【文章內(nèi)容簡介】 (6)光電二極管 見 “ 光生伏特效應(yīng) ” 。 ? (7)發(fā)光二極管 見 “ 陷阱效應(yīng) ” 。 ? (8)三極管 通過擴(kuò)散的方法制成的兩個靠得很近的背靠背的 PN結(jié)構(gòu)成了三級管。由于它們互相影響，使得三極管不同于單個 PN結(jié)而具有電壓、電流放大的作用。常用的是 NPN型的，額定功率從 100mW到 500W，特征頻率在50～ 2022MHz。鍺 PNP合金結(jié)晶體管額定功率范圍更廣，而鍺臺面型晶體管特征頻率更高 (4000MHz)。以上晶體管適于一切電子放大、檢波和開關(guān)等應(yīng)用。 (9)結(jié)型場效應(yīng)晶體管 在一塊 N(或 P)型半導(dǎo)體兩邊擴(kuò)散高濃度的 P(或 N)型區(qū)構(gòu)成的晶體管。圖 217中在兩個 PN結(jié)中間的N型區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道，柵極電壓可調(diào)整 PN結(jié)耗盡區(qū)，使溝道的寬窄和閉合發(fā)生變化，也就控制了源極漏極電流。它的工作原理與肖脫基場效應(yīng)管 (見“金屬半導(dǎo)體接觸” )和絕緣柵場效應(yīng)管 (見“金屬氧化物一半導(dǎo)體接觸” )類似。同三極管相比，場效應(yīng)管有輸入阻抗高、噪聲低 (～ ldb)、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、制造工藝簡單等優(yōu)點，為制造超大規(guī)模集成電路創(chuàng)造了條件。 圖 2－ 17 ? (10)集成電路 ? 在一塊單晶半導(dǎo)體內(nèi)部及表面加工制成的小型化電路，是平面擴(kuò)散技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。利用現(xiàn)有技術(shù)很容易制成集成化的二極管、三極管、電阻和電容，電感也可采用復(fù)雜的電路模擬或采用分立電感器，用這些元件可組成各種電路，例如倒相器、門電路、計數(shù)器、運算器和存貯器、放大器等等。由于集成電路具有低成本、高可靠性、高速度的特點，因此極大地推動了電子技術(shù)的發(fā)展。它不僅能用于處理模擬信號 (例如調(diào)頻立體聲的解調(diào)系統(tǒng) )，而且還更廣泛地用在處理數(shù)字信號，微型計算機(jī)的心臟 ——中央處理單元 (CPU)都是用集成電路制成的?，F(xiàn)在已能在 5 5mm的硅片上制造出包含成千電子元件的大規(guī)模集成電路，最近甚至生產(chǎn)出了包含 105～106個元件的超大規(guī)模集成電路。這樣，一個計算機(jī)只用一個或幾個芯片就夠了?，F(xiàn)在各種電路的集成化趨勢越來越明顯。 問題二 MS結(jié)與 PN結(jié)特性差異有 1）溫度特性不同 2）頻率響應(yīng)不同 3）輸出功率不同 4）制備工藝不同 你認(rèn)為最關(guān)鍵的特性差異是： A、 1） + 2） B、 2） +3） C、 2） + 4） D、 1） +3） E、 3） + 4） 四、金屬 氧化物 半導(dǎo)體接觸 ? MOS結(jié)構(gòu) ? 金屬 氧化物 半導(dǎo)體接觸簡稱 MOS結(jié)構(gòu)，它是 MIS(金屬 絕緣體 半導(dǎo)體 )結(jié)構(gòu)的特殊形式，實際用得最廣的 MIS結(jié)構(gòu)器件就是 MOS的。典型 MOS結(jié)構(gòu)如圖 218所示。 VG為加在金屬電極 G上的電壓，規(guī)定金屬電極相對于半導(dǎo)體的歐姆接觸為正偏置時 VG為正，反之為負(fù)。 MOS結(jié)構(gòu)的各種應(yīng)用都是基于半導(dǎo)件表面的空間電荷區(qū)，而理想 MOS的空間電荷區(qū)是由外加電壓 VG引起的。所謂理想MOS，指的是滿足三個條件： ① VG=0時 ,金屬與半導(dǎo)體費米能級持平； ②氧化物層中無任何靜電荷，且完全不導(dǎo)電 ③半導(dǎo)體界面無任何表面態(tài)。 圖 2－ 18 ?外場作用下半導(dǎo)體表面空間電荷的幾種狀態(tài)在“金屬 半導(dǎo)體接觸”中已有敘述 （ 堆積層、耗盡層、反型層） ， 這里把 VG作用下P型半導(dǎo)體 MOS結(jié)構(gòu)的能帶和表面電荷分布示于圖 219。注意，在突然加上一個較大的電壓 VG0的瞬間，少數(shù)載流子電子來不急產(chǎn)生，因此不能形成反型層。 ?為補償金屬電極上大量的正電荷，在半導(dǎo)體表面出現(xiàn)大量電離受主，并且由于受主較稀薄，這一電荷層較厚，這就是深耗盡狀態(tài)（圖 219（ e））。但這是一種非穩(wěn)態(tài)，隨著時間的推移，半導(dǎo)體內(nèi)部電子會在 VG的作用下聚集到表面，這時就過渡到反型狀態(tài)（圖 219（ d）），它是一種穩(wěn)態(tài)。顯然，半導(dǎo)體摻雜濃度越高，表面電荷層就越薄。由深耗盡態(tài)轉(zhuǎn)入反型態(tài)也越困難（即加較大的 VG才可轉(zhuǎn)變）。 圖 219 MOS的電容 電壓特性 ? 隨著 VG的變化，半導(dǎo)體形成各種表面狀態(tài)的過程實質(zhì)是一個充電過程，因此 MOS結(jié)構(gòu)可看成一個電容器， 其電容 C是氧化層電容 C0（定值） 與 半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)電容 CS（隨 VG而變）的串聯(lián) 。 P型半導(dǎo)體 MOS的理想 C VG特性 如圖 220所示 ， ABD段對應(yīng)的空穴的堆積狀態(tài)， DG段則代表耗盡狀態(tài)。若用低頻信號（幾十赫茲）測量，曲線為（ a）， GE和 EF分別對應(yīng)反型和強反型狀態(tài)的形成。若用高頻信號（幾千赫茲）測量，曲線為（ b），這時電子的產(chǎn)生跟不上信號的變化，不能形成反型狀態(tài)，因此電容只是耗盡層的貢獻(xiàn)，為 GH段。 實測 C VG特性與圖 220曲線的形狀符合較好。只是整體沿橫軸有一些移動。這正是違背了理想條件所致，即金屬與半導(dǎo)體存在功函數(shù)差、氧化層中含正電荷等。 MOS的 C VG特性直接反映了半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)在外電場作用下的狀態(tài)變化情況，是研究半導(dǎo)體表面和界面的重要手段。 圖 220 —— 絕緣柵場效應(yīng)管 ? 目前使用的絕緣柵場效應(yīng)管大多以二氧化硅為絕緣層，簡稱為 MOS管。它同結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (見“ P型一 N型半導(dǎo)體接觸” )一樣，也是利用載流子溝道導(dǎo)電，也具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗小、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡單等優(yōu)點。 N溝道 MOS管 (圖 221)是在P型半導(dǎo)體襯底上擴(kuò)散兩個高摻雜的 N區(qū)，即源區(qū)和漏區(qū)，而它們之間的二氧化硅上的鋁層為柵板。它是通過柵極電壓對漏極電流的控制作用來工作的。 圖 2－ 21 (1)增強型 MOS晶體管 ? 當(dāng) VG=0時，源區(qū)、襯底、漏區(qū)形成兩個背靠背的PN結(jié)，無論 VD正負(fù)，都有一個 PN結(jié)是反偏的，所以沒有形成導(dǎo)電溝道， ID=0。 ? 當(dāng) VG 0時，它通過絕緣層形成一強電場。由于絕緣層很薄，即使 VD只有幾伏，電場也高達(dá) 107～108V／ m。 當(dāng) VG超過開啟電壓 VT時，半導(dǎo)體表面出現(xiàn)反型狀態(tài)，即出現(xiàn)電子層，這就是 N溝道，它把源區(qū)與漏區(qū)聯(lián)接起來，而與襯底又通過耗盡層絕緣。此時在 VD作用下就產(chǎn)生了 ID，典型的 ID VD曲線如圖 222所示。 ? Ⅰ 區(qū)是可變電阻區(qū) 。溝道主要受 VG影響，幾乎不受較小的VD的影響。 VG一定，溝道電阻一定，因此 ID與 VD成線性關(guān)系。 VG越正，溝道越厚，電阻越小，曲線越陡。 ? Ⅱ 區(qū)是飽和區(qū) 。在較大 VD的作用下，溝道從源區(qū)的低電位升高到漏區(qū)的高電位，即產(chǎn)生一個橫向電位梯度。它與柵極作用疊加在一起，愈靠近源區(qū)，柵極與溝道間的電位差愈大，溝道愈厚；愈靠近漏區(qū)，溝道愈薄 (圖 223(a))。當(dāng) VD大到某一值時，溝道出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象 (圖 223(b))。再進(jìn)一步增大 VD ，產(chǎn)生夾斷區(qū) (圖 223(c))。 夾斷區(qū)電阻很大， VD幾乎全部落在這里，形成強電場，電子一靠近夾斷區(qū)，就被其迅速拉向漏極。另一方面，溝道內(nèi)電阻較?。鋬啥穗妷夯静蛔?，電場也保持恒定，所以由溝道進(jìn)入夾斷區(qū)的電子流不隨 VD的增大而變，即 ID不變。 Ш區(qū)是擊穿區(qū) 。較大的 VD會使源漏間發(fā)生雪崩擊穿， ID迅速上升。不允許工作于此區(qū)，否則管子將燒壞。 圖 2－ 23 (2)耗盡型 MOS晶體管 ? 這種晶體管的二氧化硅絕緣層中摻有大量正離子，即使在 VG=0時也有電場作用在半導(dǎo)體表面而形成反型溝道，因此若有 VD就有 ID。當(dāng) VG0時， ID增大。當(dāng) VD 0時，溝道變薄， ID減小， VG達(dá)到小于零的某值時， 不能形成溝道， ID =0。所以耗盡型 MOS管與增強型 MOS管的區(qū)別就是前者的 VG可正可負(fù)。 ? 仿照 MOS管的結(jié)構(gòu)，可制成一種半導(dǎo)體存貯器。它是利用熱電子注入等方式向絕緣層中注入電荷．或利用紫外線照射等方法清除電荷，使其在增強型與耗盡層之間變化，達(dá)到寫“ 1”或?qū)憽?0”的目的。其存貯信息一般可保持 10年以上。 —— 集成電路 ? MOS集成電路雖然沒有結(jié)型集成電路響應(yīng)快，但卻有工藝簡單、集成度高和功耗低的優(yōu)點。因為它所有的結(jié)工作時都處于反偏．所以襯底上各器件之間都是自動隔離的；另一可貴之處是：只要增大兩個少數(shù)載流子擴(kuò)散區(qū)間的距離就可把襯底上的 MOS管用作阻值充分大的電阻器．實際上是把溝道當(dāng)作電阻用了，結(jié)構(gòu)非常筒單?，F(xiàn)在在一塊零點幾個平方厘米的面積上集成一萬個 MOS管是很容易的事。 ? MOS集成電路的特點使其很適宜制做計算機(jī)的隨機(jī)存貯器。造價極低的袖珍計算器、數(shù)字式電子手表也采用 MOS集成電路。為進(jìn)一步提高其性能，硅柵MOS(體積更小 )、互補 MOS（功耗更低）、短溝道MOS(頻率特性好 )等新型 MOS器件已制造出來并進(jìn)入實用 。 —電荷耦合器（ CCD） ? CCD是電荷的存貯和轉(zhuǎn)移器件，是 MOS電容的有序陣列與輸入輸出部分的總和。它是一種新型 MOS型集成電路。 ? CCD不象 MOS晶體管那樣工作在熱平衡的反型態(tài)，而是工作于由深耗盡向反型過渡過程中的非穩(wěn)態(tài)。 CCD的電荷的存貯和轉(zhuǎn)移也是在柵電極下的半導(dǎo)體表面溝道中進(jìn)行的。下面以 P襯底三相單層電極 CCD為例說明其工作原理。 CCD工作原理 ? 圖 224(a)是其結(jié)構(gòu)，圖 224(b)是加在其柵極上的三個彼此相差 2/3π 位相的時鐘脈沖陣列。 ? 在 t=t1時刻，電極 1， 4， 7， … 的電壓為V1，其它電極為 V2，若 CCD接收到光信號 (或電信號 )，它注入的少數(shù)載流子電子會立刻被 1， 4， 7， … 電極收集到它們下面 (如圖 225(a))，這就是 CCD對電荷的存貯作用。 ? 在 t=t2時， 3， 6， 9， … 電極為 V2，其它為 V1， 1， 4， 7， … 電極下的電荷要向 8…… 電極下流動。 ? t＝ t3時，只有 2， 5， 8， … 電極電壓為 V1，其它都為 V2，所有電荷都由 l， 4， 7， …電極下轉(zhuǎn)移到 2， 5， 8， … 電極下。這樣就完成了信號電荷從一個電極下向另一個電極下的轉(zhuǎn)移，這需要三分之一個時鐘周期。 ? t＝ t4時又開始了向 3， 6， 9， … 電極的電荷轉(zhuǎn)移。 圖 2－ 24 圖 2－ 25 ? 可以看出，時鐘脈沖對 CCD轉(zhuǎn)移電荷是必需的，并且它的周期要小于 MOS電容由深耗盡到反型需要的時間 (1～100s)，一般時鐘頻率在十分之幾赫茲到十兆赫茲之間。以上的 CCD是不實用的，為彌補缺陷，常采用交疊柵(柵極在二氧化硅中周期性地深入不同深度 )、離子注入、高摻雜等方法。 ? CCD主要應(yīng)用于攝像、存貯和模擬信息處理等方面。利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把大量控制邏輯器件同感光器件制作在同一電路內(nèi)，可用作固體攝像機(jī)的心臟，從生產(chǎn)上測量產(chǎn)品到光學(xué)字符讀出器，其用途數(shù)不勝數(shù)。既然CCD具有存貯電荷的功能，那么就有動態(tài)移位寄存器的功能，這種寄存器具有存貯密度高、容量大的優(yōu)點，原因是它用一個電板及其下面的通道代替了普通存貯器的一塊電路。近年來 CCD受到普遍重視，發(fā)展前景深遠(yuǎn)，有可能代替很多傳統(tǒng)的固體器件。 第 2節(jié) 肖脫基效應(yīng) ? 被加熱的金屬會發(fā)射強度隨溫度而異的電子流，這就是 “ 熱電子效應(yīng) ” (見第一章 )。 當(dāng)金屬表面存在加速電場 (即電場的方向能使逸出的電子得到加速 )時，能大大增強其熱電子發(fā)射，這種現(xiàn)象稱為肖脫基效應(yīng)。 ? 肖脫基等人首先從理論和實驗上研究了這個效應(yīng)。他認(rèn)為，在給定溫度下熱電子發(fā)射的增強意味著金屬逸出功的降低。利用自由電子的索末菲模型就能很好地解釋肖脫基效應(yīng)。 ? 1．金屬表面勢壘的形狀 ? 在金屬的表面，電子勢能按某一規(guī)律上升到真空能級，這就是金屬的表面勢壘，當(dāng)電子運動到表面，并試圖逸出金屬時，就會受到這個勢壘的阻礙作用。 ? 處于金屬表面外 χ 距離的電子受到金屬的吸引力，可等效為表面內(nèi)距表面 χ 處的 +e電荷對電子的吸引力，形象地稱為鏡象力，即 ? 但這只適合 x x0 ～ 1nm的范圍，而在 ? 0 x x0 必須用其它形式描述這個力， 這是因為： ? ? 220 241xeF???① 當(dāng) x可與晶格常數(shù)相比時，由于電子云的影響，已不能認(rèn)為金屬表面還象“鏡面”一樣均勻了； ②按上式，金屬表面處 (x=0)電子受到的引力將為無窮大，電子逸出需要的功也為無窮大，顯然與實際不符 。 0xx0范圍內(nèi)電子受到的引力不易確定，不妨令由 0點平滑過渡到 x0的 因此用圖 235(a)描述作用力 還是比較符合實際的。 200216 xe??圖 2－ 35 ? 這樣，電子逸出金屬需克服電場力所做的功為 ? 所以逸出電子的勢能為 E=W，它的函數(shù)曲線圖