FPGA 讲义 正文 - 基础知识篇

基础知识篇

内容安排：

1）从半导体开始介绍其特征，指出高温为什么导致速度变慢（案例分析）；双极性晶体管，以及CMOS的结构。（案例分析，如何搭一个非门，与非门等）

2）布尔代数，逻辑基础，介绍何为最小项逻辑非，逻辑与，逻辑或。

3）数字逻辑电路设计中的时序和组合逻辑，同步和异步设计，辅以案例

 

1 半导体基本知识

纲要：

1） 半导体的概要，本征半导体高低温试验案例

2） 尽量简洁。对于TTL和CMOS联系，区别的介绍，工艺方面可以简介工作在数字模式下的机理

3） 使用中的一些注意事项和经验

1.1 本征半导体

自然界的各种物质就其导电性能来说，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。

半导体是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，如硅、锗等，它们的电阻率通常在之间。其实纯净的单晶半导体导电很弱，如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为，但是掺杂了后导电能力非常高，若按百万分之一的比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率，几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性，这种特性也促成其被广泛应用。

常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。所谓单晶是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。本征半导体的字面含义是只靠本征导电机理导电的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。

半导体锗和硅都是四价元素，其原子结构示意图如下图所示。它们的最外层都有4个电子，带4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。

 

在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每一个原子的价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。

 

一般来说在半导体共价键结构中，价电子（原子的最外层电子）不像在绝缘体（8价元素）中那样被束缚得很紧，在获得一定能量（温度增高、受光照等）后，即可摆脱原子核的束缚（电子受到激发），成为自由电子，这种物理现象称作为本征激发。同时共价键中留下的空位称为空穴。在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流。在一定温度条件下，产生的“电子—空穴对”和复合的“电子—空穴对”数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，在达到动态平衡时“电子-空穴对”将维持一定的数目。可见，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子，这也是半导体与导体导电方式的本质不同之处。

 

1.2 杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体

N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如图所示

 

P型半导体 ，在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图所示。

  

 

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:

T=300K 室温下,本征硅的电子和空穴浓度为

 

 

 

 

1.3 小节

1．本征半导体和本征激发。纯净的半导体叫做本征半导体，掺有少量其它元素的半导体叫做杂质半导体。因掺杂元素不同，杂质半导体又有N型半导体和P型半导体之分。掺杂后产生大量多数载流子，于是半导体的导电能力明显增加。

 

2．空穴电流就其本质而言，是在电场作用下，共价键上的束缚电子做递补空穴运动形成的电流，不可把它与自由电子在电场作用下形成的电子电流混为—谈。

 

3．利用有些半导体在温度增高、受光照等条件下导电能力会大大增强这种特性，可制造热敏等器件。利用在本征半导体中掺入微量杂质后其导电能力就可增加几十万乃至几百万倍这种特性就，可制造二极管、三极管等半导体器件。

 

4．金属中是自由电子导电，而半导体导电方式的最大特点是同时存在着电子导电和空穴导电，这也是金属导电和半导体导电的本质区别。

 

5．在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷。P型半导体，可形成N型半导体,也称电子型半导体。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，这是形成IC的基础

 

6．本征半导体和掺杂的半导体之间在温度升高表现的差异

5．1本征半导体的导电能力取决于半导体内载流子的数目。环境温度愈高．热激发越强，半导体中的载流子数目愈多。因此半导体的导电能力随环境温度的升高会有明显的增加。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。当然由于本征半导体导电能力本来就很小，还是不能实用

5．2值得注意的是，对于掺有杂质的的半导体(已经不是本征半导体)随着温度的的升高,其电阻会因为少子的浓度增加速度远远超过多子浓度增加的速度而变高，这也是为什么芯片在高温下速度变慢的一个重要原因(另外一个原因应该是由于热运动处于主要地位,造成电子无规则运动,所以电阻变高)