國科大 - 半導(dǎo)體器件物理

1、第一章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.主要半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)。簡單立方(P/Mn)、體心立方(Na/W)、面心立方(Al/Au)金剛石結(jié)構(gòu)：屬立方晶系， 由兩個面心立方子晶格相互 嵌套而成。Si Ge閃鋅礦結(jié)構(gòu)（立方密堆積）， 兩種元素，GaAs, GaP等 主要是共價鍵纖鋅礦結(jié)構(gòu)（六方密堆積），CdS, ZnS閃鋅礦和纖鋅礦結(jié)構(gòu)的異同點 共同點：每個原子均處于另一種原子構(gòu)成的四面體中心，配種原子構(gòu)成的四面體中心，配位數(shù)4不同點：閃鋅礦的次近鄰，上下彼此錯開60，而纖鋅礦上下相對2.金屬、半導(dǎo)體和絕緣體能帶特點。1）絕緣體價電子與近鄰原子形成強鍵，很難打破，沒有電子參與導(dǎo)電。 能帶圖上表現(xiàn)為大的禁帶寬度

2、，價帶內(nèi)能級被填滿，導(dǎo)帶空著，熱能或外場不能把價帶頂電子激發(fā)到導(dǎo)帶。2）半導(dǎo)體近鄰原子形成的鍵結(jié)合強度適中，熱振動使一些鍵破裂，產(chǎn)生電子和空穴。能帶圖上表現(xiàn)為禁帶寬度較小，價帶內(nèi)的能級被填滿，一部分電子能夠從價帶躍遷到導(dǎo)帶，在價帶留下空穴。外加電場，導(dǎo)帶電子和價帶空穴都將獲得動能，參與導(dǎo)電。3）導(dǎo)體導(dǎo)帶或者被部分填充，或者與價帶重疊。很容易產(chǎn)生電流3.Ge, Si，GaAs能帶結(jié)構(gòu)示意圖及主要特點。1）直接、間接禁帶半導(dǎo)體，導(dǎo)帶底，價帶頂所對應(yīng)的k是否在一條豎直線上2）導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量為正，帶頂有效質(zhì)量為負3）有效質(zhì)量與能帶的曲率成反比，導(dǎo)帶的曲率大于價帶，因此電子的有效質(zhì)量大；輕空穴帶的曲

3、率大，對應(yīng)的有效質(zhì)量小4.本征半導(dǎo)體的載流子濃度，本征費米能級。n=NCexp(-EC-EFkT) n=niexp(EF-EikT)p=Nvexp(-EF-EVkT) p=niexp(Ei-EFkT)5.非本征半導(dǎo)體載流子濃度和費米能級。500K，本征激發(fā)的載流子濃度大于摻雜濃度，載流子主要由本征激發(fā)決定。本征區(qū)。6.Hall效應(yīng)，Hall遷移率。當電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。Ey=RHJxBz 霍爾系數(shù)RH=r(-1/qn) n型 or RH=r(+1/qn

4、) p型 霍耳遷移率 7.半導(dǎo)體中的復(fù)合過程。復(fù)合速率：帶間復(fù)合：輻射、俄歇過程間接復(fù)合（單能級復(fù)合）：電子俘獲發(fā)射、空穴俘獲發(fā)射SRH復(fù)合理論，當Et=Ei時，復(fù)合率最大，因此最有效的復(fù)合中心是帶隙中央附近的能級間接復(fù)合（多能級陷阱）表面復(fù)合:表面的各種缺陷作為復(fù)合中心8。半導(dǎo)體器件工作基本方程及用途。 9*。載流子主要的散射機制A, 晶格振動或聲子散射：B, 電離雜質(zhì)散射：通常以這兩種散射為主C, 中性雜質(zhì)散射：在雜質(zhì)濃度不是很高時，可以忽略D, 電子或空穴散射：在載流子濃度很高時要考慮E, 晶格缺陷散射：對于多晶等缺陷較多的材料要考慮F, 表面散射：載流子在表面區(qū)域 (如反型層) 運動時

5、，受到表面因素(如粗糙度）引起的散射，主要是對薄膜材料要考慮.第二章 半導(dǎo)體接觸的物理機制pn結(jié)1。突變結(jié)的電荷、電場、電勢分布，耗盡區(qū)寬度和電容。電荷電場E(x)= or ,電勢耗盡區(qū)寬度 電容 2。Pn結(jié)的理想電流電壓特性肖克萊方程的推導(dǎo)。I = Xn處的電子漂移電流 + Xn處的空穴擴散電流= Xp處的電子(少子)擴散電流 + Xn處的空穴(少子)擴散電流 歸納為求少子擴散電流a.準費米能級分裂，電子和空穴的電流密度正比于各自的費米能級梯度b.耗盡區(qū)邊界處的少子濃度（邊界條件），正偏時，邊界處的少子濃度比平衡時大，反偏時小c.連續(xù)性方程的得到少子分布 穩(wěn)態(tài)、電中性、小注入、無電場d.耗盡

6、區(qū)邊界的少子擴散電流e.總電流（肖克萊方程）3。耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合、大注入、串聯(lián)電阻效應(yīng)等造成偏離理想情況的定性分析。1）產(chǎn)生復(fù)合 Jgen/rec=q|U|Wa.反偏 載流子發(fā)射 產(chǎn)生電流（隨偏壓緩慢增加 不飽和） 室溫下：若ni很大(例如Ge)，擴散電流為主，反向電流符合理想情況若ni很小(例如Si)，產(chǎn)生電流占優(yōu)勢高溫下：（中性區(qū)）擴散電流為主 b.正偏 復(fù)合過程是耗盡區(qū)內(nèi)的主要產(chǎn)生復(fù)合過程 假定在大部分耗盡區(qū)內(nèi)，有最大的復(fù)合率，用Umax給出復(fù)合電流復(fù)合電流占優(yōu)勢: n=2，擴散占優(yōu)勢: n=1, 兩種相當:1n無窮大擊穿電壓影響因素：a.摻雜濃度增加，擊穿電壓下降，N增加到一定程度后變成

7、齊納擊穿； 不同材料擊穿時的擊穿電場隨摻雜濃度變化不大 NB高而a小時，類似線性緩變結(jié)，有確定的VB a很大而NB很小時，類似突變結(jié)，VB由NB決定b.半導(dǎo)體外延層：穿通二級管有較低的擊穿電壓， 對于確定的摻雜濃度，外延層越薄，越容易貫通。對于確定的外延層厚度，摻雜濃度足夠低時，通常發(fā)生貫通。對于確定的外延層厚度，當摻雜濃度減少到對應(yīng)外延層穿透時，擊穿電壓基本不隨摻雜濃度變化，趨于恒定值。c.溫度隨著溫度的增加，擊穿電壓增加。高溫時，恒定電場下，行進單位距離的載流子有更多的能量通過散射過程損失給晶格(光學 聲子），使能量和電離率降低。d.結(jié)曲率效應(yīng)（邊緣效應(yīng)）隨曲率半徑減小，擊穿電壓降低。對淺

8、擴散結(jié)該現(xiàn)象特別顯著。改善措施：1。深擴散結(jié)，增大曲率半徑 2。 分壓環(huán)，增加環(huán)結(jié)來分壓。*隧道擊穿與雪崩擊穿的區(qū)別:1）摻雜濃度對二者的影響不同隧道擊穿取決于穿透幾率，與禁帶的水平間距有關(guān)，摻雜濃度越高，空間電荷區(qū)的寬度越窄，水平間距越小，易擊穿。因此隧道擊穿通常只發(fā)生在兩側(cè)重摻雜的PN結(jié)中。雪崩擊穿是碰撞電離，載流子能量的增加有一個過程，因此除了與電場強度有關(guān)之外，空間電荷區(qū)越寬，碰撞次數(shù)越多，所以要求空間電荷區(qū)有一定的范圍，NB不能太高。因此，在摻雜濃度不太高時的擊穿通常是雪崩擊穿。2）外界作用對二者擊穿機理的影響不同：雪崩擊穿是碰撞電離的結(jié)果，所以光照和快速的離子轟擊能夠引起倍增效應(yīng)；

9、但這些外界作用對隧道擊穿不會有明顯的影響。3）溫度對二者擊穿機理的影響不同：隧道擊穿的擊穿電壓具有負溫度系數(shù)特性，主要是由于禁帶寬度的溫度特性。而對于雪崩擊穿，由于碰撞電離率隨溫度增加而降低，所以擊穿電壓是正溫度系數(shù)特性。4）擊穿特性曲線不同:6。瞬態(tài)特性，形成原因，如何提高開關(guān)速度。瞬變時間(反向恢復(fù)時間)：電流達到起始電流IR的10%所經(jīng)過的時間t1+t2反向恢復(fù)過程形成的原因：由電荷儲存效應(yīng)引起0t平衡值。結(jié)電阻相對于外電阻可忽略,V,主要加在外電阻上,結(jié)電流： IR=VR/R=如何提高開關(guān)速度?關(guān)鍵因素是減少反向恢復(fù)時間由電荷儲存效應(yīng)決定。1。減小正向?qū)〞r的電荷儲存量。減小正向電流，

10、降低少數(shù)載流子壽命降低VF, 硅中的復(fù)合中心雜質(zhì)(金，銅，鎳)，可有效降低非平衡載流子壽命。高速開關(guān)二極管，要摻金，摻金的反向恢復(fù)時間為原來的幾十分之一2。加快儲存電荷消失速度。 儲存電荷消失：擴散抽取+復(fù)合增大初始反向電流，即增加反向電壓V，減小電阻R。減小載流子壽命，加快復(fù)合速率。第三章 雙極晶體管1。BJT的能帶結(jié)構(gòu)，基本放大原理。基區(qū)足夠窄，發(fā)射區(qū)注入的電子穿過基區(qū)，擴散到集電區(qū)基區(qū)結(jié)的耗盡層邊緣，之后漂入集電區(qū)。如果注入電子的大多數(shù)沒有與基區(qū)內(nèi)的空穴復(fù)合而能夠達到集電區(qū)，則集電區(qū)的電子電流將基本等于發(fā)射極的電子電流。因此，從近處的發(fā)射結(jié)注入的載流子可以使得反向偏置的集電結(jié)有一個很大的

11、電流晶體管放大作用。2。靜態(tài)特征：各電流的成分和關(guān)系。3。共基極，共發(fā)射極電流增益，發(fā)射效率，基區(qū)輸運因子，及關(guān)系。4。Gummel數(shù)，集電極電流，發(fā)射極摻雜濃度，大注入效應(yīng)等對電流增益的影響。Gummel數(shù): 對于一定的NE，共發(fā)射極電流增益反比于Gummel數(shù)集電極電流: 集電極電流很小, 發(fā)射效率很低，電流增益低,電流增益隨集電極電流的增加而增加基極電流達到理想?yún)^(qū)時，hFE增加到一個較高平區(qū)集電極電流更高，大注入條件，注入的載流子有效地增加了基區(qū)電導(dǎo)(摻雜),增加了基區(qū)向發(fā)射區(qū)的注入電流,使發(fā)射效率降低發(fā)射極摻雜濃度：隨著NE增加，能隙變窄，發(fā)射區(qū)少子增加，hFE減小； 重摻雜的發(fā)射區(qū)中

12、，俄歇復(fù)合迅速增強，發(fā)射區(qū)少子壽命縮短，減少了發(fā)射區(qū)擴散長度，發(fā)射效率降低，電流增益降低。大注入效應(yīng)（Kirik效應(yīng)）：大注入條件下高場區(qū)易位，大注入使有效基區(qū)寬度增加，增加了有效基區(qū)Gummel 數(shù) ，使hFE降低5。晶體管的四種工作模式，各模式下的少數(shù)載流子分布?；鶇^(qū)少子分布與偏壓的關(guān)系。+6。共基極組態(tài)和共發(fā)射極組態(tài)輸出特性的差別。共基極組態(tài)：1、在放大區(qū)，1, IC=IE , IC與VCB無關(guān)2、即使VCB0，過剩載流子仍被集電區(qū)手機，集電極電流保持恒定。3、是集電極電流=0，要對VBC加正壓，處在飽和模式下4、發(fā)射極開路，得到集電極飽和電流 ICO，遠小于正常pn結(jié)的反向電流5、VC

13、B超過VBCBO會發(fā)生雪崩擊穿或擊穿效應(yīng)共發(fā)射極：1、電流IC隨V CE的增加而增加,不飽和VCE增加，Early效應(yīng)（基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)），中性區(qū)寬度W下降，0升高2、當VCE很小時，集電極電流迅速降為03、基極開路時，集電極飽和電流ICEO遠大于ICBO，ICEO=0*ICBO 7。如何增加特征頻率，如何提高開關(guān)速度。特征頻率：窄基區(qū)，窄集電區(qū)，大電流電平。采用擴散工藝，獲得基區(qū)內(nèi)建電場可降低B.所有的硅高頻晶體管都是n-p-n形式。減小發(fā)射結(jié)面積，減少發(fā)射結(jié)電容。開關(guān)速度：1。摻金，禁帶中心引入有效的產(chǎn)生-復(fù)合中心, 既不影響電流增益，又可有效地減小集電區(qū)少子壽命。2。保證集電結(jié)耐壓情況下

14、，盡量降低外延層厚度，降低外延層電阻。3。減少結(jié)面積，減少基區(qū)寬度。4。適當增加IB5。盡量工作在臨界飽和狀態(tài)8。什么是二次擊穿。什么是發(fā)射極電流集邊效應(yīng)，如何解決。二次擊穿：（功率晶體管或高頻大功率晶體管突然燒毀或失效的重要原因）1）當集電極反向偏壓增加到某一 值時，集電極電流突然增加，出現(xiàn)擊穿2) 當集電極反向偏壓進一步增加，電流增加到某一臨界值時，晶體管上的壓降（VCE）突然降低，而電流繼續(xù)增加發(fā)射極電流集邊效應(yīng)：（大電流工作下）在發(fā)射結(jié)正偏時，通過發(fā)射結(jié)的電流大部分都流向了集電極（是少數(shù)載流子的擴散電流），只有很小一部分流向基極。因為BJT存在一定的基極電阻，包括發(fā)射區(qū)正下方基區(qū)的橫向

15、電阻（是一種擴展電阻）和發(fā)射區(qū)正下方以外基區(qū)的電阻；而基極電流是在基區(qū)中橫向流動的，則在擴展的基極電阻上將產(chǎn)生電壓降，這就使得發(fā)射區(qū)正下方基區(qū)中各點的電位不一樣，即在發(fā)射結(jié)邊緣處的電位較高、在發(fā)射結(jié)中心處的電位較低（甚至為0）；于是，就造成發(fā)射結(jié)面上各點的電壓不同（發(fā)射結(jié)周圍邊緣處的電壓高，中心處的電壓低），從而使得發(fā)射結(jié)面上各點的注入電流密度也就不同發(fā)射結(jié)周圍邊緣處的電流密度大，中心處的電流密度0，即發(fā)射極電流基本上都集中到了發(fā)射結(jié)的周圍一圈，這就是發(fā)射極電流集邊效應(yīng)。該效應(yīng)實際上是由基極電阻所引起的，因此也稱為基極電阻自偏壓效應(yīng)。解決方法：限制電流容量，使得不出現(xiàn)電流集邊效應(yīng)；提高基區(qū)摻雜

16、濃度，以減小基極電阻；提高發(fā)射極周長/面積比。第四章-MIS結(jié)構(gòu)1. 理想MIS結(jié)構(gòu)的定義,不同偏壓下的能帶圖像, 用表面勢取值范圍區(qū)分不同的情況。定義：1）在零偏置下，金屬功函數(shù)和半導(dǎo)體功函數(shù)之間的差為零。2）在任何偏置條件下，MIS結(jié)構(gòu)中的電荷只有半導(dǎo)體中的電荷和鄰近絕緣體的金屬表面上的數(shù)目相等而符號相反的電荷。3）在直流偏置條件下，不存在通過絕緣體的載流子輸運，即絕緣體的電阻率為無窮大。ss0 空穴耗盡 B=s 表面本征2Bs0 弱反型 S2B 強反型2. 半導(dǎo)體空間電荷密度隨表面勢yS變化的典型關(guān)系。3. 理想MIS系統(tǒng)的C-V特性曲線,不同偏壓和不同頻率的C-V關(guān)系。平帶電容, 表面

17、耗盡區(qū)的最大寬度, 閾值電壓。1）左側(cè)V0，空穴積累，很小的ys的變化，引起大的Qs變化，有大的半導(dǎo)體微分電容。所以，總電容 絕緣體電容2）V0，耗盡開始，隨著外加偏壓的增加，耗盡區(qū)寬度增加，半導(dǎo)體電容減小?？傠娙轀p小。半導(dǎo)體表面耗盡時，+ 5）S=B 弱反型開始 S2B 強反型開始4. 實際MOS二極管中, 影響理想C-V曲線的主要因素?？紤]到不同因素的平帶電壓和閾值電壓表達式。有效凈電荷。1）金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差對Al電極- P型半導(dǎo)體系統(tǒng)：m s電子從金屬流向半導(dǎo)體, 半導(dǎo)體能帶向下彎曲 出現(xiàn)表面空穴耗盡層或N型反型層若想達到理想平帶狀態(tài)，則要加上一個相當于功函數(shù)差的電壓 VFB= ms

18、 =fVFB可正可負，理想的C-V特性曲線將沿電壓軸向右(0)或向左(0，補償電荷一部分為Qf，剩下的為電離施主。 耗盡層寬度比較小。電容大。對耗盡區(qū)和弱反型區(qū)，Qf 0，C-V向更負偏壓移動。Qf 0，C-V向正向移動。(n型和p型規(guī)律相同)偏壓移動量b)可移動離子電荷Qm Qm有效凈電荷面密度 m-可移動離子的體電荷密度 d-氧化層厚度c) 氧化物陷阱電荷Qot 與SiO2中的缺陷有關(guān)X射線輻射或熱電子注入之類的方法形成對（p型Si，正偏），與理想情況相比，同一表面勢下，外電壓小，C-V曲線向負方向移動：公式同上(正電荷等效于對半導(dǎo)體有一個附加的正柵偏壓，因此需要更負的柵偏壓來得到與原始半

19、導(dǎo)體相同的能帶結(jié)果，新的平帶條件下，氧化層電場不再為0) 3）外界因素的影響溫度，光照，電離輻照，雪崩注入I）溫度：低溫下，產(chǎn)生過程慢：反型層建立慢，要有大偏壓，長時間平衡，才可建立。跟不上信號變化，C-V特性截止頻率低，ni2)，載流子復(fù)合發(fā)生。Pn結(jié)正向偏置,電子從n側(cè)注入，與從p側(cè)注入的空穴復(fù)合。激光器（受激輻射）材料要求：直接帶隙、低界面態(tài)異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶格匹配（外延工藝）基本結(jié)構(gòu)：被一些特殊設(shè)計的平面包圍的pn結(jié)。簡并型p-n結(jié) ,正偏時,此區(qū)域分布反轉(zhuǎn).導(dǎo)帶中有大量電子,價帶中有大量空穴.分布反轉(zhuǎn):電子在較高能級的濃度大于在較低能級的濃度.光探測器(吸收) 將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕陌雽?dǎo)體器

20、件1）入射光產(chǎn)生載流子。2）通過電流增益，使載流子傳導(dǎo)和倍增。3）電流與外部電路相互作用，以提供輸出信號。光敏電阻 光電二極管:工作與反向偏壓下的pn結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸光信號打在光電二極管上時，耗盡區(qū)會將由光產(chǎn)生的電子-空穴對分離，有電流輸出到外電路。響應(yīng)速度結(jié)必須非常接近表面寬耗盡區(qū)可吸收絕大多數(shù)的光，但渡越時間效應(yīng)會限制頻率響應(yīng)。若耗盡區(qū)太薄，電容過大，大的RC時間常數(shù)折中寬度，耗盡區(qū)的渡越時間約為調(diào)制周期的一半太陽能電池（吸收） 吸收光能激發(fā)出非平衡電子空穴對l 非平衡電子和空穴向非均勻勢場區(qū)的擴散和漂移運動l 非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運動而分離2。有無光照時pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu),各電流,電壓的方向。光生電流的方向相當于普通二級管反向電流方向。光照使PN結(jié)勢壘降低，等效于PN結(jié)外加正向偏壓，同樣能引起P區(qū)空穴和N區(qū)電子向?qū)Ψ降臄U散，形成正向注入電流。此電流與光生電流相反，對電池不利，應(yīng)使之減小。3。短路電流，開路電壓，填充因子，效率，及相互關(guān)系。短路電流IS=IL=ISC 光生電流是最大的短路電流開路電壓可能得到的最大光生電壓填充因子 效率獲得最大效率，三項都要最大第六章 負阻效應(yīng)1。隧道二極管峰值電壓VP ， VV