专业英语教程,教学课件,I.课文内容简介： 主要介绍PN结的基本知识。,Lesson 1PN Diodes,P8 Electric Information,II.New Words,P8 Electric Information,II.New Words,P8 Electric Information,III. Phrases,P8 Electric Information,IV.重要词语及难句翻译1. We should not expect much current to flow under this bias condition since the internal field by itself is enough to stop carrier diffusion and we have simply made this field larger with this polarity of applied voltage.由于PN结中的内建电场已经足以阻止载流子的扩散电流，而外加的电压极性又刚好使这一电场增强，因此可以设想在这样的外加偏置条件下PN结中不可能流过很大的电流。2. For typical doping levels in silicon this built-in voltage is about 0.7 eV, so an external forward bias on the order of 0.7 volts will therefore essentially eliminate this barrier, allowing large currents to flow.对于普通硅二极管中的典型掺杂水平来说，这一内建电压大约为0.7V，因此0.7V左右的外加正向电压实际上就是用来抵消这个内部势垒的，以便使得较大的电流能够通过PN结。,P8 Electric Information,V.参考译文第一课 PN结最简单的半导体器件就是PN结，如图1-1所示。从理论上说，只需将两块不同类型的半导体材料(一块为N型，另一块为P型)接触在一起就可以形成PN结这样的器件。在实际的器件中，这样的PN结则是通过对某种掺杂类型的晶圆片表面层进行相反类型的掺杂而形成的。图1-1中右侧所示即为通过这种掺杂形成的剖面分布。当没有外加偏置电压时，PN结中会形成一个耗尽区，换句话说，在PN结界面附近会形成这样一个没有可动载流子的区域。当考虑到PN结两侧存在着极高的空穴浓度梯度和电子浓度梯度时，就不难理解为何会出现这种情况了。如果N型区的掺杂浓度为1015cm-3，那么N型区中电子的浓度就为1015cm-3，而空穴的浓度则为105cm-3。类似地，P型区中两种载流子的浓度情况则可能正好与N型区中相反。这样在PN结的两侧，两种类型的载流子就都存在着巨大的浓度梯度。此时如果不出现其他制约因素的话，根据载流子沿着浓度梯度下降方向扩散的原则，巨大的浓度梯度就会导致一个较大的电流持续流过PN结的界面。然而，这样的制约因素确实出现了。 刚开始PN结附近的自由载流子都流向相反的一侧，这样就在PN结附近的两侧形成了一个耗尽区，同时也在PN结内部建立了一个电场。这是因为一旦自由载流子流走，就会在硅晶格中分别留下以代位方式存在的带电施主离子 和带电受主离子 ，由此形成上述电场。掺杂剂的离子和自由载流子,P8 Electric Information,之间在通常情况下电荷会相互抵消，因此半导体材料各处呈电中性。而一旦没有了自由载流子，就会形成如图8.1所示的电场。在处于平衡状态的PN结中，载流子的漂移运动和扩散运动刚好达到平衡，因此PN结中不存在净电流。这就要求耗尽区中必须有相当强的电场以便能够“抑制”住较大的载流子浓度梯度导致的扩散电流。典型的电场强度大约在每微米几伏的数量级上。 如果在PN结的N型区上外加一个正电压，那么跨越PN结两侧的电场就会增强。这种极性的外加电压加强了PN结中已经存在的内建电场。增加的电场在N型区中增加了正电荷，而在P型区中则增加了负电荷，使得图1-1中的耗尽区变宽。由于PN结中的内建电场已经足以阻止载流子的扩散电流，而外加的电压极性又刚好使这一电场增强，因此可以设想在这样的外加偏置条件下PN结中不可能流过很大的电流。事实上，在这种反向偏置的情况下，只有极小的漏电流流过PN结。 如果现在考虑在P型区上外加一个正电压，则刚好发生相反的情况。外加的电场将抵消一部分内建电场，使得PN结两边的多数载流子都可以通过扩散越过PN结。可见在正向偏置的情况下，由于原来阻止载流子扩散的内部电场被外加的电场所削弱，所以产生了较大的PN结电流。PN结中总体的电流一电压关系可以简洁地表示为(8-1),P8 Electric Information,式中的I 0是PN结的反向漏电流。对于P型区外加正电压的情况(即正向偏置)，电流随着外加电压呈指数性增长。而对于外加反向电压的情况，电流则呈现饱和特性，且等于一个极小的数值I0 。正向电流的典型值在毫安(mA)的数量级上，而反向电流的典型值则为皮安(pA)数量级或更小。 PN结中的内建电场在PN结上产生的内建电压由下式给出(8-2)对于普通硅二极管中的典型掺杂水平来说，这一内建电压大约为0.7 V，因此0.7 V左右的外加正向电压实际上就是用来抵消这个内部势垒的，以便使得较大的电流能够通过PN结。尽管根据式(1.1)，并不存在一个明确的导通电压能使PN结中有电流流过，但是我们通常还是把上述这个0.7 V左右的外加正向电压称为硅二极管的“导通电压”。从物理机理的角度也不难理解为何PN结中的I-V特性会是指数变化关系。电子的分布在导带最小值点以上呈指数下降。当给二极管外加正向偏置时，能带的弯曲量减小，数量呈指数增加的电子就有可能越过势垒，因此二极管中的电流，随着电压V的增加呈指数增大。可见PN结二极管实际上很像一个单向导通的开关，它在正向偏置条件下打开(即导通)，而在反向偏置条件下关断(即不导通)。最后PN结还有一个特性对于我们后面的讨论非常有用。PN结二极管中的耗尽区可以被看做是一个平行板电容器。电容器中的绝缘介质材料当然就是,P8 Electric Information,耗尽的硅材料本身，而电容器的两个极板则分别由靠近耗尽区且呈电中性的P型导电区和N型导电区构成。这种平行板结构申。容器的容量可以简单表示为(1-3)式中的 是硅晶体材料的介电系数， 是耗尽区的宽度。 和外加电压V在反向偏置时是相加，而在正向偏置时是相减。当PN结外加反向电压时，由于耗尽层扩展变宽，电容量将下降；当外加正向偏置时，由于耗尽层变窄，电容量将增加。式(1-3)只有在PN结两侧都是均匀掺杂且正向电流比较小的情况下才适用。各种常见半导体器件中的PN结往往都是非对称掺杂的(如图1.1所示)，在这种情况下只有轻掺杂的一侧起主要作用。实际二极管中PN结两侧的掺杂浓度ND和NA也可以是空间位置的函数。在这种情况下，上述所有的公式都将变得异常复杂，通常需要采用计算机数值模拟技术来计算 , C(V)和I(V)。但是即使在这些比较复杂的情况下，上述的各种简单表达式通常也能给出很好的近似估算结果。,P8 Electric Information,I.课文内容简介： 主要介绍MOS 晶体管的基本知识。,Lesson 2MOS Transistors,P8 Electric Information,II.New Words,P8 Electric Information,II.New Words,P8 Electric Information,III. Phrases,P8 Electric Information,IV. 难句翻译1. Thus with a negative or zero voltage on the gate, there is no connection between the input and output N+ diffusions and the device operates as an open circuit. This condition is illustrated on the left of Fig. 8.4.因此当栅极上外加一个负电压或零电压时，输入端和输出端的N+扩散区之间没有形成通路，此时器件就像一个断开的电路一样，这一情形如图8-4中的右侧示意图所示。2. Thermal growth or deposition of SiO2 provide this capability and can also provide an Si/SiO2 interface, which is almost perfect electrically. By this we mean that there are very few charges, electron or hole traps or other undesirable features of the interface that would degrade the operation of MOS devices.二氧化硅（SiO2）的热生长工艺或淀积工艺则提供了这样的能力，另外，它还同时提供了一个具有优异电学特性的Si/SiO2界面，也就是说，该界面层中只含有极少量的电荷、电子或空穴陷阱以及其他任何我们不希望看到的有可能降低MOS器件工作性能的特征。,P8 Electric Information,V.参考译文第二课 MOS晶体管今天各种实际的电路都需要用到图8.3中的左侧示意图所表示的三端开关器件。如果器件的控制端能够与输出端实现电学隔离，那么各种电路的设计工作就将变得非常容易了。在数字电路中，开关元件最简单的表示方法就是一个由隔离的控制端控制“关闭”或“打开”的开关。“关闭”和“打开”这两个状态分别代表数字信号0和1。在模拟电路中一般需要对输入信号进行放大，在简化的形式下，这一放大功能也可以通过一个受控电流源来实现，其中受控电流源的电流正比于外加的输入信号或控制信号。在今天的硅集成电路中，两种占据统治地位的三端半导体器件就是MOS晶体管和双极型晶体管(或者称为BJT器件)。这两种器件的工作原理在一阶近似的基础上都可以等效为图8.3所示的简单电路。从历史上说，人类首先发明的是MOS器件，但是MOS器件真正用于大规模生产却比BJT器件要晚很长一段时间，这主要是因为在控制其特性以及制造出性能稳定的MOS器件方面还存在很多问题。图8.4给出了基本的MOS器件结构，图中所示器件为NMOS晶体管或N型器件。该器件为三端结构，有一个输入端(源极)、一个输出端(漏极)和一个控制端(栅极)。器件源极和漏极的N+区提供了一个与栅极下面的衬底区域(该区域通常称为器件的有源区)相接触的方法。我们还将看到，该N+区在器件正常工作的过程中同时还起到了一个电子供应源的作用。现在再来考察位于栅极电极下,P8 Electric Information,面的器件中心区域。该处的结构就是一层金属覆盖在一层绝缘层(一般是SiO2)上，该绝缘层又位于衬底硅材料之上，由此构成了这种器件名称所表示的结构(MOS即代表金属一氧化物一半导体)。衬底的硅材料是P型的，因此在正常情况下衬底中只有很少的电子存在。通常器件中的两个PN结都是处于零偏置或反向偏置状态，这就意味着只有极其微小的电流流过PN结。因此当栅极上外加一个负电压或零电压时，输入端和输出端的N+扩散区之间没有形成通路，此时器件就像一个断开的电路一样，这一情形如图2-2中的右侧示意图所示。可见当栅极外加负的偏置电压时，多数载流子空穴被吸引到了表面，这使得表面变为浓度更强的P型，此时两个串联的PN结为零偏置或反向偏置，因此没有电流流过。现在如果我们在栅电极上外加一个正电压，那么由此产生的一个穿过栅极绝缘氧化层的垂直电场就会将电子吸引到硅衬底的表面，同时还会排斥带正电荷的空穴。最初这会在器件的中间区域形成一个耗尽区，正如图2-2中的中间示意图所示。如果在栅极上外加足够高的正电压，在衬底表面的一个薄层内电子实际上就会变成主要的载流子，这样就等效地将表面层变成了N型，如图2-2中右侧的示意图所示。上述这一过程通常称为表面反型，它可以在硅衬底的表面形成一个大约5nm 厚的电子反型层。有了这样一个反型层，输入端与输出端的N+扩散区就被有效地连接在一起，形成一个闭合的开关。由此可见栅极可以控制器件的导通(外加正栅压)或关断(外加负栅压或零栅压)。当MOS晶体管导通时，反型层中电子的数量正比于栅电压，因此反型层的,