为测试。
1. 电学行为测试对于半导体器件的电学行为，我们需要进行电参数测试。
电参数包括直流电阻、交流电阻、开路电压等，这些参数是半导体器件的基本物理属性，需要精确测试。
复旦大学(微电子)半导体器件第二章平衡载流子-PPT课件
载流子按能量分布
• 载流子按能量分布 =分布几率和状态密度的乘 积 • 右图中体积为V的半导体 能量为E的电子的状态密度 是 g( E ) V N E
c c
4 2 m c e NE c 3 h
3 / 2
E E c
1 / 2
注意：能带图向上电子的能量高，向下空穴的能量高。
* e
3 /2
3 h
2 mk T N 2
* e B c
C
kT B
F
3/2
3 h E c E F n x p 0 N ce k T B
电子－空穴浓度积
• 按相同的方法可以得到空穴浓度：
E F E V p x p 0 N Ve k T B
• 导带的电子浓度=导带中某能量状态密度(单位体积的状态数）和 该状态电子的分布几率的乘积在整个导带的总和。 3 / 2 4 2 m 1 / 2 c e • 导带中某能量E的电子的状态密度为 NE E E c c 3 h • 费米分布函数：在热平衡情况下，考虑到一个量子态最多只能被 一个电子占有，能量为E的单量子态被电子占有的几率为： 1 fe E E EF k 是 玻 尔 兹 曼 常 数 B exp 1
E g ( e VG ) ： e ( 0 . 6 6 ) 、 S i ( 1 . 1 2 ) 、 G a A s ( 1 . 4 2 )
3 1 3 1 0 6 n c m ： G e ( 2 1 0 ) 、 S i ( 1 . 5 1 0 ) 、 G a A s ( 2 1 0 ) i
虽然计算时是导带 所有能量电子的总和，但是结果在形式上可以看作所有 电子集中在导带底部，前面一项是有效状态密度，后 面一项是玻尔兹曼分布函数。 • 空穴也是如此 E F E V p x p 0 N Ve k T B
复旦大学半导体物理课件1
课程简介2
参考书
1. Charles Kittel,《固体物理导论》，化学工业出版社 （2005） 2. 刘恩科，朱秉升，《半导体物理学》，国防工业出版社 （2003）. 3. 叶良修，《半导体物理学》，高等教育出版社（1987）. 4. R. M. Warner, B. L. Grung，《Semiconductor-Device Electronics》，电子工业出版社（2002）. 5. K. Seeger，《Physics of Semiconductor: An Introduction》，4th Ed. Springer-Verlag (2004). 6. 茹国平，《半导体物理讲义》（2007） 7. 陆昉，《半导体物理讲义》（2007）
K. Von Klitzing ：发现量子霍耳效应 Robert B. Laughlin, Daniel C. Tsui, Horst L. Stormer: 发现分数化量子 霍耳效应
Von Klitzing, Klaus 诺贝尔 诺贝尔
1998
1985
诺贝尔物理奖得主Klaus von Klitzing 受聘我校名誉教授
半 导 体
10 -4～ 10 10
L S
绝缘体
>10 10
10-6～ 10-4
L R=ρ S
ρ
二、半导体的主要特征: 电阻率可在很大范围内变化
例子：杂质对半导体电阻率的影响
硼 / 1百 万 0.2 磷 / 1百 万
硅
Ω cm
2x105
2x10 5
硅的纯度仍高达99.9999%
温度对半导体的影响
纯硅: T=300K ρ=2x 105 Ω cm T=320K ρ=2 x 104 Ω cm
半导体器件基本知识
模拟电路
2009/03
1.2 半导体二极管
结构
二极管 = PN结 + 管壳 + 引线 结
P
N
符号
+
阳极
阴极
模拟电路
2009/03
二极管按结构分三大类： 二极管按结构分三大类：
PN结面积小，结电容小， 结面积小，结电容小， 结面积小 用于检波和变频等高频电路。 用于检波和变频等高频电路。
(1) 点接触型二极管
代表器件的材料， 为 型 ， 为 型 ， 代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型G， C为N型Si， D为P型Si。 为 型 ， 为 型 。
2代表二极管，3代表三极管。 代表二极管， 代表三极管 代表三极管。 代表二极管
模拟电路
2009/03
一 、半导体二极管的V—A特性曲线 半导体二极管的 特性曲线
铝金金金 正正正正
负正正正 N型型 型
外外
模拟电路
2009/03
(2) 面接触型二极管
正正正正 P型型 型 铝铝铝铝铝 N型型 型
PN结面积大，用于 结面积大， 结面积大 工频大电流整流电路。 工频大电流整流电路。 用于集成电路制造工艺中。 用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，用 结面积可大可小， 于高频整流和开关电路中。 于高频整流和开关电路中。
ui − U REF－U D 4V − 2V − 0.7 V I＝ = = 1.3mA R 1k
I
UREF
+
uO -
u o = U REF + U D = 2V + 0.7V = 2.7V
模拟电路 2009/03
如果u 为幅度± 的交流三角波 波形如图（ ）所示， 的交流三角波， （2 如果 i为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示， 分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型 分析电路并画出相应的输出电压波形。 分析电路并画出相应的输出电压波形。 ui
复旦大学(微电子)半导体器件第二章平衡载流子
集半导体物理、器件和工艺导论（第一部分）半导体物理和半导体器件物理•复旦大学微电子研究院•包宗明•Baozm@第二章平衡载流子的统计分布•载流子的分布函数•电子浓度和空穴浓度•本征半导体的载流子浓度•单一浅施主和浅受主低掺杂半导体的载流子浓度•载流子浓度和温度的关系•杂质补偿•高载流子浓度效应•哪些因素决定半导体的导电类型？•哪些因素会影响半导体中的电子浓度和空穴浓度？费米分布函数和玻尔兹曼分布函数•处于费米能级相同位置的能量状态上，电子占有的几率是1/2,费米能级表示电子的平均填充水平。
•玻尔兹曼分布函数（一个量子态可以同时被多个电子占有）12F e h E E f f ===：()exp e f A E kT =−1()exp exp 1exp F F e FE E kT E E f E E E kT kT kT−⎛⎞⎛⎞=≈−⎜⎟⎜⎟−⎛⎞⎝⎠⎝⎠+⎜⎟⎝⎠时费米分布近似于玻尔兹曼分布以上结果成立的条件•我们用的是热平衡态统计理论，所以只在热平衡时成立。
•考虑到一个量子态只能被一个电子占有时要用费米分布函数，如果不限定一个量子态上占有的电子数就可以用波兹曼分布函数。
显然当电子数远远少于状态数时该限制没有实际意义，这时两者可以通用。
•在计算导带电子和价带空穴时用玻尔兹曼分布近似，所得结果只在载流子浓度很低（状态填充率低）时成立。
N型半导体中热平衡电子浓度随温度变化•右边是单一浅施主低掺杂半导体中热平衡电子浓度随温度变化的示意图。
弱电离区、饱和电离区和本征激发区的导带电子主要来源分别是施主逐步电离、施主接近全电离和本征激发。
•虚线是本征载流子浓度，只在本征激发区才显示出和电子浓度可比拟的量。
•饱和电离区是晶体管和集成电路正常工作的温度范围。
杂质补偿•电中性条件：•饱和电离区：•在施主浓度大于受主的情况下，施主能级上的电子首先要填充受主能级。
AADDpNnnNp−+=−+00D An p N N=+−重掺杂效应•杂质浓度和有效状态密度接近就必须考虑一个量子态只允许被一个电子占有，这时杂质能级和导带中的电子不能用玻尔兹曼分布函数作近似，必须用费米分布函数。
复旦微电子-模拟电路-第1章+电路分析基础-89页精选文档
模拟电子学 基础
复旦大学电子工程系 陈光梦
绪论
模拟电子学的研究对象 模拟电子学的研究方法 模拟电子学的应用背景
2019/10/19
模拟电子学基础
2
复旦大学电子工程系 陈光梦
电子学的研究对象的层次
1、系统 2、模块 3、电路 4、器件
E
N
放大
/滤波
E
P
vi
VDD=+12V
模拟电子学基础
18
复旦大学电子工程系 陈光梦
拉普拉斯变换简介
定义
Fs f testdt 0
s 是一个复变量， s = s + jw
f(t) 应满足下列条件： 1）当t < 0时，f(t) = 0； 2）当t > 0时，f(t) 分段连续； 3）当t →∞时，e-st 较 f(t) 衰减得更快。
1
rs
vs
RL
R1
R3
v
R2
2019/10/19
1'
1'
1 vrs
vs
v
R2 R1 R2
rs (R1//R2)R3
1'
模拟电子学基础
30
复旦大学电子工程系 陈光梦
等效电流源定律（诺顿定律）
网络的等效关系
1
1
+ 源网络
N
负载 网络
N'
等价
负载
is rs
网络 N'
1'
1'
is＝网络 N 的端口1-1' 间的短路电流
模拟电子学基础
16
复旦大学电子工程系 陈光梦
模拟电子技术微课版教程 第2版 项目一 常用半导体器件
复合
Fuhe
1.1.2 本征半导体
此时整个晶 体带电吗？ 为什么？
归价受纳电光：子照本填或征补温半空度导穴上体的升在复影热合响激运，发动共下，价同使键时本中出征其现半它两导一种体些载中价流形电子成子，一直在种接一不跳定同进
于温空本度穴下征，两激使种发失载下电流的子子电的的荷原数迁子量移重相—新等空恢、穴复符载电号流中相子性反。，称为电子空穴对。
线性电路（三极管用
其线性模型等效）
2022/1/5
模拟电子技术课程学习要点
课程体系：分立为基础，集成为重点
集成运放线性及非线性电路的分析
集成
线性电路采用虚短 和虚断两个重要概念 分析；非线性电路仍有 虚断，无论输入如何 “虚短”和“虚断” 输出只有两种状态
核心思想
虚短和虚断两重 要概念的应用；闭环
绝缘体
半导体
2022/1/5
1.1.1 半导体的独特性能
光敏性
1
热敏性
2
掺杂性
3
半导体
受光照后，其 导电能力增大 很多。
温度
上升时，半导 体导电能力大 大增强。
半导体
中掺入少量杂 质元素后，半 导体导电能力 极大的增强。
金属导体的电导率一般在105s/cm量级； 塑料、云母等绝缘体的电 导率通常是10-22～10-14s/cm量级；半导体的电导率是10-9～102s/cm量 级。 半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应 用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的。
模拟电子技术的发展（绪论）
集成电路的问世，强烈地推动了整个电子技术的历程：由最初 的小规模集成电路SSI发展到中规模集成电路MSI、大规模集成 电路LSI、超大规模集成电路VLSI。形成了集成度逐渐提高， 器件尺寸逐渐减小的格局。
复旦微电子考纲.doc
复旦大学2007年入学研究生《电子线路与集成电路设计》专业课程考试大纲本复习大纲是为了便于考生对《电子线路与集成电路设计》课程进行复习而制定。
大纲提供了一些参考书目录，考生可以根据自己的实际情况选择合适的参考书。
第一部分模拟电路考试题型：问答题，分析计算题。
参考书：①童诗白等，模拟电子技术基础（第三版），高等教育出版社，2001年②谢嘉奎等，电子线路线性部分（第四版），高等教育出版社，1999年③蓝鸿翔，电子线路基础，人民教育出版社，1981年总分：50分一、电路分析（③的第一章或其他电路分析教材）基本电路定律与定理：掌握基尔霍夫电压与电流定律；等效电压源定律；等效电流源定律；叠加原理。
能够运用节点电压法求解线性电路网络。
线性电路的一般分析方法：能够写出线性电路网络的传递函数。
了解稳态分析和瞬态分析的基本概念。
掌握线性网络幅频特性、相频特性的基本概念。
能够利用波特（Bode）图进行频率特性分析。
二、半导体器件（①或②）了解PN结的结构与原理，掌握PN结的伏安特性。
掌握半导体二极管的特性曲线和特性参数及其基本应用：整流、限幅、钳位。
双极型晶体管：了解双极型晶体管的结构和放大原理；掌握双极型晶体管的伏安特性；晶体管的基本模型，掌握双极型晶体管的交流小信号等效电路，并能计算其中的各个参数。
场效应晶体管：掌握场效应晶体管的结构和工作原理，分清6种类型场效应管的区别；掌握场效应晶体管的交流小信号等效电路，并能计算其中的各个参数。
三、基本放大电路（①或②）放大电路的性能指标：增益（放大倍数）、输入阻抗、输出阻抗，掌握它们的概念与计算方法。
晶体管共射放大电路：分清直流通路与交流通路；用近似估算法确定放大电路的直流工作点；用小信号等效电路方法估算放大电路的性能指标：增益、输入阻抗、输出阻抗；用图解法确定输出动态范围以及输出波形失真情况。
晶体管共基和共集放大电路：了解上述两种电路的工作原理和电路特点；能够简单估算上述两种放大电路的性能指标：增益、输入阻抗、输出阻抗；熟悉三种接法的放大电路性能指标的异同，能够在不同场合正确选择合适的电路；了解三种接法的放大电路在频率特性方面的异同。
微电子基础知识 最全
+
－
_
N
P
－ －
外电场
内电场
R
E
(1-24)
二、PN 结反向偏置 变厚
－ + + + + 内电场被被加强，多子 的扩散受抑制。少子漂 移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反 向电流。 +
_ P－ ຫໍສະໝຸດ －N内电场 外电场
R
E
(1-25)
2.1.3 半导体二极管
一、基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
(1-3)
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如： • 当受外界热和光的作用时，它的导电能
力明显变化。
• 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使
它的导电能力明显改变。
(1-4)
1.1.2 本征半导体
一、本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。 但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。
近似认为多子与杂质浓度相等。
(1-17)
§1.2 PN结及半导体二极管
2.1.1 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
(1-18)
点接触型
触丝线 PN结
引线
外壳线
基片
面接触型
二极管的电路符号：
P
N
(1-26)
二、伏安特性
I
导通压降: 硅管0.6~0.7V, 锗管0.2~0.3V。
死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。
半导体器件原理 绪论
晶体结构----单晶半导体材料
晶体中原子的周期性排列称为晶格，整个晶格可以用
单胞来描述，重复单胞能够形成整个晶格。 三种立方晶体单胞
金属原子分布在立方体 的八个角上，且每个原 子都有六个等距的邻近 原子。
八个原子处于立方体的 角上，一个原子处于立 方体的中心。每一个原 子有八个最邻近原子。
硅、锗都是由单一原子所 组成的元素半导体，均为 周期表第IV族元素。 20世纪50年代初 期，锗曾是最主要的 半导体材料； 60年代初期以后， 硅已取代锗成为半导 体制造的主要材料。
周期 2 3 Mg
镁
II
III B
硼
IV C
炭
V N
氮
VI
Al
铝
Si
硅
P
磷
S
硫
4 5 6
Zn
锌
Ga
镓
Ge
锗
As
砷
Se
导带或者被部分 填充，或者与价 带重叠。很容易 产生电流。
金属：不含禁带，半导体：含禁带，绝缘体：禁带较宽
§1.4 半导体中的载流子
载流子：能够自由移动的电子和空穴；
电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束
缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子。 空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束 缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位。
§1.1 半导体材料
§1.2 晶体结构
§1.3 能带 §1.4 半导体中的载流子 §1.5 半导体掺杂 §1.6 半导体中的载流子及其输运
§1.7 半导体中的光电特性
半导体物理基础
§1.1 半导体材料
1、什么是半导体？ Semiconductor 固体材料从导电特性上分成： 超导体、导体、半导体、绝缘体
电子学中的半导体器件和集成电路
电子学中的半导体器件和集成电路半导体器件和集成电路是现代电子学中非常重要的一部分。
它们是由半导体材料制成的电子元件，其特点是它们的电阻率介于导体和绝缘体之间。
半导体器件和集成电路的应用范围非常广泛，包括计算机、通信设备、电视、音频设备、电子器件等，是现代社会不可缺少的关键组成部分。
一、半导体器件1. 半导体器件的应用半导体器件是目前最重要和最常见的电子器件之一。
它们用于各种应用，包括数字逻辑、模拟电路、微控制器、放大器、计算机芯片和许多其他电子设备。
在通信中，人们使用半导体器件来进行数据传输和通讯。
比如，手机、电脑、平板电脑等，就是通过半导体器件来实现各种应用。
2. 半导体器件的工作原理半导体器件的工作原理与固体和导体的工作原理有很大区别。
在导体中，电子可以很容易地通过物质流动。
在绝缘体中，电子则几乎不能通过物质流动。
而在半导体中，电子只有一部分能够通过物质流动。
这就是半导体器件的特殊之处。
半导体器件的电子流，被称为“电子空穴对”，这个特殊的电子流，是半导体材料中的正负电子流同时存在的结果。
3. 主要的半导体器件半导体器件中有很多种类型，包括二极管、晶体管、场效应管、绝缘栅双极性晶体管等。
其中，二极管是最基本和最常见的半导体器件之一。
它是由两个半导体材料组成的，在其中一个材料中，由于掺杂了异物，导致材料中存在了多余的电子和电子空穴。
当电流通过二极管时，电流会流向掺杂多余电子的半导体材料，并在另一侧的半导体材料中，与电子空穴结合，形成电子空穴对。
由于电子空穴对的特殊性质，可以实现电流流动的控制。
二、集成电路1. 什么是集成电路集成电路是将许多电子元件整合到一个小芯片中来控制电子流动和数据处理的技术。
它是电子学的一项重要技术，可以根据不同的要求，将数百个电子元件组合成一个复杂的电路。
这种技术可以实现高度集成化的设计，增加了电子产品的效率和功能。
2. 设计、制造和测试集成电路设计集成电路需要芯片设计师，他们使用特殊的计算机软件和硬件来设计电路。
模拟电路第二章_基本放大电路 (1)
第2章放大电路基础2.1 教学要求1、掌握放大电路的组成原理，熟练掌握放大电路直流通路、交流通路及交流等效电路的画法并能熟练判断放大电路的组成是否合理。
2、熟悉理想情况下放大器的四种模型，并掌握增益、输入电阻、输出电阻等各项性能指标的基本概念。
3、掌握放大电路的分析方法，特别是微变等效电路分析法。
4、掌握放大电路三种基本组态（CE、CC、CB 及CS、CD、CG）的性能特点。
5、了解放大电路的级间耦合方式，熟悉多级放大电路的分析方法。
2.2 基本概念和内容要点2.2.1 放大电路的基本概念1、放大电路的组成原理无论何种类型的放大电路，均由三大部分组成，如图2.1所示。
第一部分是具有放大作用的半导体器件，如三极管、场效应管，它是整个电路的核心。
第二部分是直流偏置电路，其作用是保证半导体器件工作在放大状态。
第三部分是耦合电路，其作用是将输入信号源和输出负载分别连接到放大管的输入端和输出端。
下面简述偏置电路和耦合电路的特点。
（1）偏置电路①在分立元件电路中，常用的偏置方式有分压偏置电路、自偏置电路等。
其中，分压偏置电路适用于任何类型的放大器件；而自偏置电路只适合于耗尽型场效应管（如JFET及DMOS管）。
② 在集成电路中，广泛采用电流源偏置方式。
偏置电路除了为放大管提供合适的静态点（Q ）之外，还应具有稳定Q 点的作用。
（2）耦合方式为了保证信号不失真地放大，放大器与信号源、放大器与负载、以及放大器的级与级之间的耦合方式必须保证交流信号正常传输，且尽量减小有用信号在传输过程中的损失。
实际电路有两种耦合方式。
① 电容耦合，变压器耦合这种耦合方式具有隔直流的作用，故各级Q 点相互独立，互不影响，但不易集成，因此常用于分立元件放大器中。
② 直接耦合这是集成电路中广泛采用的一种耦合方式。
这种耦合方式存在的两个主要问题是电平配置问题和零点漂移问题。
解决电平配置问题的主要方法是加电平位移电路；解决零点漂移问题的主要措施是采用低温漂的差分放大电路。
复旦微电子-模拟集成电路设计-数模与模数转换器2
2020/2/18
模数转换器测试
输入输出结构：
输出对输入直流扫描的 相应曲线
可测试失调误差、增益 误差、INL、DNL。 对理想的ADC，量化噪 声误差将限制在±LSB 内。
模数转换器测试
在输入输出测试中，若输入使用纯正弦波，任何非线性 误差均表现为谐波失真。因此可用频谱分析方法测试 ADC的动态范围。
模数转换器特性
孔径抖动（Aperture jitter)：表征对时钟精度的度量
若正弦信号 vinБайду номын сангаасVpsi nt，则最大斜率等于 V p 。
噪声的均方根值为：
V
例： t 1p 0s 0 1 M V rH e V f p 1 V z V 1V 11
所需比较器数目多，功耗 大。比较器数目=2N-1 并联寄生电容大，可在输 入加S/H电路，或有时钟 比较器。 对CMOS电路， 6位ADC 的最快的采样频率>1GHz
2020/2/18
高速模数转换器
比较器失调对ADC性能的影响
比较器1从0到1：
比较器2从0到1：
若
，则发生误码
因此：
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2020/2/18
高速模数转换器
例：一个使用1位量化器（比较器）的5位折叠式ADC
n1=2，对应比较器数为3；n2=3，对应比较器数为7。 折叠电路的过零点必须均匀分布，以减小误差。 20可20/2/用18 内插电路减少折叠电路的数目。
高速模数转换器
折叠电路采用并联差分放大器来实现：
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ADC的积分非线性（INL）：实际与理想有限精度特性曲 线在垂直方向上的最大偏差。 ADC的微分非线性（DNL）：每个垂直台阶上测量的相邻 编码之间的距离，以LSB或百分比为单位。
半导体器件复习课件
键作用，可以实现高速、大容量的信息传输。
新能源系统中的半导体器件
能量转换的关键
例如，太阳能电池板利用光伏效应将太阳能转换为电能 。
在新能源系统中，半导体器件主要用于实现能量的转换 和利用。
击穿特性
当反向电压增大到一定程度时，会发生雪崩击穿或齐纳击穿，电 流急剧增大。
03
常见半导体器件
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
二极管
总结词
二极管是一种具有单向导电性的半导体器件，它只允许电流在一个方向上流动。
详细描述
二极管由一个PN结（P型和N型半导体的交界面）构成，具有正向导通、反向截 止的特性。常见的二极管有硅二极管和锗二极管，它们在电子电路中广泛应用于 整流、检波、开关等作用。
半导体器件复习课件
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
• 半导体器件基础 • 半导体器件的工作原理 • 常见半导体器件 • 半导体器件的应用 • 半导体器件的发展趋势与挑战
目录
CONTENTS
01
半导体器件基础
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
阈值调控技术
通过优化阈值电压降低静态功耗，实现低功耗运 行。
半导体器件在物联网时代的角色与挑战
物联网对半导体器件的需求
01
物联网时代需要大量低功耗、高性能、高可靠的半导体器件。
可靠性挑战
02
பைடு நூலகம்
物联网设备通常需要在恶劣环境下工作，对半导体器件的可靠
复旦微电子考纲
复旦微电子考纲随着科技的不断发展，微电子技术得到了广泛的应用和推广。
微电子技术的出现，使得人们在生活和工作中体验到了以前想都不敢想的高效便利。
因此，越来越多的人开始学习微电子技术，而复旦微电子考纲则成为了学习微电子技术的重要渠道和参考。
一、复旦微电子考纲的介绍复旦微电子考纲包含了微电子学基础知识、模拟电路、数字电路、集成电路等内容。
复旦微电子考纲同样也是一门广为人知广受欢迎的微电子课程，其教学内容非常丰富，具有很高的参考价值。
对于想要学习微电子技术的人来说，了解复旦微电子考纲是非常有必要的。
二、复旦微电子考纲的重要性1.帮助学习者系统学习微电子技术复旦微电子考纲教学内容非常全面。
通过学习这个考纲，学习者可以系统地学习微电子技术，掌握微电子技术的基本概念和理论知识，提高自身的技术水平和能力。
2.提高工作竞争力微电子技术在现代化工业和科技中应用非常广泛。
学习复旦微电子考纲，可以更好地理解和掌握微电子技术，提高自身的技术水平和能力，从而在工作中更好地胜任岗位，提高工作竞争力。
3.促进科技创新微电子技术对现代科技的发展有着不可替代的作用。
学习复旦微电子考纲，可以更好地掌握微电子技术的理论和应用，从而为未来的科技创新提供更坚实的基础。
三、复旦微电子考纲的主要内容1.微电子学基础知识。
主要涵盖了半导体物理学、半导体器件物理、基本硅处理工艺。
2.模拟电路。
主要涵盖了放大器、滤波器、振荡器、数据转换器、电源等方面内容。
3.数字电路。
主要涵盖了数字逻辑、组合逻辑、时序逻辑、计算机组成原理等方面内容。
4.集成电路。
主要涵盖了MOSFET、基本电路、集成放大器、有源电容滤波器等内容。
四、复旦微电子考纲学习的方法学习复旦微电子考纲，需要注重理论结合实际。
在学习理论知识的同时，可以通过实践加深对micro电子技术的理解和掌握。
同时，也需要注重课堂互动和自主学习，多参与学习交流，帮助自己更好地理解技术知识和应用。
五、结语复旦微电子考纲是学习微电子技术的重要参考。
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复旦大学电子工程系 陈光梦
PN结
利用杂质补偿原理，在P型和N型半导体的界面上 形成PN结
在PN结的界面上发生载流子的扩散 由于复合作用，界面上载流子被耗尽（耗尽层）
P
N
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
耗尽层内由于离子带电形成空间电荷区 空间电荷形成内建电场 内建电场引起的漂移运动与扩散运动方向相反，最
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模拟电子学基础
12
复旦大学电子工程系 陈光梦
PN结的伏安特性
IIsexp(q kV T)1Isexp(V V T)1
Is 是PN结的反向饱 和电流
Is 正比于PN结的面 积、电子和空穴的 扩散系数、平衡载 流子浓度，反比于 载流子扩散长度
对于硅PN结来说， Is≈(10-14~10-15)A
CB
CB0 (1 V D
)m
VB
VD≈VB：
CB
CB0 ( 0 .1) m
CB0是偏置电压为 零时的势垒电容
偏置电压越负，势垒电容量越小 。非线性电容
m为结电容梯度因子。线性缓变结，m = 1/3；突 变结，m = 1/2；超突变结，m = 1/2~6
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模拟电子学基础
19
复旦大学电子工程系 陈光梦
所以 IRVi RVo132 3 6 01(8 m)A
流过负载电阻RL的电流
IRLV RoL
6 10(mA ) 600
流过稳压管的电流 ID IR IR L 1 8 1 0 8 (m A )
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
+ Vi
R DZ
+ RL Vo
根据同样算法，Vi = 16V 时流过稳压管的电流 ID ≈ 20mA
复旦大学电子工程系 陈光梦
第2章 半导体器件
复旦大学电子工程系 陈光梦
半导体基础知识
半导体材料的结构与特点 载流子及其运动 PN结
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模拟电子学基础
2
复旦大学电子工程系 陈光梦
半导体材料
Si,Ge,GaAs,... 4价元素或化合
物 电阻率介于导体
与绝缘体之间 具有类似的结构
+4
+4
空穴
+4
+4
+4 自由电子
+4
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模拟电子学基础
4
复旦大学电子工程系 陈光梦
杂质半导体
施主杂质
V族元素 共价键多余1个电子 材料中电子多于空穴 N型半导体
受主杂质
III族元素 共价键缺少1个电子 材料中空穴多于电子 P型半导体
+4
+4
+4
自由电子
+5
+4
+4
反向电流基本上是恒值，等于－Is 单向导电特性
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
PN结的击穿特性
反向电压增加到达某个极限时，流过PN结 的反向电流突然增加，称为PN结的击穿
I(mA)
-12
-9
-6
-3
V(V)
雪崩击穿
-2
齐纳击穿
-4
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模拟电子学基础
15
终阻止载流子的进一步移动
内建电场
P
N
-------
-+ -+ -+
+++ +++ +++
空间电荷区
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
PN结的势垒高度
由于空间电荷区存在内建电场，电子在各处的电 势能不同，形成势垒
电子电势能 P区
空间电荷区
N区
电子电势能高
qVB
电子电势能低
VBkq TlnNA ni2NDVTlnNA ni2ND
前面的例子，稳压系数 S ＝1%÷33%＝0.03 稳压系数也可以通过交流等效电路来求解，其
物理意义更为清晰：它就是限流电阻与稳压管 动态内阻的分压关系
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模拟电子学基础
2020/5/1
模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
载流子的运动
扩散
载流子浓度梯度作用下载流子定向运动 扩散电流的大小取决于载流子浓度梯度以及载
流子的扩散系数
漂移
外电场作用下的载流子定向运动 迁移率：平均漂移速度的比例因子，空穴和电
子的迁移率分别记为μp和μn
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模拟电子学基础
齐纳击穿
高掺杂 → 势垒区薄 → 足够高的场强 → 价 电子获得足够的能量 → 脱离共价键的束缚 成为自由电子
高掺杂的PN结的击穿电压比较低，大致低 于5~6V
具有负温度系数
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
PN结的扩散电容
正向偏置情况下，空间电荷区两侧由对方区域注 入的非平衡少数载流子的堆积
二极管线性化近似的条件
IDQid
Is
exp(VDQ vd ) VT
Is
exp(VDQ)exp(vd
VT
VT
)IDQexp(VvTd )
ID Q 1V vT d1 2(V vT d)21 6(V vT d)3...
id
I DQ
vd VT
I DQ
1 2
( vd VT
)2
1 ( vd 6 VT
所以， ID = (20-8) = 12mA VO =VZ = rZ ·ID = 5×12 = 60(mV)
输入电压从12V变化到16V，相对变化量是33%，而输出 电压的相对变化量为1%
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
稳压电路的性能指标(1)
稳压系数S
S Vo /Vo Vi /Vi RL = Constant
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复旦大学电子工程系 陈光梦
二极管的主要特性参数
直流电阻 RD 动态内阻 rD 极间电容
额定电流 IM 反向击穿电压 VBR 最高工作频率 fmax
—— 直流参数
} 交流参数
} 极限参数
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
部分半导体二极管实物图片
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半导体二极管
结构与伏安特性 等效模型
主要特性参数 其他类型的二极管
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
二极管的结构与电路符号
结构
正极引线
二氧化硅
P区 N 型硅片
符号
负极引线
正极
A (P)
负极
K (N)
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模拟电子学基础
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二极管的伏安特性
模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
稳压二极管
工作原理：利用PN结反向击穿后二极管两端电压 基本保持不变的特点
工作状态：总是工作在反向击穿状态
R
+
+
Vi
DZ
RL Vo
反向击穿状态
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
稳压管的主要特性参数
稳定电压 VZ：稳压管正常工作（电流为稳定电流 IZ）时两端的电压
模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
交流小信号线性近似模型
近似条件：
VD的振幅很
小，忽略非 线性因素
ID＝gDVD
ID
IDQ
0 VD(on) VD 伏安特性
理想二极管
VD(on) rD
等效电路
gD
d dVD
VD
(IseVT
)
VDVDQ
IDQ VT
rD
VT IDQ
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模拟电子学基础
稳定电流 IZ：稳压管正常工作时的参考电流值 额定功耗 Pm：稳压管不致损坏的最大功率消耗 动态内阻 rZ：稳压管正常工作时的交流电阻，等
于VZ / IZ
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
稳压管电路的估算(1)
R
+
+
Vi
DZ
RL Vo
稳压管的主要参数：VZ = 6V、IZ = 10mA、IZ(min) = 5mA、 IZ(max) = 30mA、rZ = 5Ω
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复旦大学电子工程系 陈光梦
应用小信号近似模型的注意点
只适合于线性近似，在必须考虑非线性效 应的场合（例如大信号）不适用
只适合于低频，在高频场合不适用（要考 虑电容等作用）
仅考虑二极管对于交流信号的影响时，理 想二极管和阈值电压不起作用
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 陈光梦
击穿电压
-VBR
ID(mA)
5
4
3
2
-4
-3
-2
-1 1
1 VD (V)
-1 -2
VD (on)
-3 导通电压
-4
硅二极管的导通电压大致为0.6~0.8V
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模拟电子学基础
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理想二极管模型