Lecture Electrical Engineering: Lecture 32 - Dr. Nasim Zafar

The main contents of the chapter consist of the following: Introduction to semiconductor materials, summary of basic semiconductor devices, basics of IC processing.

COMSATS Institute of Information Technology Virtual campus Islamabad Dr. Nasim Zafar Electronics 1 ­ EEE 231  Fall Semester – 2012 Summary 9/24/18 Dr Nasim Zafar Lecture No. 32 v Contents: Ø Introduction to Semiconductor Materials Ø Summary of Basic semiconductor devices Ø Basics of IC processing 9/24/18 Dr Nasim Zafar References Ø Microelectronic Circuits:           Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith.  Ø Electronic Devices :   Thomas L. Floyd ( Prentice Hall ).  Ø Integrated Electronics  Jacob Millman and Christos Halkias (McGraw­Hill) Ø 9/24/18    Electronic Devices and Circuit Theory:    Robert Boylestad & Louis Nashelsky ( Prentice Hall ) Dr Nasim Zafar Introduction v Ø Ø From Discrete to Integrated! In 1954, Texas Instruments produced the first  commercial silicon transistor.  Before the invention of the integrated circuits,  electronic equipment was composed of discrete  components such as transistors, resistors, and  capacitors.  These components, often simply called  “discrete”, were manufactured separately and were  wired or soldered together onto circuit boards.  9/24/18 Dr Nasim Zafar Active Electronic Components v v An active electronic component either amplifies or  switches – The most common active components are diodes and  transistors – Both diodes and transistors are easy to make with  semiconductors With semiconductor materials, it is possible to create  complete circuits of active and/or passive components  wired together.   9/24/18 Dr Nasim Zafar Integrated Circuits Ø Ø Ø Integrated circuits (ICs) are  semiconductor devices that  are complete circuits made up  of transistors, diodes,  capacitors, resistors and  inductors.   The complete circuit is made  on a single piece of silicon  called a chip Any circuit from a simple  amplifier to a quad core  microprocessor  used in a PC  can be made Dr Nasim Zafar Introduction to Semiconductor Materials v v Semiconductors are the materials with conductivity between  conductor and insulator Its conductivity can be controlled by dopant concentration and  applied voltage v Elemental Semiconductors: Silicon and Germanium v Compound Semiconductors: – SiGe, SiC – GaAs, InP, etc 9/24/18 Dr Nasim Zafar Introduction to Semiconductor Materials v v v v Boron doped semiconductor is p­type, majority carriers are  holes P, As, or Sb doped semiconductor is n­type, the majority  carriers are electrons Higher dopant concentration, lower resistivity At the same dopant concentration, n­type has lower  resistivity than p­type 9/24/18 Dr Nasim Zafar Energy Band Structure of an Atom Valence shells Nuclei Conducting band, Ec Band gap, Eg Valence band, Ev 9/24/18 Dr Nasim Zafar 10 Characteristic Curves with DC Load Line Ø Ø Active Region: Q­point, and current gain 9/24/18 Ø Point A corresponds to the positive peak.  Ø Point B corresponds to the negative peak.   Dr Nasim Zafar 51 Signals: Analog vs. Digital f(t) g(t) t t Analog: Analogous to some physical             quantity 9/24/18 Dr Nasim Zafar Digital: can be represented using             a finite number of digits 52 Transistor Biasing Circuits:  Biasing ­ Circuit Configurations:  Ø 1. Fixed­Biased Transistor Circuits Ø 2. Fixed­Biased with Emitter Resistance Circuits Ø 3.  Voltage­Divider­Biased Transistor Circuits 9/24/18 Dr Nasim Zafar 53 3. Voltage­Divider­Bias Circuits: Ø   Voltage­divider biasing circuit is  the most widely used type of   transistor biasing circuit   Ø Ø  Only one power supply is needed.   and voltage­divider bias is more  stable (  independent) than other  bias types.  9/24/18 Dr Nasim Zafar 54 Summary of Semiconductor Devices  MOSFETs D G B S 9/24/18 Dr Nasim Zafar 55 MOSFET Transistor Ø Metal­oxide­semiconductor Ø Also called MOSFET (MOS Field Effect Transistor) Ø Simple, symmetric structure Ø Switch, good for digital, logic circuit Ø Most commonly used devices in the semiconductor industry 9/24/18 Dr Nasim Zafar 56 MOSFET Transistor  v MOSFETs dominated IC industry since 1980s  v Three kinds IC chips microprocessor, memory, and ASIC v Advantages of CMOS: low power, high temperature stability,  high noise immunity, and clocking simplicity 9/24/18 Dr Nasim Zafar 57 MOSFET­Basic Circuits 9/24/18 v NMOS v PMOS v CMOS Dr Nasim Zafar 58 MOSFET­Structure  Body B (bulk or  substrate) Source S y Gate: metal or heavily doped poly­Si    G Drain IG=0 D ID=IS IS Metal n+ oxide p n+ x W L 9/24/18 Dr Nasim Zafar 59 An Induced N­Channel  Figure 4.2:   The Enhancement­Type NMOSFET Transistor   A  positive voltage applied to the gate. An n channel is  induced at the top of the substrate beneath the gate 9/24/18 Dr Nasim Zafar 60 Summary: NMOS Operation VG > VT ; VDS   0 ID increases with VDS VG > VT; VDS small, > 0 ID increases with VDS , but  rate of increase decreases VG > VT; VDS   pinch­off ID reaches a saturation value,  ID,sat The VDS value is called  VDS,sat VG > VT; VDS > VDS,sat ID does not increase further,  saturation region 9/24/18 Dr Nasim Zafar 61 NMOSFET Ø Faster than PMOS Ø Used for digital logic devices in 1970s and 1980s Ø Electronic watches and hand­hold calculators Ø Replaced by CMOS after the 1980s 9/24/18 Dr Nasim Zafar 62 CMOSFET Ø Most commonly used circuit in IC chip since 1980s Ø Low power consumption Ø High temperature stability Ø High noise immunity Ø Symmetric design 9/24/18 Dr Nasim Zafar 63 Summary Ø Ø Ø Ø As the microelectronics develops, more and more functions are  fulfilled by IC chips The discrete devices and circuits, however, are still very important  not only for practical applications, but also for better  understanding and design of LSICs.  Quantitative calculation is sometimes complicated but not  difficult 9/24/18 Dr Nasim Zafar 64 As long as we know the parameter definitions clearly, results can  Thank You 9/24/18 Dr Nasim Zafar 65 ... Dr Nasim Zafar 21 Forward­Biased Diode Circuit R R I F > 0A I F > 0A IF V IF V +V -V R R IF 9/24/18 Dr Nasim Zafar IF 22 Reverse­Biased Diode Circuit R R 0A 0A IT IT V V +V -V R 9/24/18 R Dr Nasim. .. response, etc.).  Dr Nasim Zafar 9/24/18 17 Ø Basic Devices: 9/24/18 v Diode: P­N Junction v Bipolar Junction Transistor: BJT v MOS Transistor Dr Nasim Zafar 18 The Diode Anode 9/24/18 Dr Nasim Zafar Cathode...Summary 9/24/18 Dr Nasim Zafar Lecture No. 32 v Contents: Ø Introduction to Semiconductor Materials Ø Summary of Basic semiconductor devices Ø Basics of IC processing 9/24/18 Dr Nasim Zafar References