微電子器件全部半導(dǎo)體器件

第一章pn結(jié)1.1p-n結(jié)的形成及平衡狀態(tài)1.2直流特性1.3空間電荷區(qū)和勢(shì)壘電容1.4交流小訊號(hào)特性1.5p-n結(jié)擊穿第一章p-n結(jié)

概念和定義原理機(jī)理機(jī)制過(guò)程分析計(jì)算方法p-n結(jié),形成,平衡狀態(tài),雜質(zhì)分布:突變結(jié),緩變結(jié);空間電荷區(qū):電場(chǎng),電勢(shì),載流子濃度,空間電荷區(qū)寬度;正向、反向p-n結(jié);正向閾值電壓;耗盡層近似;勢(shì)壘電容;變?nèi)荻O管;擴(kuò)散電容;p-n結(jié)擊穿:定義,分類(lèi),碰撞電離率,倍增因子p-n結(jié)電流成分轉(zhuǎn)換;正向I-V特性的討論;大注入效應(yīng);p-n結(jié)擊穿:電擊穿,熱擊穿,雪崩擊穿,隧道擊穿;擊穿電壓影響因素及措施:球、柱、平面結(jié),磨角勢(shì)壘高度;正向電流公式;邊界載流子濃度;實(shí)際擴(kuò)散結(jié)勢(shì)壘電容計(jì)算,查表;交流小信號(hào)特性分析方法,特性方程;雪崩擊穿條件第二章雙極型晶體管的直流特性2.1晶體管的基本結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布2.2放大機(jī)理2.3直流I-V特性及電流增益2.4反向電流及擊穿電壓2.5直流特性曲線介紹2.6基極電阻2.7埃伯爾斯—莫爾模型第二章1BJT直流特性概念和定義原理機(jī)理機(jī)制過(guò)程分析計(jì)算方法基本結(jié)構(gòu),雜質(zhì)分布;發(fā)射結(jié)注入,基區(qū)輸運(yùn),集電結(jié)收集;電流放大系數(shù),中間參量;緩變基區(qū)自建電場(chǎng);反向電流及擊穿電壓直流特性曲線;基極電阻;E-M模型

放大原理;載流子傳輸過(guò)程;緩變基區(qū)自建電場(chǎng)對(duì)載流子輸運(yùn)及分布的影響;放大系數(shù)影響因素及改善措施;擊穿電壓及相互關(guān)系;勢(shì)壘穿通;厄爾利效應(yīng)

基區(qū)載流子(少子,電子)密度分布;電流密度分布;電流增益;緩變基區(qū)晶體管發(fā)射效率,方塊電阻;基極電阻,等效功率法;分貝

第三章雙極型晶體管的頻率特性3.1晶體管交流電流放大系數(shù)與頻率參數(shù)3.2晶體管的交流特性分析3.3晶體管的高頻參數(shù)及等效電路3.4高頻下晶體管中載流子的輸運(yùn)及中間參數(shù)3.5晶體管電流放大系數(shù)的頻率關(guān)系3.6晶體管的高頻功率增益3.7工作條件對(duì)晶體管fT、Kpm的影響第三章頻率特性概念和定義原理機(jī)理機(jī)制過(guò)程分析計(jì)算方法交流電流放大系數(shù)與頻率參數(shù);高頻參數(shù)及等效電路;高頻下載流子輸運(yùn)及中間參數(shù);高頻功率增益;最佳高頻功率增益;高頻優(yōu)值基區(qū)寬變效應(yīng);高頻下載流子輸運(yùn)及中間參數(shù);工作條件對(duì)頻率參數(shù)的影響交流特性分析;高頻參數(shù)及等效電路*放大系數(shù)的頻率關(guān)系;高頻優(yōu)值第四章雙極型晶體管的功率特性4.1集電極最大允許工作電流4.2基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響4.3有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)4.4發(fā)射極電流集邊效應(yīng)4.5發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量4.6晶體管最大耗散功率PCM4.7二次擊穿和安全工作區(qū)第四章功率特性概念和定義原理機(jī)理機(jī)制過(guò)程分析計(jì)算方法集電極最大允許工作電流;基區(qū)大注入自建電場(chǎng);發(fā)射極有效長(zhǎng)度、寬度;二次擊穿;安全工作區(qū);發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻基區(qū)大注入對(duì)電流放大系數(shù)的影響;基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng);有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng):均勻基區(qū),緩變強(qiáng)場(chǎng),緩變?nèi)鯃?chǎng);發(fā)射極電流集邊效應(yīng);二次擊穿:電流集中,雪崩注入幾個(gè)臨界電流密度;熱阻;耗散功率;轉(zhuǎn)換效率第五章二極管和雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)特性5.1p-n結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性5.2晶體管的開(kāi)關(guān)作用5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間5.4開(kāi)關(guān)晶體管的正向壓降和飽和壓降第五章開(kāi)關(guān)特性概念和定義原理機(jī)理機(jī)制過(guò)程分析計(jì)算方法開(kāi)關(guān)時(shí)間,反向恢復(fù)時(shí)間,貯存時(shí)間,下降時(shí)間;晶體管開(kāi)關(guān)時(shí)間定義;正向壓降,飽和壓降;臨界飽和基極電流;過(guò)驅(qū)動(dòng)電流;飽和,截止?fàn)顟B(tài);電荷控制參數(shù)開(kāi)關(guān)作用;電荷存儲(chǔ)效應(yīng);反向恢復(fù)過(guò)程;縮短二極管開(kāi)關(guān)時(shí)間措施;晶體管開(kāi)關(guān)作用,特點(diǎn)及要求;開(kāi)關(guān)過(guò)程;電荷存儲(chǔ)效應(yīng);提高開(kāi)關(guān)速度的措施反向恢復(fù)時(shí)間;貯存時(shí)間,下降時(shí)間;電荷控制法;電荷控制方程;開(kāi)關(guān)時(shí)間第六章結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管6.1基本工作原理6.2直流特性與低頻小信號(hào)參數(shù)6.3交流特性6.4功率特性6.5結(jié)構(gòu)舉例第六章JFET&MESFET概念和定義原理機(jī)理機(jī)制過(guò)程分析計(jì)算方法分類(lèi),符號(hào);直流參數(shù);交流參數(shù);頻率參數(shù)基本結(jié)構(gòu),工作原理;特性曲線;特性影響因素;短?hào)牌骷乃俣蕊柡托?yīng);串聯(lián)電阻的影響;溫度效應(yīng)直流參數(shù);交流參數(shù);頻率參數(shù)第七章MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管7.1基本工作原理和分類(lèi)7.2閾值電壓7.3電流—電壓特性和直流特性曲線7.4頻率特性7.5功率特性和功率MOSFET的結(jié)構(gòu)7.6開(kāi)關(guān)特性7.7擊穿特性7.8溫度特性7.9短溝通和窄溝道效應(yīng)第七章MOSFET概念和定義原理機(jī)理機(jī)制過(guò)程分析計(jì)算方法閾值電壓;直流參數(shù);小信號(hào)低頻參數(shù);高頻功率增益;開(kāi)關(guān)時(shí)間;短溝道效應(yīng),判據(jù)基本結(jié)構(gòu),工作原理;閾值電壓;擊穿機(jī)制;雪崩注入及應(yīng)用;溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng);漏區(qū)電場(chǎng)靜電反饋效應(yīng);低頻小信號(hào)模型;密勒效應(yīng);開(kāi)關(guān)特性;溫度特性;短溝道和窄溝道效應(yīng)閾值電壓;直流特性分析;直流參數(shù);低頻參數(shù);頻率特性;開(kāi)關(guān)時(shí)間第八章晶體管的噪聲特性8.1晶體管的噪聲和噪聲系數(shù)8.2晶體管的噪聲源8.3雙極型晶體管的噪聲8.4JFET和MESFET的噪聲特性8.5MOSFET的噪聲特性第八章噪聲特性概念和定義原理機(jī)理機(jī)制過(guò)程分析計(jì)算方法噪聲,噪聲系數(shù);信噪比;熱噪聲;散粒噪聲;1/f噪聲;噪聲頻譜特性;誘生柵極噪聲分貝一、簡(jiǎn)述下列概念：（每小題3分，共計(jì)30分）

擴(kuò)散電容特征頻率隧道擊穿噪聲系數(shù)發(fā)射極有效長(zhǎng)度夾斷電壓窄溝道效應(yīng)發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻最高振蕩頻率散粒噪聲二、詳述雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程及改善開(kāi)關(guān)特性的途徑。（20分）三、說(shuō)明緩變基區(qū)自建電場(chǎng)的形成及其對(duì)晶體管特性的影響。（10分）四、試寫(xiě)出MOSFET閾值電壓的表達(dá)式，解釋其物理意義，并說(shuō)明襯底偏置對(duì)MOSFET的閾值電壓有何影響。（20分）五、已知：均勻基區(qū)晶體管，Wb=1mm,Lnb=10mm,Lpe=5mm,ρb=0.05Ω·cm,ρe=0.0005Ω·cm.試計(jì)算γ、β*、α和β.（20分）一、擴(kuò)散電容：正向p-n結(jié)外加電壓的變化引起邊界注入少子濃度的變化（1分），從而引起擴(kuò)散區(qū)所積累的少子以及少子電荷數(shù)量的變化（1分），是由少子流入或流出擴(kuò)散區(qū)實(shí)現(xiàn)的，可視為電容的充放電（1分），這種電容效應(yīng)稱(chēng)之為擴(kuò)散電容。

隧道擊穿：當(dāng)很高的反向偏壓作用在兩側(cè)摻雜濃度都很高的p-n結(jié)上時(shí)（1分），有可能使p區(qū)的價(jià)帶頂高于n區(qū)的導(dǎo)帶底，此時(shí)p區(qū)部分價(jià)帶電子的能量高于n區(qū)導(dǎo)帶電子的能量，p區(qū)價(jià)帶電子將按一定的幾率穿透勢(shì)壘到達(dá)n區(qū)導(dǎo)帶，形成反向電流，這種效應(yīng)稱(chēng)為隧道效應(yīng)（1分），由隧道效應(yīng)引起的擊穿稱(chēng)為隧道擊穿（1分）。

發(fā)射極有效長(zhǎng)度：由于發(fā)射極金屬極條存在一定電阻，在大電流下，發(fā)射極電流在金屬極條長(zhǎng)度方向產(chǎn)生壓降（1分），引起發(fā)射結(jié)上實(shí)際作用電壓的變化，導(dǎo)致發(fā)射結(jié)注入電流密度不均勻（1分），規(guī)定：發(fā)射極金屬極條端部至根部之間電位差等于kT/q時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射極條長(zhǎng)度為發(fā)射極有效長(zhǎng)度（1分）。

窄溝道效應(yīng)：當(dāng)MOSFET的溝道寬度較小時(shí)，在溝道寬度方向的兩端耗盡層向兩側(cè)延伸部分所包含的電荷使柵下表面耗盡層中平均電荷密度增加（1分），有效閾值電壓增大（1分），這種影響隨溝道寬度減小而增大（1分），稱(chēng)之為MOSFET的窄溝道效應(yīng)。

最高振蕩頻率：由于電容的影響，晶體管的高頻功率增益隨工作頻率的升高而減?。?分），在輸入和輸出端均共軛匹配的條件下（1分），晶體管最大功率增益對(duì)于1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)之為最高振蕩頻率。

特征頻率:高頻下，由于結(jié)電容的分流作用（1分），隨著工作頻率升高，晶體管的共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降（1分），當(dāng)共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降為1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為特征頻率（1分）。

噪聲系數(shù)：晶體管除了將輸入的信號(hào)和噪聲放大輸出外，本身還要產(chǎn)生一部分噪聲（1分），因而輸出端的信噪比總是比輸入端的信噪比?。?分）。為了嚴(yán)格描述晶體管的噪聲性能，定義晶體管的噪聲系數(shù)為輸入端信噪比與輸出端信噪比之比（1分）。

夾斷電壓：JFET的溝道厚度由于柵p-n結(jié)耗盡層厚度擴(kuò)展而變?。?分）。當(dāng)柵結(jié)上外加反向偏壓Vp使柵結(jié)耗盡層總厚度等于起始溝道厚度時(shí)，整個(gè)溝道被夾斷（1分）。溝道夾斷時(shí)所需加的柵源電壓Vp稱(chēng)為夾斷電壓（1分）。

發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻：為了有效地抑制電流集中二次擊穿（1分），在大功率晶體管每一單元發(fā)射極條上加串聯(lián)電阻，稱(chēng)之為發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻（1分）。當(dāng)某一點(diǎn)電流集中時(shí)，該單元電流的增加使串聯(lián)電阻上的壓降隨之增加，真正作用在該單元發(fā)射結(jié)上的電壓隨之減小，則通過(guò)該單元的電流自動(dòng)減小，避免了電流進(jìn)一步增加而誘發(fā)二次擊穿（1分）。

散粒噪聲：起源于電子管陰極發(fā)射電子數(shù)的無(wú)規(guī)則起伏。在半導(dǎo)體中載流子產(chǎn)生、復(fù)合過(guò)程的漲落引起參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目在其平均值附近有起伏（1分），這種由于載流子數(shù)目的不規(guī)則變化而產(chǎn)生的噪聲稱(chēng)之為散粒噪聲（1分）。通常指越過(guò)p-n結(jié)勢(shì)壘的載流子數(shù)目起伏所引起的噪聲（1分）。二、詳述雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程及改善開(kāi)關(guān)特性的途徑。（20分）晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程包括開(kāi)啟過(guò)程，即晶體管由截止?fàn)顟B(tài)到飽和狀態(tài)的過(guò)程和關(guān)閉過(guò)程，即晶體管由飽和狀態(tài)到截止?fàn)顟B(tài)的過(guò)程，又對(duì)應(yīng)延遲過(guò)程、上升過(guò)程、存儲(chǔ)過(guò)程和下降過(guò)程四個(gè)階段。延遲過(guò)程：晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，兩個(gè)結(jié)均反偏（1分）。某一時(shí)刻基極輸入正脈沖信號(hào)，形成基極電流，但集電極不能立即輸出電流（1分）。因?yàn)榇藭r(shí)基極電流先向反偏的發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)充電，使其寬度逐漸變窄，由起始的負(fù)偏壓逐漸變?yōu)榱闫灾抡?，使發(fā)射結(jié)向基區(qū)有了明顯的載流子注入（1分），同時(shí)也向集電結(jié)充電，并在基區(qū)建立一定的少子積累，集電極才開(kāi)始出現(xiàn)集電極電流（1分）。上升過(guò)程：隨著發(fā)射結(jié)偏壓由零向正偏逐漸增大，向基區(qū)注入載流子濃度增大，在基區(qū)建立起逐漸增大的少子濃度梯度和擴(kuò)散流密度（1分），集電極電流逐漸增大（1分），直至晶體管達(dá)到飽和的邊緣，集電結(jié)零偏（1分）。在此過(guò)程中，基極電流繼續(xù)向發(fā)射結(jié)和集電結(jié)充電和向基區(qū)提供與少子相應(yīng)的多子的積累并補(bǔ)充其復(fù)合損失（1分）。在開(kāi)啟過(guò)程中，由基極電流向發(fā)射結(jié)、集電結(jié)的勢(shì)壘電容充電，建立基區(qū)中載流子的積累和補(bǔ)充復(fù)合損失。開(kāi)啟過(guò)程結(jié)束后，基極電流將繼續(xù)上述作用，最終使集電極電流達(dá)到最大值，集電結(jié)正偏，基區(qū)和集電區(qū)積累超量存儲(chǔ)電荷，晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)。此時(shí)基極電流剛好維持發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)積累電荷的復(fù)合損失。存儲(chǔ)過(guò)程：由于超量存儲(chǔ)電荷的存在，某一時(shí)刻基極輸入負(fù)脈沖信號(hào)，集電極電流不能立即下降而維持較大的集電極電流（1分）。由于基極電流的抽取和復(fù)合，使超量存儲(chǔ)電荷消失（1分），基區(qū)少子濃度梯度開(kāi)始減小，集電極電流才開(kāi)始下降（1分）。同時(shí)基極電流的抽取使集電結(jié)正偏減小到零偏以至反偏（1分）。下降過(guò)程：基極電流進(jìn)一步抽取基區(qū)積累載流子及發(fā)射結(jié)和集電結(jié)空間電荷區(qū)中載流子（勢(shì)壘電容放電）（1分），使基區(qū)少子濃度梯度逐漸減小到零（1分），集電結(jié)反偏（1分），直至集電極電流下降到接近零（1分）。此后，基極電流繼續(xù)抽取發(fā)射結(jié)電荷，直至發(fā)射結(jié)反偏，晶體管截止。綜上所述，晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程是發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容的充放電、基區(qū)少子濃度梯度的建立或減小以及超量存儲(chǔ)電荷的消失過(guò)程。為了改善開(kāi)關(guān)特性，從器件設(shè)計(jì)方面：減小結(jié)面積以減小兩個(gè)結(jié)的勢(shì)壘電容（1分）；摻金以減小npn管集電區(qū)少子壽命，可以減少超量存儲(chǔ)和加快復(fù)合（1分）；采用外延結(jié)構(gòu)并盡可能減小外延層厚度和降低外延層電阻率以減小存儲(chǔ)空間和縮短集電區(qū)少子壽命（1分）。從使用方面：適當(dāng)加大驅(qū)動(dòng)電流和抽取電流；控制飽和深度；適當(dāng)選擇負(fù)載電阻（1分）。三、說(shuō)明緩變基區(qū)自建電場(chǎng)的形成及其對(duì)晶體管特性的影響。（10分）在緩變基區(qū)晶體管（平面管）的基區(qū)中，由于雜質(zhì)濃度分布不均勻，有一定的濃度梯度，雜質(zhì)電離后產(chǎn)生的多數(shù)載流子濃度分布也會(huì)有相同的梯度（1分）。這個(gè)濃度梯度引起多子自高濃度處向低濃度處擴(kuò)散，但又被p-n結(jié)空間電荷區(qū)的邊界所阻擋（1分），結(jié)果低雜質(zhì)濃度側(cè)富集多子，而高雜質(zhì)濃度側(cè)過(guò)?？臻g電荷，造成正、負(fù)電荷中心分離，形成電場(chǎng)（1分）。這個(gè)電場(chǎng)對(duì)多子產(chǎn)生漂移作用以抵抗擴(kuò)散，當(dāng)二者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，形成穩(wěn)定的電場(chǎng)，基區(qū)多子也維持穩(wěn)定的分布（1分）。這種由于基區(qū)雜質(zhì)分布緩變引起的電場(chǎng)稱(chēng)之為緩變基區(qū)自建電場(chǎng)。它使基區(qū)內(nèi)各點(diǎn)電位不再相等，基區(qū)能帶發(fā)生彎曲（1分）。在平面管中，雜質(zhì)濃度的最大值不在基區(qū)的表面，因此形成的緩變基區(qū)自建電場(chǎng)有兩個(gè)方向相反的部分，對(duì)基區(qū)少子的輸運(yùn)過(guò)程分別起到阻滯和加速的作用，分別稱(chēng)之為阻滯場(chǎng)和加速場(chǎng)（1分）。阻滯場(chǎng)區(qū)的寬度較小，往往被包含在發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)中，一般可忽略其作用（1分）。加速場(chǎng)對(duì)晶體管特性的影響是使少子在基區(qū)的輸運(yùn)過(guò)程中，在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)上疊加了漂移運(yùn)動(dòng)，少子將比在均勻基區(qū)中更快地到達(dá)集電結(jié)勢(shì)壘邊界處而被收集（1分），基區(qū)復(fù)合損失減小而輸運(yùn)系數(shù)增大，可比條件下，電流放大系數(shù)增大（1分），基區(qū)渡越時(shí)間縮短，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)截止頻率提高，從而改善了晶體管的頻率特性（1分）。四、試寫(xiě)出MOSFET閾值電壓的表達(dá)式，解釋其物理意義，并說(shuō)明襯底偏置對(duì)MOSFET的閾值電壓有何影響。

（20分）

MOSFET閾值電壓是金屬柵極下面的半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)強(qiáng)反型，從而出現(xiàn)導(dǎo)電溝道時(shí)所需加的柵源電壓。其表達(dá)式為：（8分）或物理意義是：若在半導(dǎo)體表面建立反型層（1分），則在柵極上所加的電壓（1分）必須能夠在（1）抵消金半接觸電勢(shì)差；（2）補(bǔ)償氧化層中的固定氧化物電荷和其它正有效空間電荷之后，尚能（3）在半導(dǎo)體表面建立耗盡層電荷并（4）提供出現(xiàn)強(qiáng)反型層所對(duì)應(yīng)的表面電勢(shì)。（每項(xiàng)1分）在MOSFET的襯底相對(duì)于源極施加反向電壓時(shí)（1分），將使場(chǎng)感應(yīng)結(jié)上壓降增大（1分），場(chǎng)感應(yīng)結(jié)兩側(cè)費(fèi)米能級(jí)之差增大（1分），表面耗盡層的寬度（1分）與其中的空間電荷面密度相應(yīng)地增加（1分），從MOSFET閾值電壓的表達(dá)式可見(jiàn)，閾值電壓將隨襯底反偏的增加而增加（1分）。五、已知：均勻基區(qū)晶體管，Wb=1mm,Lnb=10mm,Lpe=5mm,ρb=0.05Ω·cm,ρe=0.0005Ω·cm.試計(jì)算γ、β*、α和β.（20分）解：（5分）（5分）（5分）或

或（5分）1、p-n結(jié)勢(shì)壘高度計(jì)算公式適用于

的情況下。2、晶體管做開(kāi)關(guān)運(yùn)用時(shí)與理想開(kāi)關(guān)的區(qū)別在于：1

；2

；3