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文檔簡(jiǎn)介
1、<p><b> 目 錄</b></p><p> 1.設(shè)計(jì)任務(wù)及目標(biāo)………………………………………………………….....………1</p><p> 2.課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容…………………………………………………….…………1</p><p> 2.1 pnp雙極型晶體管的設(shè)計(jì)……………………………………….…….….
2、…1</p><p> 2.2 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容……………………………………………………….……1</p><p> 3.晶體管工藝參數(shù)設(shè)計(jì)…………………………………………..…………...………2</p><p> 3.1 晶體管的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)……………..………………….……………..2</p><p> 3.1.1 集電區(qū)雜質(zhì)
3、濃度的確定……………………………………………..2</p><p> 3.1.2 基區(qū)及發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度……………………………………………..3</p><p> 3.1.3 各區(qū)少子遷移率及擴(kuò)散系數(shù)的確定……………………….……….3</p><p> 3.1.4 各區(qū)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的計(jì)算……………………….……….....………4</p><
4、;p> 3.1.5 集電區(qū)厚度的選擇…………………….…………………....….……4</p><p> 3.1.6 基區(qū)寬度的計(jì)算……………………………………………….….…4</p><p> 3.1.7 擴(kuò)散結(jié)深…………………………………………………...…..….…6 </p><p> 3.1.8 表面雜質(zhì)濃度…………………………………………
5、..….….…….7</p><p> 3.2晶體管的橫向設(shè)計(jì)…………………………………………….…….....……8</p><p> 3.3工藝參數(shù)的計(jì)算…………………………………………………….….……8</p><p> 3.3.1 基區(qū)磷預(yù)擴(kuò)時(shí)間 ……………………………………….….…..……8</p><p> 3.3.2
6、基區(qū)磷再擴(kuò)散時(shí)間計(jì)算…………………………………..….………8</p><p> 3.3.3 發(fā)射區(qū)硼預(yù)擴(kuò)時(shí)間計(jì)算…………………………....………………..9</p><p> 3.3.4 發(fā)射區(qū)硼再擴(kuò)散時(shí)間計(jì)算………………………….…………...…..9</p><p> 3.3.5 基區(qū)磷擴(kuò)散需要的氧化層厚度………………………………........10&
7、lt;/p><p> 3.3.6 發(fā)射區(qū)硼擴(kuò)散需要的氧化層厚度…………………………………11</p><p> 3.3.7 氧化時(shí)間的計(jì)算……………………………………………………11 </p><p> 3.3.8設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)…………………………………………………..……12</p><p> 微電子器件與工藝課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p&g
8、t;<p> ——pnp雙極型晶體管的設(shè)計(jì)</p><p> 1、課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)</p><p> 《微電子器件與工藝課程設(shè)計(jì)》是有關(guān)微電子器件和工藝知識(shí)的綜合應(yīng)用的課程,使我們系統(tǒng)的掌握半導(dǎo)體器件,集成電路,半導(dǎo)體材料及工藝的有關(guān)知識(shí)的必不可少的重要環(huán)節(jié)。</p><p> 目的是使我們?cè)谑煜ぞw管基本理論和制造工藝的基礎(chǔ)上,掌握晶體管的
9、設(shè)計(jì)方法。要求我們根據(jù)給定的晶體管電學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)指標(biāo),完成晶體管的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)→晶體管的圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→材料參數(shù)的選取和設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)過(guò)程的訓(xùn)練,為從事微電子器件設(shè)計(jì)、集成電路設(shè)計(jì)打下必要的基礎(chǔ)。 </p><p> 2、課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容</p><p> 2.1 pnp雙極型晶體管的設(shè)計(jì)</p><p> 設(shè)計(jì)一個(gè)均勻摻雜的pnp型雙極晶體管,使T=300
10、K時(shí),β=120。VCEO=15V,VCBO=80V.晶體管工作于小注入條件下,最大集電極電流為IC=5mA。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的影響。</p><p> 2.2 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容:</p><p> ?。?)了解晶體管設(shè)計(jì)的一般步驟和設(shè)計(jì)原則。</p><p> ?。?)根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)選取材料,確定材料參數(shù),如發(fā)射區(qū)摻雜濃度NE,,基區(qū)摻雜濃度NB,集
11、電區(qū)摻雜濃度NC,根據(jù)各區(qū)的摻雜濃度確定少子的擴(kuò)散系數(shù),遷移率,擴(kuò)散長(zhǎng)度和壽命等。</p><p> ?。?)根據(jù)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)指標(biāo)確定器件的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù),如集電區(qū)厚度Wc,基區(qū)寬度Wb,發(fā)射極寬度We和擴(kuò)散結(jié)深Xjc,發(fā)射結(jié)結(jié)深等。</p><p> (4)根據(jù)結(jié)深確定氧化層的厚度,氧化溫度和氧化時(shí)間;雜質(zhì)預(yù)擴(kuò)散和再擴(kuò)散的擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間。 </p><
12、p> 3晶體管工藝參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p> 3.1 晶體管的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p> 雙極晶體管是由發(fā)射結(jié)和集電結(jié)兩個(gè)PN結(jié)組成的,晶體管的縱向結(jié)構(gòu)就是指在垂直于兩個(gè)PN結(jié)面上的結(jié)構(gòu)。因此,縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)有兩個(gè):首先是選取縱向尺寸,即決定襯底厚度、集電區(qū)厚度、 基區(qū)厚度、 擴(kuò)散結(jié)深和等;其次是確定縱向雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)分布,即確定集電區(qū)雜質(zhì)濃度、 襯底雜質(zhì)濃度、 表
13、面濃度,以及基區(qū)雜質(zhì)濃度分布等,并將上述參數(shù)轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)中的工藝控制參數(shù)。</p><p> 3.1.1 集電區(qū)雜質(zhì)濃度的確定</p><p> 根據(jù)擊穿電壓與濃度的關(guān)系圖來(lái)讀出BVCBO=80V時(shí)的NC,如圖1</p><p> 圖1 擊穿電壓與雜質(zhì)濃度的關(guān)系</p><p> 從圖1中可以讀出,當(dāng)BVCBO=80V時(shí),集電區(qū)雜質(zhì)濃度
14、NC=5×1015CM-3,對(duì)應(yīng)的電阻率為1.2Ω*CM,所以選用(111)晶向的P型硅。</p><p> 3.1.2 基區(qū)及發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度</p><p> 一般的晶體管各區(qū)的濃度要滿足NE>>NB>NC,故</p><p> ?。?)基區(qū)雜質(zhì)濃度取NB=5×1016cm-3 。</p><p>
15、 ?。?)發(fā)射雜質(zhì)濃度取NE=5×1018cm-3 。</p><p> 3.1.3 各區(qū)少子遷移率及擴(kuò)散系數(shù)的確定</p><p><b> ?。?)少子遷移率</b></p><p> 少子的遷移率可以通過(guò)遷移率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系圖查出來(lái)。此關(guān)系圖如下圖2所示。</p><p> 圖2 遷移率與雜質(zhì)濃
16、度的關(guān)系圖</p><p> 通過(guò)圖2可以查出在300K時(shí),集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)各自的少子的遷移率如下。</p><p> C區(qū): Uc= 1298cm 2/v.s;</p><p> B區(qū): UB =378 cm 2 /v.s;</p><p> E區(qū): UE=130 cm 2/v.s;</p><p>
17、(2)各區(qū)少子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算</p><p> 根據(jù)愛因斯坦關(guān)系式可以求出各區(qū)少子的擴(kuò)散系數(shù)</p><p><b> C區(qū):;</b></p><p><b> B區(qū):;</b></p><p><b> E區(qū):;</b></p><p>
18、3.1.4 各區(qū)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的計(jì)算</p><p> 由,其中少子壽命 ,,</p><p><b> ;</b></p><p><b> ??;</b></p><p><b> ??; </b></p><p> 3.1.5 集電區(qū)厚度的選擇&l
19、t;/p><p> ?。?)集電區(qū)厚度的最小值</p><p> 集電區(qū)厚度的最小值由擊穿電壓決定。通常為了滿足擊穿電壓的要求,集電區(qū)厚度WC必須大于擊穿電壓時(shí)的耗盡層寬度,即 (是集電區(qū)臨界擊穿時(shí)的耗盡層寬度)。對(duì)于高壓器件,在擊穿電壓附近,集電結(jié)可用突變結(jié)耗盡層近似,因而</p><p> (2)集電區(qū)厚度的最大值</p><p>
20、的最大值受串聯(lián)電阻的限制。增大集電區(qū)厚度會(huì)使串聯(lián)電阻增加,飽和壓降增大,因此的最大值受串聯(lián)電阻限制。</p><p> 考慮到實(shí)際情況最終確定。</p><p> 3.1.6 基區(qū)寬度的計(jì)算</p><p> ?。?)基區(qū)寬度的最大值</p><p> 對(duì)于低頻管,與基區(qū)寬度有關(guān)的主要電學(xué)參數(shù)是,因此低頻器件的基區(qū)寬度最大值由確定。當(dāng)發(fā)
21、射效率1時(shí),電流放大系數(shù),因此基區(qū)寬度的最大值可按下式估計(jì): </p><p> 為了使器件進(jìn)入大電流狀態(tài)時(shí),電流放大系數(shù)仍能滿足要求,因而設(shè)計(jì)過(guò)程中取4。將數(shù)據(jù)代入上式中得:</p><p> 所以基區(qū)寬度的最大值為5.7um。</p><p> ?。?)基區(qū)寬度的最小值</p&
22、gt;<p> 為了保證器件正常工作,在正常工作電壓下基區(qū)絕對(duì)不能穿通。因此,對(duì)于高耐壓器件,基區(qū)寬度的最小值由基區(qū)穿通電壓決定。對(duì)于均勻基區(qū)晶體管,當(dāng)集電結(jié)電壓接近雪崩擊穿時(shí),基區(qū)一側(cè)的耗盡層寬度為 </p><p> 所以基區(qū)寬度的取值范圍為:0.436um<WB<5.7um </p><p> (3)基區(qū)準(zhǔn)中性寬度的計(jì)算</p><
23、p> 根據(jù)設(shè)計(jì)要求給出的電流放大倍數(shù)β=120以及公式</p><p> 可以求出基區(qū)的準(zhǔn)中性寬度。W=3.46um </p><p> ?。?)基區(qū)耗盡層寬度的計(jì)算</p><p> ?、賓b結(jié)基區(qū)邊的耗盡層寬度的計(jì)算</p><p> 先求出eb結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)</p><p> 再求出eb結(jié)基區(qū)邊的耗盡
24、層寬度</p><p> ?、赾b結(jié)基區(qū)邊的耗盡層寬度的計(jì)算</p><p> 先求出cb結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)</p><p> 再求出cb結(jié)基區(qū)邊的耗盡層寬度</p><p><b> (5)總的基區(qū)寬度</b></p><p> WB=W+XnEB+XpCB=3.46+0.155+0.0419
25、=3.66um</p><p> 符合之前計(jì)算出來(lái)的基區(qū)寬度的范圍,但是這樣的寬度相對(duì)應(yīng)的結(jié)深過(guò)大,故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值W=4um</p><p> 3.1.7 擴(kuò)散結(jié)深</p><p> 在晶體管的電學(xué)參數(shù)中,擊穿電壓與結(jié)深關(guān)系最為密切,它隨結(jié)深變淺,曲率半徑減小而降低,因而為了提高擊穿電壓,要求擴(kuò)散結(jié)深一些。但另一方面,結(jié)深卻又受條寬限制,當(dāng)發(fā)射極條寬條件時(shí),擴(kuò)散
26、結(jié)面仍可近似當(dāng)做平面結(jié)。但當(dāng)SE隨著特征頻率的提高,基區(qū)寬度WB變窄而減小到不滿足SE>>Xj時(shí),發(fā)射結(jié)變?yōu)樾D(zhuǎn)橢圓面旋轉(zhuǎn)橢圓面,如圖3所示。發(fā)射結(jié)集電結(jié)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)橢圓面之間的基區(qū)體積大于平面結(jié)之間的基區(qū)體積,因而基區(qū)積累電荷增多,基區(qū)渡越時(shí)間增長(zhǎng)。按照旋轉(zhuǎn)橢圓的關(guān)系,可以解出當(dāng)SE與Xj接近時(shí),有效特征頻率為 式中 ,因此,愈大,有效特征頻率愈低。圖3也明顯表明,越大,則基區(qū)積累電荷比平面結(jié)時(shí)增加越多。由于基區(qū)積累電荷增加
27、,基區(qū)渡越時(shí)間增長(zhǎng),有效特征頻率就下降,因此,通常選取</p><p> , 則:Xje=WB=4um</p><p> , 則:Xjc=2WB=8um</p><p> 圖 3 發(fā)射極條寬對(duì)結(jié)面形狀的影響</p><p> 3.1.8 表面雜質(zhì)濃度</p><p> 結(jié)構(gòu)尺寸選定的情況下,發(fā)射區(qū)
28、和基區(qū)表面雜志濃度及其雜志分布的情況主要影響晶體管的發(fā)射效率和基區(qū)電阻。減小基區(qū)電阻要求提高基區(qū)平均雜質(zhì)濃度和表面濃度。同時(shí),提高基區(qū)平均雜質(zhì)濃度,也有利于減小基區(qū)寬變效應(yīng)和基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。提高發(fā)射效率則要求減小,增大發(fā)射區(qū)和基區(qū)濃度差別。為了保證在大電流下,晶體管仍具有較高的發(fā)射效率,要求發(fā)射區(qū)和基區(qū)表面濃度相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上,即。在這個(gè)晶體管設(shè)計(jì)中取</p><p> =1019 cm-3左右,則=102
29、1 cm-3。</p><p> 3.2晶體管的橫向設(shè)計(jì)</p><p> 無(wú)特別要求,取有效的,,。</p><p> 在這個(gè)pnp雙極晶體管的設(shè)計(jì)中,襯底選取p型硅襯底,晶向?yàn)椋?11)晶向。</p><p> 3.3工藝參數(shù)的計(jì)算</p><p> 3.3.1 基區(qū)磷預(yù)擴(kuò)時(shí)間 </p>&
30、lt;p> 首先先列出表1,是計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)時(shí)所需要用到的數(shù)據(jù),如下表一所示。</p><p> 表1:硼、磷元素在硅中的D0與激活能E</p><p> 注:適用溫度范圍(oC)為:800~1350 </p><p> 基區(qū)磷的預(yù)擴(kuò)溫度為1000 ,即1273K。</p><
31、p><b> 擴(kuò)散系數(shù): </b></p><p> 通過(guò)單位表面積擴(kuò)散到硅片內(nèi)部的雜質(zhì)數(shù)量: </p><p> 根據(jù)公式可解得在特定溫度下擴(kuò)散的時(shí)間:</p><p> 3.3.2基區(qū)磷再擴(kuò)散時(shí)間計(jì)算</p><p> 基區(qū)磷的預(yù)擴(kuò)溫度為1300 ,即1573K。</p><p&
32、gt; 硅襯底中原有雜質(zhì)的濃度:</p><p> 磷在硅中的擴(kuò)散系數(shù)為:</p><p> 由于預(yù)擴(kuò)散的結(jié)深很淺,可將它忽略,故再擴(kuò)散結(jié)深:</p><p><b> (2)</b></p><p> 又所以代入(2)式可得</p><p><b> 化簡(jiǎn)得</b&g
33、t;</p><p> 解得基區(qū)磷主擴(kuò)時(shí)間為:</p><p> t=7166s=2h</p><p> 3.3.3 發(fā)射區(qū)硼預(yù)擴(kuò)時(shí)間計(jì)算</p><p> 發(fā)射區(qū)硼預(yù)擴(kuò)散溫度為1000,即1273K</p><p> 硼在硅中的擴(kuò)散系數(shù)為:</p><p> 發(fā)射區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)的總的
34、雜質(zhì)數(shù)量:</p><p> 發(fā)射區(qū)表面雜質(zhì)濃度:</p><p> 根據(jù)公式可解得在特定溫度下擴(kuò)散的時(shí)間:</p><p> 3.3.4 發(fā)射區(qū)硼再擴(kuò)散時(shí)間計(jì)算</p><p> 發(fā)射區(qū)硼再擴(kuò)散溫度為1200,即1473K</p><p> 在1473K時(shí),硼在硅中的擴(kuò)散系數(shù)為:</p>&l
35、t;p> 由于預(yù)擴(kuò)散的結(jié)深很淺,可將它忽略,故再擴(kuò)散結(jié)深:</p><p><b> 化簡(jiǎn)上式可得:</b></p><p> 解得發(fā)射區(qū)硼再擴(kuò)散時(shí)間:</p><p> t=6571s=1.83h</p><p> 3.3.5 基區(qū)磷擴(kuò)散需要的氧化層厚度</p><p> 表2
36、:二氧化硅中磷和硼的與</p><p> 氧化層厚度的最小值由發(fā)射區(qū)主擴(kuò)溫度為1000,預(yù)擴(kuò)時(shí)間為209S,磷元素在硅中的DO與激活能E</p><p> 為了便于后續(xù)的氧化時(shí)間的計(jì)算及濕法干法的分配,最終取基區(qū)磷擴(kuò)散需要的氧化層厚度為。</p><p> 3.3.6 發(fā)射區(qū)硼擴(kuò)散需要的氧化層厚度</p><p> 氧化層厚度的最小值
37、由發(fā)射區(qū)主擴(kuò)溫度為1100,預(yù)擴(kuò)時(shí)間為1233S</p><p> 由于最小氧化層厚度小于,考慮到生產(chǎn)的實(shí)際情況,最終取發(fā)射區(qū)硼擴(kuò)散需要的氧化層厚度為。</p><p> 3.3.7 氧化時(shí)間的計(jì)算</p><p> 表3 1100℃的干氧和濕氧的氧化速率常數(shù)</p><p> 表4 1200℃的干氧和濕氧的氧化速率常數(shù)</
38、p><p> ?。?)基區(qū)氧化時(shí)間的計(jì)算</p><p> 以上已經(jīng)計(jì)算出基區(qū)磷擴(kuò)散需要的氧化層厚度為。</p><p> 根據(jù)合適的氧化時(shí)間,將分配:先干氧500,然后濕氧5000,最后再干氧500</p><p><b> 干氧氧化:</b></p><p><b> 解得t=1
39、1min</b></p><p><b> 濕氧氧化:</b></p><p><b> 解得t=36min</b></p><p> ?。?)發(fā)射區(qū)氧化時(shí)間計(jì)算</p><p> 以上已經(jīng)計(jì)算出發(fā)射區(qū)硼擴(kuò)散需要的氧化層厚度為。</p><p> 根據(jù)合適
40、的氧化時(shí)間,將分配:先干氧1000,然后濕氧5000,最后再干氧1000</p><p><b> 干氧氧化:</b></p><p><b> 解得t=17min</b></p><p><b> 濕氧氧化:</b></p><p> 解得t=22.9min</
41、p><p> 3.3.8設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)</p><p> 整個(gè)pnp雙極晶體管設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)通過(guò)表5總結(jié)如下。</p><p> 表5 pnp設(shè)計(jì)參數(shù)</p><p><b> 6總結(jié)</b></p><p> 通過(guò)兩周的課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí),我對(duì)pnp雙極型晶體管有了新的認(rèn)識(shí),我再這個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中重
42、新學(xué)習(xí)了關(guān)于晶體管從設(shè)計(jì)到制造的過(guò)程通過(guò)學(xué)習(xí)我認(rèn)識(shí)到了自己的不足。</p><p> 剛開始時(shí)我看到題目覺得什么都不知道,什么都不會(huì)做,不知道從哪里入手,只能乖乖的從書本中從頭開始學(xué),經(jīng)過(guò)兩天的學(xué)習(xí),我把以前的知識(shí)又又寵重新?lián)炱饋?lái)了,但在做課程設(shè)計(jì)的時(shí)候,我發(fā)現(xiàn)還是有些東西我沒辦法理解,于是我就拿著書本,拿著問題去找老師,在老師的教導(dǎo)下我明白了,這些問題的答案,而且從問題中學(xué)到了知識(shí)。開始的時(shí)候工藝參數(shù)的設(shè)定我
43、認(rèn)為很重要,因?yàn)槿绻_始的參數(shù)不準(zhǔn)確就會(huì)影響后面的計(jì)算;在查閱了無(wú)數(shù)的資料后,在很多次失敗后,經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)的計(jì)算后,我們完成了pnp雙極晶體管的理論設(shè)計(jì)工作,在一次次的代值近似計(jì)算后,得出的結(jié)論顯示設(shè)計(jì)符合工藝的制造要求。</p><p> 這次課程設(shè)計(jì)然我了解到了各個(gè)參數(shù)與工藝在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的大概要求,同時(shí)了解到了整個(gè)工藝的流程,通過(guò)這次學(xué)習(xí)我學(xué)會(huì)了很多,知道了自己的不足,只是學(xué)習(xí)了知識(shí)沒有學(xué)會(huì)如何運(yùn)用自己的知識(shí)
44、,而且知識(shí)學(xué)習(xí)的不牢固,開始的時(shí)候什么都忘了,學(xué)習(xí)了兩天后才回憶起來(lái),同時(shí)只知道了知識(shí)是什么,不知道怎么用,在參數(shù)的選擇上開始的時(shí)候選的不好到了后面老是出錯(cuò),問題也很多,后來(lái)修改了一些內(nèi)容才完成了課題,所以以后的學(xué)習(xí)中要不但學(xué)習(xí)知識(shí)還要學(xué)習(xí)如何運(yùn)用知識(shí);通過(guò)這次學(xué)習(xí)我學(xué)到了很多,體會(huì)到了知識(shí)的力量,體會(huì)到了運(yùn)用知識(shí)時(shí)的快感。</p><p> 最后很感謝xx老師,還有同組同學(xué)的耐心指導(dǎo),在這次設(shè)計(jì)中也鍛煉了我思
45、考問題和解決問題的能力,我受益匪淺。</p><p><b> 7參考文獻(xiàn)</b></p><p> 集成電路制造技術(shù),電子工業(yè)出版社,王蔚等著</p><p> 半導(dǎo)體物理,電子工業(yè)出版社,劉恩科等著</p><p><b> 微電子器件物理</b></p><p>
46、; 半導(dǎo)體材料,科學(xué)出版社,楊樹人等編</p><p> 微電子工藝基礎(chǔ),李薇薇等編,化學(xué)工業(yè)出版社</p><p> 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)(器件物理)R.F.Pierret 電子工業(yè)出版社</p><p> 半導(dǎo)體制造基礎(chǔ) 施敏著, 人民郵電出版社</p><p> 晶體管原理與設(shè)計(jì),北京大學(xué)電子儀器廠半導(dǎo)體專業(yè)編,科學(xué)出版社</
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