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(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），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(jié)能帶圖，非平衡PN結(jié)能帶圖(1)Fermi 能級:平衡PN結(jié)有統(tǒng)一的費米能級。（2）當pn結(jié)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(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)的接觸電勢差/內(nèi)建電勢差VD（PN結(jié)的空間電荷區(qū)兩端間的電勢差）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pnni2。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)pnni2。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)的單向?qū)щ娦院蜏囟忍匦浴?/p>

4、（1）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(jié)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)?？臻g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(jié)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(jié)外加電壓變化時，引起積累在勢

5、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(jié)擴散電容是正偏壓下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速，與原子碰撞再產(chǎn)生第三

6、代電子-空穴對。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.外延層厚度對擊穿電壓的影響 外延層厚度必須大于結(jié)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(jié)，側(cè)壁部分電場強度更大，擊穿首先發(fā)生在這個部位。PN結(jié)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(dǎo)體內(nèi)晶格振動加劇，載流子平均自由程減小，這樣載流子獲得的平均動能降低，從

7、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，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(guān)態(tài)。（2） 貯存時間： PN結(jié)加一恒定的正向偏壓時，載流子被注入并保持在結(jié)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(yīng)。當正偏壓突然轉(zhuǎn)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(jié)在反偏壓下去除全部貯存電荷所需要的時間。14. 肖特基勢壘二極管與PN結(jié)

8、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(gòu)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??；反之，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(jié)二極管是有半導(dǎo)體材料組成的，陽極是P，陰極是N，中間形成PN結(jié)，當加正向電壓大于勢壘電壓二極管就導(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件。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反

9、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(fù)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(guān)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(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. 大電流效應(yīng)（大電流密度效應(yīng)，原因

10、：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(yīng)（高電平注入）：PN結(jié)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。基區(qū)電導(dǎo)調(diào)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(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。準中性基區(qū)擴展進入集電區(qū)的現(xiàn)象。

11、（3）發(fā)射極電流集邊效應(yīng)：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(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)效應(yīng)表現(xiàn)為晶體管的輸出特

12、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(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，集電結(jié)的擊穿電壓；BV（EBO）集電極開路時，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，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+td+tC（2） tB:

13、基區(qū)渡越時間 tE:發(fā)射結(jié)過度電容充電時間 td:集電結(jié)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(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時的頻率/在工作頻率fBffa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)fTfbfTVG-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

14、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)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(diào)制效應(yīng)。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(dǎo)體表面僅僅只是弱反型時，相應(yīng)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(yīng)、窄溝道效應(yīng)？DIBL效應(yīng)？（1） 短溝道效應(yīng)（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

15、短以后，漏源間高電場使遷移率下降，跨導(dǎo)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(yīng)：起源于溝道寬度方向邊緣上表面耗盡區(qū)的側(cè)向擴展，柵電極上正電荷發(fā)出的場強線除大部分終止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(cè)向擴展區(qū)電離受主，結(jié)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(dǎo)致有效閾電壓上升（3） 漏場感應(yīng)勢壘下降(DIBL)效應(yīng)：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

16、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VD1),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(jié)構(gòu)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(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

17、）、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（3）、熱電子效應(yīng)引起柵電流（2）閂鎖效應(yīng)由NMOS的有源區(qū)、P襯底、N阱、PMOS的有源區(qū)構(gòu)成的n-p-n-p結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，當其中一個三極管正偏時，就會構(gòu)成正反饋形成閂鎖。如果有一個強電場施加在器件結(jié)構(gòu)中的氧化物薄膜上，則該氧化物薄膜就會因介質(zhì)擊穿而損壞。很細的金屬化跡線會由于大電流而損壞，并會由于浪涌電流造成的過熱而形成開路。這就是所謂的“閂鎖效應(yīng)”。11.現(xiàn)代MOS器件的發(fā)展趨勢。（1）溝道設(shè)計成三維結(jié)構(gòu)3D晶體管FinFET。（2）襯底：SOI技術(shù)（3）柵：金屬柵：雙柵/三柵第4章 JFET和MESFET1. JFET（結(jié)型場效應(yīng)晶體管）或MESFET（金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）工作原理?；竟ぷ髟恚悍聪蚱珘杭佑跂艠OPN結(jié)的兩側(cè)，使得空間電荷區(qū)向溝道內(nèi)部擴展，耗盡層中的載流子耗盡。結(jié)果溝道的截面積減小，從而溝道電導(dǎo)減小。這樣，源極與漏極之間流過的電流就受到柵極電壓的調(diào)制。這種通過表面電場調(diào)制半導(dǎo)體電導(dǎo)的效應(yīng)場效應(yīng)。2. 場效應(yīng)晶體管(FET)同雙極晶體管(BJ