國(guó)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(jiǎn)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(gè)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(jià)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(diǎn) 共同點(diǎn)：每個(gè)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(diǎn)：閃鋅礦的次近鄰，上下彼此錯(cuò)開(kāi)60，而纖鋅礦上下相對(duì)2.金屬、半導(dǎo)體和絕緣體能帶特點(diǎn)。1）絕緣體價(jià)電子與近鄰原子形成強(qiáng)鍵，很難打破，沒(méi)有電子參與導(dǎo)電。 能帶圖上表現(xiàn)為大的禁帶寬度

2、，價(jià)帶內(nèi)能級(jí)被填滿，導(dǎo)帶空著，熱能或外場(chǎng)不能把價(jià)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(qiáng)度適中，熱振動(dòng)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(jià)帶內(nèi)的能級(jí)被填滿，一部分電子能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶留下空穴。外加電場(chǎng)，導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴都將獲得動(dòng)能，參與導(dǎo)電。3）導(dǎo)體導(dǎo)帶或者被部分填充，或者與價(jià)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(diǎn)。1）直接、間接禁帶半導(dǎo)體，導(dǎo)帶底，價(jià)帶頂所對(duì)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(fù)3）有效質(zhì)量與能帶的曲率成反比，導(dǎo)帶的曲率大于價(jià)帶，因此電子的有效質(zhì)量大；輕空穴帶的曲

3、率大，對(duì)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(fèi)米能級(jí)。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(fèi)米能級(jí)。<100K 載流子主要由雜質(zhì)電離提供 雜質(zhì)部分電離區(qū)(凝固區(qū)) 。100500K，雜質(zhì)漸漸全部電離，在很大溫度范圍內(nèi)本征激發(fā)的載流子數(shù)目小于雜質(zhì)濃度，載流子主要由摻雜濃度決定。à飽和電離區(qū)。>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。à本征區(qū)。6.Hall效應(yīng)，Hall遷移率。當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)

4、體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢(shì)差也被稱(chēng)為霍爾電勢(shì)差。Ey=RHJxBz 霍爾系數(shù)RH=r(-1/qn) n型 or RH=r(+1/qn) p型 霍耳遷移率 7.半導(dǎo)體中的復(fù)合過(guò)程。復(fù)合速率：帶間復(fù)合：輻射、俄歇過(guò)程間接復(fù)合（單能級(jí)復(fù)合）：電子俘獲發(fā)射、空穴俘獲發(fā)射SRH復(fù)合理論，當(dāng)Et=Ei時(shí)，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(jí)間接復(fù)合（多能級(jí)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(jī)制A, 晶格振動(dòng)或聲子散射：B, 電離雜質(zhì)

5、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(shí)，可以忽略D, 電子或空穴散射：在載流子濃度很高時(shí)要考慮E, 晶格缺陷散射：對(duì)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(yùn)動(dòng)時(shí)，受到表面因素(如粗糙度）引起的散射，主要是對(duì)薄膜材料要考慮.第二章 半導(dǎo)體接觸的物理機(jī)制pn結(jié)1。突變結(jié)的電荷、電場(chǎng)、電勢(shì)分布，耗盡區(qū)寬度和電容。電荷電場(chǎng)E(x)= or ,電勢(shì)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(kuò)散電流= Xp處的電子(少子)擴(kuò)散電流 + Xn處的空穴(少子)擴(kuò)散電流 歸納為求

6、少子擴(kuò)散電流a.準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂，電子和空穴的電流密度正比于各自的費(fèi)米能級(jí)梯度b.耗盡區(qū)邊界處的少子濃度（邊界條件），正偏時(shí)，邊界處的少子濃度比平衡時(shí)大，反偏時(shí)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(wú)電場(chǎng)d.耗盡區(qū)邊界的少子擴(kuò)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(kuò)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(shì)高溫下：（中性區(qū)）擴(kuò)散電流為主 b.正偏 復(fù)合過(guò)程是耗盡

7、區(qū)內(nèi)的主要產(chǎn)生復(fù)合過(guò)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(shì): n=2，擴(kuò)散占優(yōu)勢(shì): n=1, 兩種相當(dāng):1<n<2 .2）大注入空穴電流密度大注入作用好像是使擴(kuò)散系數(shù)加倍大注入時(shí)，結(jié)上的壓降與外電壓和n區(qū)少子濃度有關(guān) 由于在結(jié)區(qū)以外的壓降，大注入使電流-電壓關(guān)系改變，由原來(lái)的exp(qV/kT)，變成exp(qV/2kT)3）串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻使得中性區(qū)上有壓降IR， 降低了耗盡區(qū)的偏壓. I 理想電流降低一個(gè)因子，使電流隨電壓的上升而變慢。當(dāng)電流足夠大時(shí)，外加電壓的增加主要降在串聯(lián)電阻上，電流-電壓近似線性關(guān)系。4。了解擴(kuò)散電容的形成。 *擴(kuò)

8、散電容與耗盡層電容（勢(shì)壘電容）的比較 勢(shì)壘電容是p-n結(jié)空間電荷區(qū)（耗盡層，勢(shì)壘區(qū)）的電容。Ø 其大小與結(jié)面積、半導(dǎo)體介電常數(shù)和外加電壓有關(guān)，有：Øp-n結(jié)正偏時(shí)，大量載流子通過(guò)勢(shì)壘區(qū)，耗盡近似實(shí)際上不成立，計(jì)算公式也不再適用，一般近似認(rèn)為正偏時(shí)的勢(shì)壘電容等于0偏時(shí)的4倍。Ø 勢(shì)壘電容在正偏和反偏時(shí)均不能忽略，在反偏時(shí)以勢(shì)壘電容為主。Ø 是相應(yīng)于多數(shù)載流子變化的電容效應(yīng)，因此，在低頻和高頻下都將起作用，器件的最高工作頻率往往決定于勢(shì)壘電容。 擴(kuò)散電容結(jié)正偏時(shí)，非平衡少子在結(jié)兩邊中性區(qū)內(nèi)的存儲(chǔ)所造成的微分電容效應(yīng)。Ø 隨著直流偏壓按指數(shù)增大，在正

9、向偏壓下比較大，所以pn結(jié)在較大正偏時(shí)表現(xiàn)出的電容，主要是擴(kuò)散電容。Ø 反向偏置時(shí)，少子數(shù)目很少，可忽略擴(kuò)散電容。Ø 相應(yīng)于少子電荷變化，與少子壽命有關(guān)，在高頻下不起作用，在低頻時(shí)很重要。影響結(jié)的開(kāi)關(guān)速度。5。各種擊穿過(guò)程的基本原理與規(guī)律特點(diǎn)。1）熱不穩(wěn)定性高的反向電壓下反向電流引起熱損耗，若熱量不能及時(shí)傳遞出去，結(jié)溫增加，結(jié)溫增加反過(guò)來(lái)增加了反向電流和熱損耗的增加。惡性循環(huán)，直到結(jié)燒壞。禁帶寬度小，易發(fā)生熱擊穿Eg小易擊穿改善散熱，溫度較低2）隧道擊穿（齊納擊穿）隨著反向偏壓的增加，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)不斷加強(qiáng)，能帶彎曲增加。勢(shì)壘區(qū)內(nèi)強(qiáng)大的電場(chǎng)使其中的電子獲得相當(dāng)大的附加靜電勢(shì)能，

10、當(dāng)反向偏壓足夠高時(shí)，附加的靜電勢(shì)能可以使一部分價(jià)帶電子的能量達(dá)到甚至超過(guò)導(dǎo)帶底電子的能量DeltaX減小，隧穿幾率增加；兩側(cè)都是高摻雜, 可得到高的電場(chǎng)，隧道效應(yīng)迅速增加隧道電流隨外加電壓的增加而增加：外加反向偏壓越大，電場(chǎng)越強(qiáng)，能帶彎曲越陡，水平距離越小，隧穿幾率越大。常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度隨溫度增加而減小。隧道電流隨Eg增大而減?。篍g增加，水平距離增加。So，由隧道效應(yīng)決定的擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)：擊穿電壓隨著溫度的增加而減小.3）雪崩擊穿反向偏壓的增加，結(jié)內(nèi)電場(chǎng)增加，通過(guò)勢(shì)壘區(qū)的電子和空穴在強(qiáng)電場(chǎng)作用下, 獲得的能量逐漸增加，當(dāng)能量足夠大時(shí)，通過(guò)與晶格原子的碰撞使價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，

11、形成新的電子空穴對(duì)-碰撞電離。新生的電子和空穴在電場(chǎng)作用下和原有電子-空穴一起獲得 能量，與晶格碰撞產(chǎn)生第二代電子和空穴。如此循環(huán)，電子和空穴不斷倍增，數(shù)目急劇增加，反向電流急劇增加，最終引起Pn 結(jié)擊穿。雪崩擊穿電壓:倍增因子M趨近無(wú)限大時(shí)的電壓. 擊穿條件: M->無(wú)窮大à¥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齊納擊穿； 不同材料擊穿時(shí)的擊穿電場(chǎng)隨摻雜濃度變化不大 NB高而a小時(shí)，類(lèi)似線性緩變結(jié)，有確定的VB a很大而NB很小時(shí)，類(lèi)似突變結(jié)，VB由NB決定b.半導(dǎo)體外延層：穿通二級(jí)管有較低的擊穿電壓， 對(duì)于確定的摻雜濃度，外延層

12、越薄，越容易貫通。對(duì)于確定的外延層厚度，摻雜濃度足夠低時(shí)，通常發(fā)生貫通。對(duì)于確定的外延層厚度，當(dāng)摻雜濃度減少到對(duì)應(yīng)外延層穿透時(shí)，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(shí)，恒定電場(chǎng)下，行進(jìn)單位距離的載流子有更多的能量通過(guò)散射過(guò)程損失給晶格(光學(xué) 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(duì)淺擴(kuò)散結(jié)該現(xiàn)象特別顯著。改善措施：1。深擴(kuò)散結(jié)，增大曲率半徑 2。 分壓環(huán)，增加環(huán)結(jié)來(lái)分壓。*隧道擊穿與雪崩擊穿的區(qū)別:1）摻雜濃度對(duì)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

13、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?fù)诫s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(gè)過(guò)程，因此除了與電場(chǎng)強(qiáng)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(shí)的擊穿通常是雪崩擊穿。2）外界作用對(duì)二者擊穿機(jī)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)；但這些外界作用對(duì)隧道擊穿不會(huì)有明顯的影響。3）溫度對(duì)二者擊穿機(jī)理的影響不同：隧道擊穿的擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)特性，主要是由于禁帶寬度的溫度特性。而對(duì)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。

14、4）擊穿特性曲線不同:6。瞬態(tài)特性，形成原因，如何提高開(kāi)關(guān)速度。瞬變時(shí)間(反向恢復(fù)時(shí)間)：電流達(dá)到起始電流IR的10%所經(jīng)過(guò)的時(shí)間t1+t2反向恢復(fù)過(guò)程形成的原因：由電荷儲(chǔ)存效應(yīng)引起0<t<t1 :由于加反向偏壓，電流反向，由于電荷存儲(chǔ)，空間電荷區(qū)邊界空穴濃度>平衡值。結(jié)電阻相對(duì)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(kāi)關(guān)速度?關(guān)鍵因素是減少反向恢復(fù)時(shí)間à由電荷儲(chǔ)存效應(yīng)決定。1。減小正向?qū)〞r(shí)的電荷儲(chǔ)存量。減小正向電流，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(kāi)關(guān)二極管，要摻金，

15、摻金的反向恢復(fù)時(shí)間為原來(lái)的幾十分之一2。加快儲(chǔ)存電荷消失速度。 儲(chǔ)存電荷消失：擴(kuò)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?；鶇^(qū)足夠窄，發(fā)射區(qū)注入的電子穿過(guò)基區(qū)，擴(kuò)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(méi)有與基區(qū)內(nèi)的空穴復(fù)合而能夠達(dá)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(gè)很大的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(yùn)因子，及關(guān)系。

16、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(duì)電流增益的影響。Gummel數(shù): 對(duì)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(dá)到理想?yún)^(qū)時(shí)，hFE增加到一個(gè)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??； 重?fù)诫s的發(fā)射區(qū)中，俄歇復(fù)合迅速增強(qiáng)，發(fā)射區(qū)少子壽命縮短，減少了發(fā)射區(qū)擴(kuò)散長(zhǎng)度，發(fā)射效率降低，電流增益降低。大注入效應(yīng)（Kirik效應(yīng)

17、）：大注入條件下高場(chǎng)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。基區(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(wú)關(guān)2、即使VCB0，過(guò)剩載流子仍被集電區(qū)手機(jī)，集電極電流保持恒定。3、是集電極電流=0，要對(duì)VBC加正壓，處在飽和模式下4、發(fā)射極開(kāi)路，得到集電極飽和電流 ICO，遠(yuǎn)小于正常pn結(jié)的反向電流5、VCB超過(guò)VBCBO會(huì)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

18、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(dāng)VCE很小時(shí)，集電極電流迅速降為03、基極開(kāi)路時(shí)，集電極飽和電流ICEO遠(yuǎn)大于ICBO，ICEO=0*ICBO 7。如何增加特征頻率，如何提高開(kāi)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(kuò)散工藝，獲得基區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)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(kāi)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，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(dāng)增加IB5。盡量工作在臨界飽和狀態(tài)8。什

19、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(dāng)集電極反向偏壓增加到某一 值時(shí)，集電極電流突然增加，出現(xiàn)擊穿2) 當(dāng)集電極反向偏壓進(jìn)一步增加，電流增加到某一臨界值時(shí)，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(shí)，通過(guò)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(kuò)散電流），只有很小一部分流向基極。因?yàn)锽JT存在一定的基極電阻，包括發(fā)射區(qū)正下方基區(qū)的橫向電阻（是一種擴(kuò)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(dòng)的，則在擴(kuò)展的基極電阻上將產(chǎn)生電壓降

20、，這就使得發(fā)射區(qū)正下方基區(qū)中各點(diǎn)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(diǎn)的電壓不同（發(fā)射結(jié)周?chē)吘壧幍碾妷焊撸行奶幍碾妷旱停瑥亩沟冒l(fā)射結(jié)面上各點(diǎn)的注入電流密度也就不同發(fā)射結(jié)周?chē)吘壧幍碾娏髅芏却?，中心處的電流密?，即發(fā)射極電流基本上都集中到了發(fā)射結(jié)的周?chē)蝗?，這就是發(fā)射極電流集邊效應(yīng)。該效應(yīng)實(shí)際上是由基極電阻所引起的，因此也稱(chēng)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)摻雜濃度，以減小基極電阻；提高發(fā)射極周長(zhǎng)/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,

21、用表面勢(shì)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(hào)相反的電荷。3）在直流偏置條件下，不存在通過(guò)絕緣體的載流子輸運(yùn)，即絕緣體的電阻率為無(wú)窮大。s<0空穴積累 s=0 平帶條件 B>s>0 空穴耗盡 B=s 表面本征2B>s>0 弱反型 S>2B 強(qiáng)反型2. 半導(dǎo)體空間電荷密度隨表面勢(shì)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, 表面耗盡區(qū)的最大寬度, 閾值電壓。1）左

22、側(cè)V<0，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）V<0，|V| 降低，半導(dǎo)體表面附近空間電荷區(qū)中空穴數(shù)減少，足夠低時(shí)，電荷量隨表面電勢(shì)變化減慢，CD減小，總電容減小。3) V=0, 平帶狀態(tài)(s=0), 半導(dǎo)體電容為平帶電容：4）V>0，耗盡開(kāi)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(shí)，+ 5）S=B 弱反型開(kāi)始 S>2B 強(qiáng)反型開(kāi)始4. 實(shí)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(dá)式。有效凈電荷。1）金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差對(duì)A

23、l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(dá)到理想平帶狀態(tài)，則要加上一個(gè)相當(dāng)于功函數(shù)差的電壓 VFB= ms =fVFB可正可負(fù)，理想的C-V特性曲線將沿電壓軸向右(>0)或向左(<0)移動(dòng)VFB2）界面陷阱電荷 與 氧化層內(nèi)部電荷I) 界面陷阱態(tài)密度Dit(電荷Qit )主要的形成原因是晶體表面周期性結(jié)構(gòu)受到破壞, 用低溫（4500C）的氫退火加以鈍化考慮P型半導(dǎo)體，受主型界面態(tài)。設(shè)，平帶時(shí)沒(méi)有接收電子，中性。外加偏壓，反型，界面態(tài)降到費(fèi)米能級(jí)下，接收電子，帶負(fù)電。帶負(fù)電的界面態(tài)，使C-V曲線向右移動(dòng)，表

24、現(xiàn)為曲線沿電壓方向的延伸。（并非平移）Ii）氧化層內(nèi)部電荷a) 固定氧化物電荷Qf 數(shù)值與氧化和退火條件以及硅晶向有關(guān)Qf=0，全部補(bǔ)償電荷來(lái)自電離施主。耗盡層寬度比較大。電容小。Qf >0，補(bǔ)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(duì)耗盡區(qū)和弱反型區(qū)，Qf >0，C-V向更負(fù)偏壓移動(dòng)。Qf <0，C-V向正向移動(dòng)。(n型和p型規(guī)律相同)偏壓移動(dòng)量b)可移動(dòng)離子電荷Qm Qm有效凈電荷面密度 m-可移動(dòng)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(lèi)的方法形成對(duì)（p型Si，正偏），與理想情況

25、相比，同一表面勢(shì)下，外電壓小，C-V曲線向負(fù)方向移動(dòng)：公式同上(正電荷等效于對(duì)半導(dǎo)體有一個(gè)附加的正柵偏壓，因此需要更負(fù)的柵偏壓來(lái)得到與原始半導(dǎo)體相同的能帶結(jié)果，新的平帶條件下，氧化層電場(chǎng)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(guò)程慢：反型層建立慢，要有大偏壓，長(zhǎng)時(shí)間平衡，才可建立。跟不上信號(hào)變化，C-V特性截止頻率低，<100Hz。影響反型層截止頻率高溫，產(chǎn)生過(guò)程快，截止頻率高。Ii）光照：強(qiáng)光時(shí)，反型區(qū)電容接近低頻值。1)促進(jìn)少子的產(chǎn)生，少子產(chǎn)生時(shí)間降低。2)光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使恒定外電壓下的表面勢(shì)減少，空間電荷層寬度降低，電容增加。Iii

26、）電離輻射（射線，g射線）使SiO2中Si-O健斷裂，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。若外加正電場(chǎng)，電子à柵電極，空穴àSi-SiO2界面。電子遷移快，大部分流到外電路。空穴漂移慢，到界面附近被陷阱俘獲，成為輻射感生正氧化物電荷，引起平帶電壓移動(dòng)，也引起 界面陷阱密度增加。IV）雪崩擊穿柵電壓足夠高，耗盡層內(nèi)的載流子能量高到足以引起碰撞電離，在Si表面建立高能電子空穴對(duì)等離子體有些電子(或空穴）有足夠的能量可以越過(guò)界面的勢(shì)壘進(jìn)入SiO24）絕緣層中的載流子輸運(yùn)溫度電場(chǎng)足夠高 4種導(dǎo)電模型第四章-場(chǎng)效應(yīng)晶體管1。場(chǎng)效應(yīng)晶體管與雙極晶體管的主要區(qū)別。1）FET 為電壓控制器件; BJT 為電

27、流控制器件2）FET輸入阻抗高，實(shí)際上不需要輸入電流，在模擬開(kāi)關(guān)電路，高輸入阻抗放大器和微波放大器中具有廣泛的應(yīng)用。3）FET為單極器件，沒(méi)有少子存儲(chǔ)效應(yīng)，適于高頻和高速工作4）在大電流時(shí)，F(xiàn)ET具有負(fù)的溫度系數(shù)，隨著溫度的增加FET的電流減小，使整個(gè)器件溫度分布更加均勻5）制備工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模集成電路。2。MOSFET, JFET, MESFET 的基本結(jié)構(gòu)、基本原理、分類(lèi)、輸出特性。以源接觸作為電壓參考點(diǎn)。若柵極未加電壓，從源到漏的電流是反向漏電流，溝道關(guān)斷。若柵極加足夠大的正電壓，MOS結(jié)構(gòu)反型，表面反型層（溝道層），將源和漏連接，可通過(guò)大電流。改變柵壓，可調(diào)制溝道電導(dǎo)。襯底

28、是參考電壓還是反偏，可影響溝道電導(dǎo)。MISFET既可以是表面溝道，也可以是埋溝，主要是表面溝道耗盡型通常是采用埋溝，理論上，選擇合適的功函數(shù)，調(diào)節(jié)閾值電壓，也可實(shí)現(xiàn)。薄層電荷近似：在x方向，強(qiáng)反型時(shí)的反型層厚度為零。在x方向無(wú)壓降。當(dāng)漏電壓VDD =0時(shí)，VGG =Vii +s溝道漏極壓降：漏極加電壓時(shí)，有電流通過(guò)反型層，則有電壓降，從源到漏，電壓從0到VD，逐漸增加。反型層中的電荷速度飽和在高場(chǎng)下，遷移率不再是常數(shù)，隨著VD的增加，載流子速度趨于飽和。表現(xiàn)也是電流開(kāi)始時(shí)增加，然后達(dá)到飽和。但此時(shí)的飽和機(jī)理與恒定遷移率不同，在夾斷之前發(fā)生。彈道輸運(yùn)當(dāng)溝道長(zhǎng)度與平均自由程同量級(jí)，或者小于時(shí)，溝道

29、載流子不再受到散射，不會(huì)因?yàn)樯⑸涠У魪碾妶?chǎng)獲得的能量，其速度可以比飽和速度高很多-彈道輸運(yùn)，或速度過(guò)沖。器件的電流和跨導(dǎo)都比速度飽和時(shí)高 ，這也是不斷縮小器件尺寸的動(dòng)力。3。MOSFET的短溝道效應(yīng)。a。線性區(qū), 閾值電壓下跌，VT絕對(duì)值降低 用電荷共享模型解釋 QB 為了屏蔽柵壓VG，在半導(dǎo)體表面附近的電荷部分耗盡區(qū)電荷由源和漏來(lái)平衡，在溝道的源端和漏端，有些電荷的電力線中止在源和漏上不是柵上，由于電荷共享，QSC下降，VT下降 b。飽和區(qū), 漏場(chǎng)感應(yīng)勢(shì)壘下降（DIBL）VD很大，短溝道時(shí)，源和漏的耗盡層寬度之和約等于溝道長(zhǎng)度，出現(xiàn)穿通，結(jié)果是在源和漏之間產(chǎn)生很大的漏電流。其原因是DIBL

30、效應(yīng)，即源漏之間勢(shì)壘下降，短溝道時(shí)更明顯。c。本體穿通：隨著溝道長(zhǎng)度的縮短，源結(jié)和漏結(jié)的耗盡層寬度與溝道長(zhǎng)度相當(dāng)，貫通時(shí)兩個(gè)耗盡層連在一起。柵極無(wú)法控制電流。 d。遷移率的變化（高場(chǎng)效應(yīng)，表面散射）4。影響MOSFET閾值電壓的主要因素，如何調(diào)整閾值電壓。功函數(shù)差，固定氧化層電荷，襯底偏壓等影響理想閾值電壓 VFB是平帶電壓 VBS是襯底偏壓a) 離子注入溝道區(qū)控制摻雜濃度，可調(diào)整閾值電壓 進(jìn)行硼離子注入，控制劑量峰值在SiO2 -Si界面，使VT增加b) 改變氧化層厚度，可調(diào)整閾值電壓 氧化層厚度增加，n溝MOSFET的閾值電壓更大，p溝更負(fù)。C）襯底偏壓會(huì)影響閾值電壓 襯源之間反偏，耗盡區(qū)

31、加寬，必須提高閾值電壓達(dá)到反型。d) 選擇適當(dāng)?shù)臇艠O材料調(diào)整功函數(shù)差第五章 發(fā)光器件1。發(fā)光二極管，半導(dǎo)體激光器，光探測(cè)器，太陽(yáng)能電池：基本結(jié)構(gòu)、原理。LED:（自發(fā)輻射）正向工作的pn結(jié)，是電致發(fā)光過(guò)程：正向偏壓，少子從結(jié)的兩側(cè)注入，在結(jié)的附近有高于平衡濃度的非平衡載流子(pn>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(jì)的平面包圍的pn結(jié)。簡(jiǎn)并型p-n結(jié) ,正偏時(shí),此區(qū)域分布反轉(zhuǎn).導(dǎo)帶中有大量電子,價(jià)帶中有大量空穴.分布反轉(zhuǎn):電子在較高能級(jí)的濃度大于在較低能級(jí)的濃度.光探測(cè)器(吸收) 將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的半導(dǎo)體器件1）入射光產(chǎn)生載流子。2）通過(guò)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(hào)。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(hào)打在光電二極管上時(shí)，耗盡區(qū)會(huì)將由光產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)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(shí)間效應(yīng)會(huì)限制頻率響應(yīng)