華工半導(dǎo)體物理期末總結(jié)

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

2、主離子和受主離子。它們是荷電的、固定不動(dòng)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(chǎng)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(dǎo)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(dǎo)體，其載流子濃度也不再是n0和p0（此處0是下標(biāo)），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(jí)，準(zhǔn)Fermi 能級(jí)，平衡PN結(jié)能帶圖，非平衡PN結(jié)能帶圖(1)Fermi 能級(jí):平衡PN結(jié)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。（2）當(dāng)pn結(jié)加上外加電壓V后，在擴(kuò)散區(qū)和勢(shì)壘區(qū)范圍內(nèi)，電子和空穴沒有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，分別用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)

3、。（3）平衡PN結(jié)能帶圖（4）非平衡PN結(jié)能帶圖（5）熱平衡PN結(jié)能帶圖電荷分布3. pn結(jié)的接觸電勢(shì)差/內(nèi)建電勢(shì)差VD（PN結(jié)的空間電荷區(qū)兩端間的電勢(shì)差）5. 非平衡PN結(jié)載流子的注入和抽取6. 過剩載流子的產(chǎn)生與復(fù)合（1）正偏復(fù)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(yù)料在空間電荷層中會(huì)有載流子復(fù)合發(fā)生，相應(yīng)的電流稱為空間電荷區(qū)復(fù)合電流。（2）反偏產(chǎn)生電流:反偏PN結(jié)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(guān)系，并討論pn結(jié)

4、的單向?qū)щ娦院蜏囟忍匦浴＃?）電流電壓關(guān)系（3）溫度特性8. PN結(jié)大注入效應(yīng)，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(dá)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(shí)的電流電壓 特性的比較。（擴(kuò)散系數(shù)增大一倍）沒看到圖！9. 比較pn結(jié)自建電場(chǎng)，緩變基區(qū)自建電場(chǎng)和大注入自建電場(chǎng)的異同點(diǎn)。（1） P區(qū)留下，N區(qū)留下 ，形成空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)稱為內(nèi)建電場(chǎng)，方向?yàn)橛蒒 區(qū)指向P 區(qū)。電場(chǎng)的存在會(huì)引起漂移電流，方向?yàn)橛蒒 區(qū)指向P 區(qū)。單邊突變結(jié)電荷分布：電場(chǎng)分布（2）（3）10.勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容的產(chǎn)生機(jī)制。（1）在積累空間電荷的勢(shì)壘區(qū)，當(dāng)PN結(jié)外加

5、電壓變化時(shí)，引起積累在勢(shì)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(shì)壘電容。（2）PN結(jié)擴(kuò)散電容是正偏壓下PN結(jié)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(jié)擊穿機(jī)構(gòu)。 雪崩擊穿的條件？討論影響雪崩擊穿電壓的因素。（1）PN結(jié)擊穿：當(dāng)加在PN結(jié)上的反偏壓增加到一定數(shù)值，再稍微增加，PN結(jié)就會(huì)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(chǎng)加速而不斷增加能量，當(dāng)能量達(dá)到足夠大時(shí)，載流子與晶格碰撞時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)又在電場(chǎng)作用下加

6、速，與原子碰撞再產(chǎn)生第三代電子-空穴對(duì)。如此繼續(xù)，產(chǎn)生大量導(dǎo)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(zhì)濃度及雜質(zhì)分布對(duì)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(jié)。2.外延層厚度對(duì)擊穿電壓的影響 外延層厚度必須大于結(jié)深和勢(shì)壘寬度xmB3.棱角電場(chǎng)對(duì)雪崩擊穿電壓的影響 用平面工藝制造而成的PN結(jié)，側(cè)壁部分電場(chǎng)強(qiáng)度更大，擊穿首先發(fā)生在這個(gè)部位。PN結(jié)實(shí)際的擊穿電壓比平面部分的計(jì)算值低。4.表面狀況及工藝因素對(duì)反向擊穿電壓的影響5.溫度對(duì)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(dǎo)體內(nèi)晶格振動(dòng)加劇，載流子平均自由程減小，這樣載流

7、子獲得的平均動(dòng)能降低，從而使碰撞電離倍增效應(yīng)所需加的電壓增高。12. PN結(jié)的交流等效電路？13. PN結(jié)的開關(guān)特性，貯存時(shí)間的影響因素。（1） 開關(guān)特性： PN結(jié)二極管處于正向偏置時(shí)，允許通過較大的電流，處于反向偏置時(shí)通過二極管的電流很小，因此，常把處于正向偏置時(shí)二極管的工作狀態(tài)稱為開態(tài)，而把處于反向偏置時(shí)的工作狀態(tài)叫作關(guān)態(tài)。（2） 貯存時(shí)間： PN結(jié)加一恒定的正向偏壓時(shí)，載流子被注入并保持在結(jié)二極管中，在擴(kuò)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(yīng)。當(dāng)正偏壓突然轉(zhuǎn)換至反偏壓時(shí)，在穩(wěn)態(tài)條件下所貯存的載流子并不能立刻消除。PN結(jié)在反偏壓下去除全部貯存電荷所需要的時(shí)間。14.

8、肖特基勢(shì)壘二極管與PN結(jié)二極管的異同。肖特基二極管內(nèi)部是由陽(yáng)極金屬和陰極金屬等構(gòu)成，在N型基片和陽(yáng)極金屬之間形成肖特基勢(shì)壘。當(dāng)在肖特基勢(shì)壘兩端加上正向偏壓時(shí)，肖特基勢(shì)壘層變窄，其內(nèi)阻變?。环粗?，若在肖特基勢(shì)壘兩端加上反向偏壓時(shí)，肖特基勢(shì)壘層則變寬，其內(nèi)阻變大。PN結(jié)二極管是有半導(dǎo)體材料組成的，陽(yáng)極是P，陰極是N，中間形成PN結(jié)，當(dāng)加正向電壓大于勢(shì)壘電壓二極管就導(dǎo)通了！第2章 雙極晶體管1. 晶體管基本結(jié)構(gòu)(三個(gè)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(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃 度2. 晶體管處在放大區(qū)時(shí)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(jié)正偏，集電結(jié)反偏4. 發(fā)射效率和基區(qū)輸運(yùn)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(kuò)散長(zhǎng)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(fù)合提高基區(qū)的自建電場(chǎng)因子5. 晶體管的Ebers-Moll模型及其等效電路和互易關(guān)系。EM模型：把晶體管看成由一個(gè)正向二極管和一個(gè)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(guān)系。a/(1-a)7. 晶體管共基極和共射極輸入、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線8. 大電流效

10、應(yīng)（大電流密度效應(yīng)，原因：小尺寸器件總電流不一定大但電流密度大）及對(duì)器件特性的影響（正向有源區(qū)）（1）大注入效應(yīng)（高電平注入）：PN結(jié)外加正向電壓時(shí)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(kuò)散系數(shù)比小注入時(shí)增大的一倍?；鶇^(qū)電導(dǎo)調(diào)制：基區(qū)大注入工作時(shí)，非平衡多子密度超過平衡多子密度，使基區(qū)電導(dǎo)率明顯增大。Rittner效應(yīng)(由于基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng))：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(yīng)（由于大注入內(nèi)建電場(chǎng)效應(yīng)）：減緩大電流增益的下降（電流增益增加）。（2）有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)(Kirk效應(yīng))：大電流密度下BJT的有效基區(qū)隨電流密度則憤完。準(zhǔn)中性基

11、區(qū)擴(kuò)展進(jìn)入集電區(qū)的現(xiàn)象。（3）發(fā)射極電流集邊效應(yīng)：由于基區(qū)擴(kuò)展電阻rbb（基區(qū)有源電阻和無源電阻之和）存在，當(dāng)基極電流流過時(shí)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(jié)結(jié)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(jié)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(yīng)? 對(duì)器件特性有什么影響？（1）Early效應(yīng)：工作在正向有源區(qū)的BJT的集電結(jié) ，其空間電荷區(qū)寬度及基區(qū)一側(cè)的擴(kuò)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(diào)變效應(yīng)。（2）器件特性影響：基調(diào)

12、效應(yīng)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(zhǎng)則會(huì)與橫軸交于一點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(guān)系。BV（CBO）發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的擊穿電壓；BV（EBO）集電極開路時(shí)，發(fā)射結(jié)的擊穿電壓；（通常BE結(jié)零偏或者正偏，所以不重要）BV（CEO）基極開路時(shí)，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(jié)的空間電荷層到達(dá)了發(fā)射結(jié)，則晶體管擊穿。這種擊穿電壓務(wù)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(shí)間的表達(dá)式，并說明各傳輸延遲時(shí)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(shí)間 tE:發(fā)射結(jié)過度電容充電時(shí)間 td:集電結(jié)耗盡層渡越時(shí)間 tC:集電電容充電時(shí)間（3） 提高fT:減小各渡越時(shí)間fT不是很高時(shí)，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(chǎng)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(guān)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(shí)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(gè)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(shí)的頻率，是晶體管最終頻率。14晶體管在開關(guān)過程中，EB結(jié)和CB結(jié)偏壓是如何變化的。（1）延遲過程：EB由反偏向正偏（0.5V）導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通（0.7V）到正偏（0.5V），CB由零偏到大反偏。15 HBT的優(yōu)勢(shì)（相對(duì)BJT）（1）化合物半導(dǎo)體的HBT具有更高的開關(guān)速度和截止頻率。 這是因?yàn)镚aAs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(dǎo)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(jié)是異質(zhì)結(jié)，發(fā)射極是寬禁帶的半導(dǎo)體，由于價(jià)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(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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(guān)速度和最高振蕩頻率，能實(shí)現(xiàn)高線性和低的諧波。 這是因?yàn)?/p>

16、HBT中基極摻雜濃度比BJT高，可以減弱基極寬度的調(diào)制效應(yīng)；同時(shí)減小基極的寬度，可以減短電子在基極的度越時(shí)間。（5）HBT的噪聲小，高頻性能好。 這是因?yàn)镠BT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(jié)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(jié)構(gòu)（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(jié)的電容減小，發(fā)射極在下，不需要長(zhǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管1. 閾值電壓（形成強(qiáng)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(dá)式）（1）理想： 實(shí)際： （2）影響因素 1）柵電容Co。Co越大，VT的絕對(duì)值越小。2）襯底雜質(zhì)濃度的影響。改變襯底雜質(zhì)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(dǎo)體表面產(chǎn)生同樣數(shù)量的導(dǎo)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(zhuǎn)移特性曲線。工作原理：MOSFET的放大作用：由于反型層電荷強(qiáng)烈地依賴于柵壓，可利用柵壓控制溝道電流，實(shí)現(xiàn)放大作用。（1）當(dāng)MOSEFT柵極上加上足夠大的正電壓VG時(shí)，中間的MOS結(jié)構(gòu)發(fā)生反型，在兩個(gè)N+區(qū)

18、之間的P型半導(dǎo)體表面形成一個(gè)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(diào)制這個(gè)溝道的電導(dǎo)（場(chǎng)效應(yīng)），從而調(diào)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(dāng)于一個(gè)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(dāng)漏極電壓增加時(shí)，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(dǎo)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(dǎo)

19、電溝道兩端的電壓保持不變但溝道長(zhǎng)度L縮短，所以漏極電壓將增加，呈現(xiàn)不飽和特性溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。3. 亞閾值區(qū)及其特性（特點(diǎn)）。亞閾值區(qū)：當(dāng)柵電壓低于閾值電壓，半導(dǎo)體表面僅僅只是弱反型時(shí)，相應(yīng)的漏電流稱為亞閾值電流，對(duì)于漏電流起決定作用的是載流子擴(kuò)散4 什么是短溝道效應(yīng)、窄溝道效應(yīng)？DIBL效應(yīng)？（1） 短溝道效應(yīng)（偏離了長(zhǎng)溝器件特性）主要指(1)閾值電壓隨溝道長(zhǎng)度的下降而下降；(2)溝長(zhǎng)縮短以后，漏源間高電場(chǎng)使遷移率下降，跨導(dǎo)下降；(3)弱反型漏電流將隨溝道長(zhǎng)度縮小而增加，并出現(xiàn)夾不斷的情況（2） 窄溝道效應(yīng)：起源于溝道寬度方向邊緣上表面耗盡區(qū)的側(cè)向擴(kuò)展，柵電極上正電荷發(fā)出的場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)線終止于側(cè)向擴(kuò)展區(qū)電離受主，結(jié)果是使終止于反型層的場(chǎng)強(qiáng)線數(shù)目減少，溝道電荷減少，電阻增大，從而導(dǎo)致有效閾電壓上升（3） 漏場(chǎng)感應(yīng)勢(shì)壘下降(DIBL)效應(yīng)：溝道長(zhǎng)度越短，VDS越大，貫穿的電力線越多，勢(shì)壘降低的也就越多。源漏兩區(qū)之間的勢(shì)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(shí)要括號(hào)內(nèi)多V（2）飽和區(qū)，在L點(diǎn)發(fā)生截?cái)?V(L)=VG-VTH=VDS 6柵跨導(dǎo)，漏源電導(dǎo)。漏極導(dǎo)

21、納：(VG為常數(shù)) 即跨導(dǎo)：（VD為常數(shù)） 線性區(qū)：飽和區(qū)：7.MOSFET小信號(hào)等效電路。MOS管截止頻率表達(dá)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(zhǎng)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(shí)縮小一個(gè)比例因子k(k>1),使內(nèi)部電場(chǎng)和長(zhǎng)溝道MOSFET相同（2） 最小溝道長(zhǎng)度表達(dá)式來縮?。ǜ奖悖?. MOS結(jié)構(gòu)的CV特性（理想、實(shí)際）。1.0若有界面陷阱電荷，實(shí)際曲線將提前下降（變形）。10.熱載流子效應(yīng)和閂鎖效應(yīng)。（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(dǎo)致MOS器件內(nèi)部電場(chǎng)增強(qiáng)。當(dāng)MOS器件溝道中的電場(chǎng)強(qiáng)度超過100kV/cm時(shí)，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(shí)的平均動(dòng)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(yīng)引起襯底電流