D y l a n L i u ' s b l o g
scale of itegration Pasted_image_20240115224127.png
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 Pasted_image_20240115225320.png
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 Pasted_image_20240115233138.png
signal processor
Filter Pasted_image_20240115233324.png
Amplifier Pasted_image_20240115233602.png
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 Pasted_image_20240115234900.png
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 Pasted_image_20240116000028.png
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-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
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)
Diffusion: driven by concentration gradients
Drift: driven by electric field 接下来从接通到动态平衡会经历以下几步
受diffusion影响电子从N跑向P
形成电场阻碍diffusion
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: Pasted_image_20240116002928.png
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 Pasted_image_20240116004632.png
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 Pasted_image_20240116010420.png Pasted_image_20240116010156.png
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 Pasted_image_20240116010851.png 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 Pasted_image_20240116011821.png
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)
两结都正偏(saturation mode) Pasted_image_20240116013115.png Pasted_image_20240116013256.png
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 Pasted_image_20240116142940.png 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 Pasted_image_20240116143753.png 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
Pasted_image_20240116145420.png
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
Pasted_image_20240116172256.png
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 Pasted_image_20240116174239.png Pasted_image_20240116174258.png
Filter
A/D converter & D/A converter Pasted_image_20240116174728.png
sampling Pasted_image_20240116174938.png
quantize 以多少v为一个阶梯代表一个bit呢? n bit 能代表 个binary level Pasted_image_20240116175258.png Pasted_image_20240116175333.png Pasted_image_20240116181043.png
communication system Pasted_image_20240116180256.png
basic signal operations
addition
subtraction
shift
scaling
Memory
categories of memory Pasted_image_20240116181258.png Pasted_image_20240116181414.png
RAM
SRAM
DRAM Pasted_image_20240116182322.png
ROM
summary Pasted_image_20240116182241.png
mode of operations of BJT
MOSFET
op amp
filter
D/A converter
Title: Introduction to ME
Author: HEMU LIU
Created at
: 2024-10-11 15:40:22
Updated at
: 2025-03-17 19:03:47
Link: https://matrixhackin.github.io/2024/10/11/Introduction-to-ME/
License:
This work is licensed under CC BY-NC-SA 4.0 .
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