Introduction to ME

• scale of itegration
• Moore’s Law
  the number of transistors in a dense IC doubles about every two years
• process size
  the size in nm is the gate length of the transistor
  • gate length measure transistor speed and density
• types of signals
  • continuous & discrete
    • continuous : defined for all time
    • discrete : defined on discrete time
  • analog & digital
    • analog: continuous in value, not necessary in time
    • digital: discrete in value, but can be continuous in time
    • A/D
• signal processor
  • Filter
  • Amplifier
• Materials for microelectronics
  • Conductor:金属，硅化金属
  • Insulator: 非金属
  • Semiconductor: Si, Ge
• 对导电性的解释
  电子按照能级排布在不同的电子层
  • Valence band:电子分布所能达到的最高能级层
  • Conduction band: 空的电子层中的最低能级层
  • Band Gap: 从valence band 到 conduction band 所需的能量
  • Fermi level: 电子受能量激发会向更高能级跃迁，
    • At absolute zero,
    • the surface of electron sea where no electrons will have enough energy to rise above the surface
      band gap 决定了不同材料导电性的不同
• Compound Semiconductor
  3,5族或2，4族混合构成,典型的是GaN(有相对较大的band gap)
  • 两种混合称为binary,三种混合称为ternary
  • 与单独的Si相比，更快，更强，还能发光，检测光的效率也比Si强，但他不会代替Si, 只会辅助Si
• 半导体Si从哪儿来
  • 沙子主要成分是SiO2
  • 先用C烧
  • 再用HCl过一遍
  • 得到比较高纯度的Si，形态是圆柱体，我们称为ingot(高纯度单晶硅)
• Silicon的种类
  按照硅原子的排列划分
  • Amorphous: 非晶，只在少量原子/分子尺度有序
  • Crystalline: 单晶，整个一块硅晶体构成的材料
  • Polycrystalline: 多晶，在很多原子/分子尺度高度有序
• Doping
  • 我们会有意地掺杂一些杂物进材料，这个过程叫Doping, 这些杂物叫Dopants
  • Si 的最外层有4个电子，因此使用不同的dopants会带来不同的效果
    • N & P type dopants
      • N-type: 最外层5个电子，形成电子对后会多出一个能自由活动的电子
        • P, As (group V)
      • P-tyoe: 最外层3个电子，形成电子对后会多出一个能自由活动的空穴
        • B (group III)
• PN-junction(控制电流单向导通的器件，在应用中我们称为diode)
  我们把doping得到的p-type semiconductor和n-type semiconductor拼接在一起会由于两者的性质而在交界处具有特殊性质
  • 自然状态的PN-junction(zero-bias)
    我们考虑会发生什么样的变化，这时候电子的移动受两个力影响（站在空穴视角同理）
    1. Diffusion: driven by concentration gradients
    2. Drift: driven by electric field
       接下来从接通到动态平衡会经历以下几步
    3. 受diffusion影响电子从N跑向P
    4. 形成电场阻碍diffusion
    5. 形成动态平衡，no net flux
       这时我们把中间电子移动动态平衡的这段区域叫Depletion Region（因为电子跑到最后能量会耗尽）
       把产生的电势叫做Built-in potential
    • 平衡方程：
    • 能级对齐
      当两块材料正常情况连接在一起时，他们的fermi level应该是对齐的，但当PN-junction形成时
      • P型材料交接处的fermi-level下降了，由于concentration gradients使电子更愿意呆在原地，而N型材料的fermi level则相应地上升了，两个加起来形成的总差距就是由于concentration gradients造成的，出于动态平衡的知识也就等于电势能
  • 使用时控制电流导通的PN-junction
    • forward bias: 让电流能导通
      • 由能级图可知两个导带之间的距离导致电子不能正常的通过，如果我现在加一个电压来对抗甚至逆转由于fermi-level对齐产生的能量差，即P接正极，这样缩小了电场范围（Depletion Region）电子甚至可以导通产生电流（从P到N的电流）
    • reverse bias: 相反不能导通,但会有一点及其微弱的电流
  • Application of PN-junction
    • LED(Light emitted diodes)
    • Rectifier
• BJT（Bipolar Junction Transistor应用中我们称为三极管）
  顾名思义，我们可以把两个PN组合起来形成一个BJT
  • 分类
    根据PN结的排布方式我们分为两种
    • npn & pnp 简要示意图的箭头代表PN结的方向（P指向N）
  • Mode of operations
    观察我们想要得到的电流输出电流Ic分类
    • 两结都零偏或反偏（cutoff mode）
      电路中几乎没有任何电流
    • 发射结正偏，接受结反偏（active mode）
      • amplifier
    • 两结都正偏（saturation mode）
• MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)
  use voltage on gate（可以把gate看作一个capacitor） 来控制Source和Drain间(我们把两者之间称为channel, 本质上是控制resistance of channel)电流的导通
  • 根据FET的工作原理，我们把他分成几类
    • n-channel & p-channel
      • n-channel为NPN型，目的是利用gate把electons吸引到两个N之间使之导通
      • p-channel为PNP型，目的是利用gate把holes吸引到两个P之间使之导通 箭头指向为导通时电子移动方向
    • enhancement-mode & depletion-mode
      • enhancement-mode为chennel正常情况下关闭，通过加电压来使channel打开
      • depletion-mode为channel正常情况下打开，通过加电压来使channel关闭
  • 工作原理
    • MOS capacitor 改变metal的电压可以调制电阻，Oxide基本上阻断了电子直接被metal吸走，只会让电子远离channel取或者聚集在channel区域以实现channel的导通
    • 正常情况下PNjunction产生的built-in barrier阻断了沟道的导通
• Amplifier
  • amount of amplifier
    • gain 常用decibels(dB)计量，我们把一个数以10为底的对数值称为他的bel值bel(B)，dB代表十分之一B. 由于对数以1为界取正负，故dB值如果为正，说明实现了gain，如果为负，则说明实现了loss
  • amplifier power supply
    • 毫无疑问amplifier的工作也需要能量,而且一部分能量也会以热能的形式耗散，我们把额外需要的能量称为DC sources supply，有能量耗散自然也就存在能量效率，因此我们定义$$Amplifier\ efficiency=\frac{P_{out}}{P_{in}}$$
  • ideal amplifier
    好的放大器是啥样的呢
    • have same gain over time or over space(input signal, frequency, temperature, etc)
    • not introduce noise
  • Operational Amplifier(Op Amp)
• signal operating and processing
  • signal generation
    • DC (direct current) to AC(alternating current)
  • signal waveforms
    • sine wave
    • impulse
    • step
  • Filter
  • A/D converter & D/A converter
    • sampling
    • quantize
      以多少v为一个阶梯代表一个bit呢？
      n bit 能代表$2^n$ 个binary level
  • communication system
  • basic signal operations
    • addition
    • subtraction
    • shift
    • scaling
• Memory
  • categories of memory
  • RAM
    • SRAM
    • DRAM
  • ROM
  • summary
• mode of operations of BJT
• MOSFET
• op amp
• filter
• D/A converter