華工半導體物理期末總結

1、1、 p-n結1. PN結的雜質分布、空間電荷區(qū)，電場分布（1） 按照雜質濃度分布，PN 結分為突變結和線性緩變結突變結 - P區(qū)與N區(qū)的雜質濃度都是均勻的，雜質濃度在冶金結面處（x = 0）發(fā)生突變。單邊突變結-一側的濃度遠大于另一側，分別記為 PN+ 單邊突變結和 P+N 單邊突變結。 后面的分析主要是建立在突變結（單邊突變結）的基礎上突變結近似的雜質分布。 線性緩變結 - 冶金結面兩側的雜質濃度均隨距離作線性變化，雜質濃度梯 a 為常數(shù)。在線性區(qū) 線性緩變結近似的雜質分布?？臻g電荷區(qū)：PN結中，電子由N區(qū)轉移至P區(qū)，空穴由P區(qū)轉移至N區(qū)。電子和空穴的轉移分別在N區(qū)和P區(qū)留下了未被補償?shù)氖?/p>

2、主離子和受主離子。它們是荷電的、固定不動的，稱為空間電荷?？臻g電荷存在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。（2） 電場分布2. 平衡載流子和非平衡載流子（1）平衡載流子-處于非平衡狀態(tài)的半導體,其載流子濃度為n0和p0。（2）非平衡載流子-處于非平衡狀態(tài)的半導體，其載流子濃度也不再是n0和p0（此處0是下標），可以比他們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子3. Fermi 能級，準Fermi 能級，平衡PN結能帶圖，非平衡PN結能帶圖(1)Fermi 能級:平衡PN結有統(tǒng)一的費米能級。（2）當pn結加上外加電壓V后，在擴散區(qū)和勢壘區(qū)范圍內(nèi)，電子和空穴沒有統(tǒng)一的費米能級，分別用準費米能級

3、。（3）平衡PN結能帶圖（4）非平衡PN結能帶圖（5）熱平衡PN結能帶圖電荷分布3. pn結的接觸電勢差/內(nèi)建電勢差VD（PN結的空間電荷區(qū)兩端間的電勢差）5. 非平衡PN結載流子的注入和抽取6. 過剩載流子的產(chǎn)生與復合（1）正偏復合電流：正偏壓使得空間電荷層邊緣處的載流子濃度增加，以致pn>ni2。這些過量載流子穿越空間電荷層，使得載流子濃度可能超過平衡值，預料在空間電荷層中會有載流子復合發(fā)生，相應的電流稱為空間電荷區(qū)復合電流。（2）反偏產(chǎn)生電流:反偏PN結空間電荷區(qū)pn<<ni2。這將引起非平衡載流子的產(chǎn)生從而引起反偏產(chǎn)生電流。7. 理想二極管的電流電壓關系，并討論pn結

4、的單向導電性和溫度特性。（1）電流電壓關系（3）溫度特性8. PN結大注入效應，大注入（如外加正向電壓增大，致使注入的非平衡少子濃度達到或超過多子濃度）和小注入（在邊界處少子的濃度比多子的濃度低得多）時的電流電壓 特性的比較。（擴散系數(shù)增大一倍）沒看到圖！9. 比較pn結自建電場，緩變基區(qū)自建電場和大注入自建電場的異同點。（1） P區(qū)留下，N區(qū)留下 ，形成空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電場稱為內(nèi)建電場，方向為由N 區(qū)指向P 區(qū)。電場的存在會引起漂移電流，方向為由N 區(qū)指向P 區(qū)。單邊突變結電荷分布：電場分布（2）（3）10.勢壘電容與擴散電容的產(chǎn)生機制。（1）在積累空間電荷的勢壘區(qū)，當PN結外加

5、電壓變化時，引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，即耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，這種現(xiàn)象與電容器的充、放電過程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容。（2）PN結擴散電容是正偏壓下PN結存貯電荷隨偏壓變化引起的電容，隨直流偏壓的增加而增加。11. 三種pn結擊穿機構。 雪崩擊穿的條件？討論影響雪崩擊穿電壓的因素。（1）PN結擊穿：當加在PN結上的反偏壓增加到一定數(shù)值，再稍微增加，PN結就會產(chǎn)生很大的反向電流。（2）（3）雪崩擊穿的條件（原理）：耗盡區(qū)中的載流子受到該區(qū)電場加速而不斷增加能量，當能量達到足夠大時，載流子與晶格碰撞時產(chǎn)生電子-空穴對。新產(chǎn)生的電子-空穴對又在電場作用下加

6、速，與原子碰撞再產(chǎn)生第三代電子-空穴對。如此繼續(xù)，產(chǎn)生大量導電載流子，電流迅速上升。（4）影響雪崩擊穿電壓的因素1.雜質濃度及雜質分布對擊穿電壓的影響 耐高壓選低摻雜的高阻材料做襯底，或深結。2.外延層厚度對擊穿電壓的影響 外延層厚度必須大于結深和勢壘寬度xmB3.棱角電場對雪崩擊穿電壓的影響 用平面工藝制造而成的PN結，側壁部分電場強度更大，擊穿首先發(fā)生在這個部位。PN結實際的擊穿電壓比平面部分的計算值低。4.表面狀況及工藝因素對反向擊穿電壓的影響5.溫度對雪崩擊穿電壓的影響 雪崩擊穿電壓隨溫度升高而增大，溫度系數(shù)是正的。 原因：溫度升高，半導體內(nèi)晶格振動加劇，載流子平均自由程減小，這樣載流

7、子獲得的平均動能降低，從而使碰撞電離倍增效應所需加的電壓增高。12. PN結的交流等效電路？13. PN結的開關特性，貯存時間的影響因素。（1） 開關特性： PN結二極管處于正向偏置時，允許通過較大的電流，處于反向偏置時通過二極管的電流很小，因此，常把處于正向偏置時二極管的工作狀態(tài)稱為開態(tài)，而把處于反向偏置時的工作狀態(tài)叫作關態(tài)。（2） 貯存時間： PN結加一恒定的正向偏壓時，載流子被注入并保持在結二極管中，在擴散區(qū)建立確定的非平衡少數(shù)載流子分布，這種現(xiàn)象稱為電荷貯存效應。當正偏壓突然轉換至反偏壓時，在穩(wěn)態(tài)條件下所貯存的載流子并不能立刻消除。PN結在反偏壓下去除全部貯存電荷所需要的時間。14.

8、肖特基勢壘二極管與PN結二極管的異同。肖特基二極管內(nèi)部是由陽極金屬和陰極金屬等構成，在N型基片和陽極金屬之間形成肖特基勢壘。當在肖特基勢壘兩端加上正向偏壓時，肖特基勢壘層變窄，其內(nèi)阻變?。环粗?，若在肖特基勢壘兩端加上反向偏壓時，肖特基勢壘層則變寬，其內(nèi)阻變大。PN結二極管是有半導體材料組成的，陽極是P，陰極是N，中間形成PN結，當加正向電壓大于勢壘電壓二極管就導通了！第2章 雙極晶體管1. 晶體管基本結構(三個區(qū)域的摻雜濃度的數(shù)值大小) 。Npn:為發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠大于基區(qū)的摻雜濃 度2. 晶體管處在放大區(qū)時的能帶圖，電流分布圖，基區(qū)少子濃度分布圖（四種偏置）。3.晶體管具有放大能力的基本條

9、件。發(fā)射結正偏，集電結反偏4. 發(fā)射效率和基區(qū)輸運因子bT的定義。提高晶體管電流放大系數(shù)的主要措施。（1）（2） 為了提高(共基極）a(約等于1）和（共射極）a/(1-a)，需要提高y和bT ，使它們盡量趨于1。減小基區(qū)寬度增加載流子的擴散長度降低發(fā)射區(qū)與基區(qū)的方塊電阻的比值改善器件的表面狀況及減小表面復合提高基區(qū)的自建電場因子5. 晶體管的Ebers-Moll模型及其等效電路和互易關系。EM模型：把晶體管看成由一個正向二極管和一個反向二極管疊加而成。6. 晶體管共基極（B）和共射極電流放大系數(shù)（a）之間的關系。a/(1-a)7. 晶體管共基極和共射極輸入、輸出特性和轉移特性曲線8. 大電流效

10、應（大電流密度效應，原因：小尺寸器件總電流不一定大但電流密度大）及對器件特性的影響（正向有源區(qū)）（1）大注入效應（高電平注入）：PN結外加正向電壓時注入的少數(shù)載流子密度等于或者超過多子平衡太密度的工作狀態(tài)。 擴散系數(shù)比小注入時增大的一倍?；鶇^(qū)電導調制：基區(qū)大注入工作時，非平衡多子密度超過平衡多子密度，使基區(qū)電導率明顯增大。Rittner效應(由于基區(qū)電導調制效應)：電阻率下降，發(fā)射效率降低，使電流增益下降、Webster(韋伯斯脫)效應（由于大注入內(nèi)建電場效應）：減緩大電流增益的下降（電流增益增加）。（2）有效基區(qū)擴展效應(Kirk效應)：大電流密度下BJT的有效基區(qū)隨電流密度則憤完。準中性基

11、區(qū)擴展進入集電區(qū)的現(xiàn)象。（3）發(fā)射極電流集邊效應：由于基區(qū)擴展電阻rbb（基區(qū)有源電阻和無源電阻之和）存在，當基極電流流過時在無源和有源的基區(qū)都要產(chǎn)生橫向的電位降。從而使發(fā)射結結面上發(fā)生非均勻的載流子注入。非均勻載流子注入使得沿著發(fā)射結出現(xiàn)非均勻的電流分布，。造成在靠近邊緣處有更高的電流密度。9. 什么是Early效應? 對器件特性有什么影響？（1）Early效應：工作在正向有源區(qū)的BJT的集電結 ，其空間電荷區(qū)寬度及基區(qū)一側的擴展距離，隨反偏電壓數(shù)值增大而增大，有效基區(qū)寬度因而隨之減小，通常將有效基區(qū)寬度隨集電極基極偏壓變化，并影響器件特性的現(xiàn)象稱為基區(qū)寬度調變效應。（2）器件特性影響：基調

12、效應表現(xiàn)為晶體管的輸出特性曲線微微向上傾斜，若把輸出特性曲線延長則會與橫軸交于一點，該點對應的電壓即稱為Early電壓uA。10. 基區(qū)穿通和外延層穿通。11.三種擊穿電壓的關系。BV（CBO）發(fā)射極開路時，集電結的擊穿電壓；BV（EBO）集電極開路時，發(fā)射結的擊穿電壓；（通常BE結零偏或者正偏，所以不重要）BV（CEO）基極開路時，集電極發(fā)射極的擊穿電壓；穿通擊穿：在雪崩擊穿前集電結的空間電荷層到達了發(fā)射結，則晶體管擊穿。這種擊穿電壓務穿通電壓。12. 寫出載流子從發(fā)射極到集電極的總傳輸延遲時間的表達式，并說明各傳輸延遲時間的意義，如何提高晶體管的特征頻率fT？（1） 1/wa=tE+tB+

13、td+tC（2） tB:基區(qū)渡越時間 tE:發(fā)射結過度電容充電時間 td:集電結耗盡層渡越時間 tC:集電電容充電時間（3） 提高fT:減小各渡越時間fT不是很高時，tB為主要影響因素減小基區(qū)寬度來降低tB/提高基區(qū)電場因子 fT較高，減tE=選較大的IE。 提高集電區(qū)摻雜濃度。 減小wc提高Nc。13. fa, fB, fT ,fm的定義，及相互間的大小關系？fa:共基極3dB頻率fB:共射極3dB頻率fT（特征頻率）:wT增益帶寬乘積，hfe模量1時的頻率/在工作頻率fB<f<fa的范圍內(nèi)，共射極電流增益的幅值與頻率的乘積是一個常數(shù)fTfb<fT<fafm（最高振蕩

14、頻率）：共發(fā)射極專用，功率增益為1時的頻率，是晶體管最終頻率。14晶體管在開關過程中，EB結和CB結偏壓是如何變化的。（1）延遲過程：EB由反偏向正偏（0.5V）導通過渡，CE由大反偏到小反偏。（2）上升過程：EB由正偏（0.5V）到導通（0.7V），CB由反偏到零偏。（3）貯存過程：EB正偏不變，CB正偏到零偏。（4）下降過程：EB由導通（0.7V）到正偏（0.5V），CB由零偏到大反偏。15 HBT的優(yōu)勢（相對BJT）（1）化合物半導體的HBT具有更高的開關速度和截止頻率。 這是因為GaAs的電子遷移率高，是相同條件下的Si的6倍，飽和電子漂移速率是Si的2倍。（2）HBT的輸出功率大。

15、HBT的集電極可以用寬禁帶的半導體材料，反向擊穿電壓大，器件的輸出功率大。（3）電流增益系數(shù)大。 HBT的發(fā)射結是異質結，發(fā)射極是寬禁帶的半導體，由于價帶的不連續(xù)性，在基區(qū)高摻雜的情況下，也能保持較高的電流增益。Si的BJT中，基極摻雜濃度NA為1018cm-3，發(fā)射極的摻雜濃度ND為1020cm-3，同質結E=0；HBT中，基極摻雜濃度NA為1019cm-3，發(fā)射極的摻雜濃度ND為1017cm-3,異質結E0，正是E的存在，室溫下，GaInP/GaAs的HBT的電流增益為320，而Si的BJT電流增益不到100。（4）HBT具有較高的開關速度和最高振蕩頻率，能實現(xiàn)高線性和低的諧波。 這是因為

16、HBT中基極摻雜濃度比BJT高，可以減弱基極寬度的調制效應；同時減小基極的寬度，可以減短電子在基極的度越時間。（5）HBT的噪聲小，高頻性能好。 這是因為HBT的發(fā)射極的摻雜濃度較BJT低，降低了發(fā)射極和基極間單位面積的結電容。此外，由于HBT中基極摻雜濃度高，發(fā)射極摻雜濃度低，可以做成倒置的雙極晶體管，BJT采用正置結構（發(fā)射極在上，集電極在下），倒置HBT（發(fā)射極在下，集電極在上）的集電極的面積減小，集電結的電容減小，發(fā)射極在下，不需要長的的引線引出發(fā)射極，降低發(fā)射極引線電感，從而提高HBT的高頻性能。第3章 MOS場效應晶體管1. 閾值電壓（形成強反型最小柵極電壓）及其影響因素（襯底濃度

17、和偏壓，氧化層中電荷,氧化層厚度等）。（VT表達式）（1）理想： 實際： （2）影響因素 1）柵電容Co。Co越大，VT的絕對值越小。2）襯底雜質濃度的影響。改變襯底雜質濃度可改變閾值電壓的大小3）氧化層中電荷的影響。4）襯底偏置的影響。要在半導體表面產(chǎn)生同樣數(shù)量的導電電子，必須加比平衡態(tài)更大的柵源電壓，閾值電壓也就隨偏置電壓的增大而增大。2. MOSFET工作原理及其類型。輸出特性曲線和轉移特性曲線。工作原理：MOSFET的放大作用：由于反型層電荷強烈地依賴于柵壓，可利用柵壓控制溝道電流，實現(xiàn)放大作用。（1）當MOSEFT柵極上加上足夠大的正電壓VG時，中間的MOS結構發(fā)生反型，在兩個N+區(qū)

18、之間的P型半導體表面形成一個反型層。于是源極和漏極之間被能通過大電流的N型表面溝道連接在一起。改變柵極電壓可以調制這個溝道的電導（場效應），從而調制溝道電流。（2）若加一小的漏極電壓，電子將通過溝道從源極流到漏極。溝道的作用相當于一個電阻，漏極電流ID和漏極電壓VD成正比，這是線性區(qū)。條件表示為：VD>>VG-VTH（3）當漏極電壓增加時，由于從源極到漏極存在電壓，漏極電壓使柵極電壓被抑制，所以導電溝道從0L逐漸變窄，致使y=L處反型層寬度首先減小到零，這種現(xiàn)象稱為溝道夾斷。之后漏電流基本保持不變，晶體管該工作狀態(tài)為飽和工作狀態(tài)。條件為：VDVGVTH（4）夾斷后，隨漏電壓增加，導

19、電溝道兩端的電壓保持不變但溝道長度L縮短，所以漏極電壓將增加，呈現(xiàn)不飽和特性溝道長度調制效應。3. 亞閾值區(qū)及其特性（特點）。亞閾值區(qū)：當柵電壓低于閾值電壓，半導體表面僅僅只是弱反型時，相應的漏電流稱為亞閾值電流，對于漏電流起決定作用的是載流子擴散4 什么是短溝道效應、窄溝道效應？DIBL效應？（1） 短溝道效應（偏離了長溝器件特性）主要指(1)閾值電壓隨溝道長度的下降而下降；(2)溝長縮短以后，漏源間高電場使遷移率下降，跨導下降；(3)弱反型漏電流將隨溝道長度縮小而增加，并出現(xiàn)夾不斷的情況（2） 窄溝道效應：起源于溝道寬度方向邊緣上表面耗盡區(qū)的側向擴展，柵電極上正電荷發(fā)出的場強線除大部分終止

20、于柵氧化層下耗盡區(qū)電離受主以外，還有一部分場強線終止于側向擴展區(qū)電離受主，結果是使終止于反型層的場強線數(shù)目減少，溝道電荷減少，電阻增大，從而導致有效閾電壓上升（3） 漏場感應勢壘下降(DIBL)效應：溝道長度越短，VDS越大，貫穿的電力線越多，勢壘降低的也就越多。源漏兩區(qū)之間的勢壘降低后，就有更多電子由源區(qū)注入溝道區(qū)，從而形成Id。5 MOSFET的伏安特性方程（線性區(qū)和飽和區(qū)）薩支唐方程描述MOSEFT非飽和直流特性的基本方程（1） 線性區(qū)，漏極電壓很少VD<<VGVTH 考慮V時要括號內(nèi)多V（2）飽和區(qū)，在L點發(fā)生截斷 V(L)=VG-VTH=VDS 6柵跨導，漏源電導。漏極導

21、納：(VG為常數(shù)) 即跨導：（VD為常數(shù)） 線性區(qū)：飽和區(qū)：7.MOSFET小信號等效電路。MOS管截止頻率表達式，提高頻率性能的途徑。截止頻率：（1）線性區(qū) （2） 飽和區(qū) （3） 提高：溝道長度要短，載流子遷移率要高。8. MOS器件等比例縮小原則。（1） 器件所有尺寸和電壓同時縮小一個比例因子k(k>1),使內(nèi)部電場和長溝道MOSFET相同（2） 最小溝道長度表達式來縮?。ǜ奖悖?. MOS結構的CV特性（理想、實際）。1.0若有界面陷阱電荷，實際曲線將提前下降（變形）。10.熱載流子效應和閂鎖效應。（1）溝道漏附近能量較大的電子稱為 熱電子。由于在器件尺寸縮小的過程中，電源電壓不可能和器件尺寸按同樣比例縮小，這樣導致MOS器件內(nèi)部電場增強。當MOS器件溝道中的電場強度超過100kV/cm時，電子在兩次散射間獲得的能量將可能超過它在散射中失去的能量，從而使一部分電子的能量顯著高于熱平衡時的平均動能而成為熱電子。 （1）、熱電子向柵氧化層中發(fā)射（2）、熱電子效應引起襯底電流