华工半导体物理期末总结.doc

一、 p-n结
1. PN结的杂质分布、空间电荷区，电场分布
（1） 按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结
　突变结 --- P区与N区的杂质浓度都是均匀的，杂质浓度在冶金结面处（x = 0）发生突变。
单边突变结---一侧的浓度远大于另一侧，分别记为 PN+ 单边突变结和 P+N 单边突变结。 后面的分析主要是建立在突变结（单边突变结）的基础上
突变结近似的杂质分布。

线性缓变结 --- 冶金结面两侧的杂质浓度均随距离作线性变化，杂质浓度梯 a 为常数。在线性区 　　
线性缓变结近似的杂质分布。

空间电荷区：PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区。电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。空间电荷存在的区域称为空间电荷区。
（2） 电场分布

2. 平衡载流子和非平衡载流子
（1）平衡载流子--处于非平衡状态的半导体,其载流子浓度为n0和p0。
（2）非平衡载流子--处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0（此处0是下标），可以比他们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子

3. Fermi 能级，准Fermi 能级，平衡PN结能带图，非平衡PN结能带图
(1)Fermi 能级:平衡PN结有统一的费米能级。
（2）当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区范围内，电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。
（3）平衡PN结能带图

（4）非平衡PN结能带图

（5）热平衡PN结能带图

电荷分布－－－

3. pn结的接触电势差/内建电势差VD（PN结的空间电荷区两端间的电势差）

5. 非平衡PN结载流子的注入和抽取

6. 过剩载流子的产生与复合
（1）正偏复合电流：正偏压使得空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致pn>ni2。这些过量载流子穿越空间电荷层，使得载流子浓度可能超过平衡值，预料在空间电荷层中会有载流子复合发生，相应的电流称为空间电荷区复合电流。
（2）反偏产生电流:反偏PN结空间电荷区pn<<ni2。这将引起非平衡载流子的产生从而引起反偏产生电流。

7. 理想二极管的电流~电压关系，并讨论pn结的单向导电性和温度特性。
（1）电流~电压关系

（3）温度特性

8. PN结大注入效应，大注入（如外加正向电压增大，致使注入的非平衡少子浓度达到或超过多子浓度）和小注入（在边界处少子的浓度比多子的浓度低得多）时的电流电压 特性的比较。（扩散系数增大一倍）－－－－没看到图！！！！

9. 比较pn结自建电场，缓变基区自建电场和大注入自建电场的异同点。
（1） P区留下，N区留下 ，形成空间电荷区。空间电荷区产生的电场称为内建电场，方向为由N 区指向P 区。电场的存在会引起漂移电流，方向为由N 区指向P 区。
单边突变结电荷分布：
电场分布
（2）
（3）

10.势垒电容与扩散电容的产生机制。
（1）在积累空间电荷的势垒区，当PN结外加电压变化时，引起积累在势垒区的空间电荷的变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充、放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。
（2）PN结扩散电容是正偏压下PN结存贮电荷随偏压变化引起的电容，随直流偏压的增加而增加。

11. 三种pn结击穿机构。 雪崩击穿的条件？讨论影响雪崩击穿电压的因素。
（1）PN结击穿：当加在PN结上的反偏压增加到一定数值，再稍微增加，PN结就会产生很大的反向电流。
（2）
（3）雪崩击穿的条件（原理）：耗尽区中的载流子受到该区电场加速而不断增加能量，当能量达到足够大时，载流子与晶格碰撞时产生电子-空穴对。
新产生的电子-空穴对又在电场作用下加速，与原子碰撞再产生第三代电子-空穴对。如此继续，产生大量导电载流子，电流迅速上升。
（4）影响雪崩击穿电压的因素
　　1.杂质浓度及杂质分布对击穿电压的影响
耐高压选低掺杂的高阻材料做衬底，或深结。
　　2.外延层厚度对击穿电压的影响
　 外延层厚度必须大于结深和势垒宽度xmB
　　3.棱角电场对雪崩击穿电压的影响
　 用平面工艺制造而成的PN结，侧壁部分电场强度更大，击穿首先发生在这个部位。PN结实际的击穿电压比平面部分的计算值低。
　　4.表面状况及工艺因素对反向击穿电压的影响
　　5.温度对雪崩击穿电压的影响
　雪崩击穿电压随温度升高而增大，温度系数是正的。
　原因：温度升高，半导体内晶格振动加剧，载流子平均自由程减小，这样载流子获得的平均动能降低，从而使碰撞电离倍增效应所需加的电压增高。

12. PN结的交流等效电路？

13. PN结的开关特性，贮存时间的影响因素。
（1） 开关特性： PN结二极管处于正向偏置时，允许通过较大的电流，处于反向偏置时通过二极管的电流很小，因此，常把处于正向偏置时二极管的工作状态称为开态，而把处于反向偏置时的工作状态叫作关态。

（2） 贮存时间： PN结加一恒定的正向偏压时，载流子被注入并保持在结二极管中，在扩散区建立确定的非平衡少数载流子分布，这种现象称为电荷贮存效应。当正偏压突然转换至反偏压时，在稳态条件下所贮存的载流子并不能立刻消除。PN结在反偏压下去除全部贮存电荷所需要的时间。

14. 肖特基势垒二极管与PN结二极管的异同。
肖特基二极管内部是由阳极金属和阴极金属等构成，在N型基片和阳极金属之间形成肖特基势垒。当在肖特基势垒两端加上正向偏压时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小；反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则变宽，其内阻变大。

PN结二极管是有半导体材料组成的，阳极是P，阴极是N，中间形成PN结，当加正向电压大于势垒电压二极管就导通了！

第二章 　双极晶体管
1. 晶体管基本结构(三个区域的掺杂浓度的数值大小) 。
Npn:为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓 度

2. 晶体管处在放大区时的能带图，电流分布图，基区少子浓度分布图（四种偏置）。

3.晶体管具有放大能力的基本条件。
发射结正偏，集电结反偏

4. 发射效率γ和基区输运因子bT的定义。提高晶体管电流放大系数的主要措施。
（1）
（2） 为了提高(共基极）a(约等于1）和（共射极）β＝a/(1-a)，需要提高y和bT ，使它们尽量趋于1。
减小基区宽度
增加载流子的扩散长度
降低发射区与基区的方块电阻的比值
改善器件的表面状况及减小表面复合
提高基区的自建电场因子

5. 晶体管的Ebers-Moll模型及其等效电路和互易关系。
EM模型：把晶体管看成由一个正向二极管和一个反向二极管叠加而成。

6. 晶体管共基极（B）和共射极电流放大系数（a）之间的关系。
β＝a/(1-a)

7. 晶体管共基极和共射极输入、输出特性和转移特性曲线

8. 大电流效应（大电流密度效应，原因：小尺寸器件总电流不一定大但电流密度大）及对器件特性的影响（正向有源区）
（1）大注入效应（高电平注入）：PN结外加正向电压时注入的少数载流子密度等于或者超过多子平衡太密度的工作状态。 扩散系数比小注入时增大的一倍。
基区电导调制：基区大注入工作时，非平衡多子密度超过平衡多子密度，使基区电导率明显增大。

Rittner效应(由于基区电导调制效应)：电阻率下降，发射效率降低，使电流增益下降、
Webster(韦伯斯脱)效应（由于大注入内建电场效应）：减缓大电流增益的下降（电流增益增加）。
（2）有效基区扩展效应(Kirk效应)：大电流密度下BJT的有效基区随电流密度则愤完。准中性基区扩展进入集电区的现象。
（3）发射极电流集边效应：由于基区扩展电阻rbb（基区有源电阻和无源电阻之和）
存在，当基极电流流过时在无源和有源的基区都要产生横向的电位降。从而使发射结结面上发生非均匀的载流子注入。非均匀载流子注入使得沿着发射结出现非均匀的电流分布，。造成在靠近边缘处有更高的电流密度。

9. 什么是Early效应? 对器件特性有什么影响？
（1）Early效应：工作在正向有源区的BJT的集电结 ，其空间电荷区宽度及基区一侧的扩展距离，随反偏电压数值增大而增大，有效基区宽度因而随之减小，通常将有效基区宽度随集电极－基极偏压变化，并影响器件特性的现象称为基区宽度调变效应。
（2）器件特性影响：基调效应表现为晶体管的输出特性曲线微微向上倾斜，若把输出特性曲线延长则会与横轴交于一点，该点对应的电压即称为Early电压uA。

10. 基区穿通和外延层穿通。

11.三种击穿电压的关系。
BV（CBO）发射极开路时，集电结的击穿电压；
BV（EBO）集电极开路时，发射结的击穿电压；（通常BE结零偏或者正偏，所以不重要）
BV（CEO）基极开路时，集电极－发射极的击穿电压；
穿通击穿：在雪崩击穿前集电结的空间电荷层到达了发射结，则晶体管击穿。这种击穿电压务穿通电压。

12. 写出载流子从发射极到集电极的总传输延迟时间的表达式，并说明各传输延迟时间的意义，如何提高晶体管的特征频率fT？
（1） 1/wa=tE+tB+td+tC
（2） tB:基区渡越时间 tE:发射结过度电容充电时间 td:集电结耗尽层渡越时间 tC:集电电容充电时间
（3） 提高fT:减小各渡越时间
fT不是很高时，tB为主要影响因素－减小基区宽度来降低tB/提高基区电场因子
fT较高，减tE=选较大的IE。
提高集电区掺杂浓度。
减小wc提高Nc。

13. fa, fB, fT ,fm的定义，及相互间的大小关系？
fa:共基极3dB频率
fB:共射极3dB频率
fT（特征频率）:wT增益－带宽乘积，hfe模量＝1时的频率/
在工作频率fB<f<fa的范围内，共射极电流增益的幅值与频率的乘积是一个常数fT
fb<fT<fa
fm（最高振荡频率）：共发射极专用，功率增益为1时的频率，是晶体管最终频率。

14晶体管在开关过程中，EB结和CB结偏压是如何变化的。
（1）延迟过程：EB由反偏向正偏（0.5V）导通过渡，CE由大反偏到小反偏。
（2）上升过程：EB由正偏（0.5V）到导通（0.7V），CB由反偏到零偏。
（3）贮存过程：EB正偏不变，CB正偏到零偏。
（4）下降过程：EB由导通（0.7V）到正偏（0.5V），CB由零偏到大反偏。

15　 HBT的优势（相对BJT）
（1）化合物半导体的HBT具有更高的开关速度和截止频率。 这是因为GaAs的电子迁移率高，是相同条件下的Si的6倍，饱和电子漂移速率是Si的2倍。

（2）HBT的输出功率大。 HBT的集电极可以用宽禁带的半导体材料，反向击穿电压大，器件的输出功率大。

（3）电流增益系数大。 HBT的发射结是异质结，发射极是宽禁带的半导体，由于价带的不连续性，在基区高掺杂的情况下，也能保持较高的电流增益。
Si的BJT中，基极掺杂浓度NA为1018cm-3，发射极的掺杂浓度ND为1020cm-3，同质结ΔE=0；HBT中，基极掺杂浓度NA为1019cm-3，发射极的掺杂浓度ND为1017cm-3,异质结ΔE≠0，正是ΔE的存在，室温下，GaInP/GaAs的HBT的电流增益为320，而Si的BJT电流增益不到100。
（4）HBT具有较高的开关速度和最高振荡频率，能实现高线性和低的谐波。 这是因为HBT中基极掺杂浓度比BJT高，可以减弱基极宽度的调制效应；同时减小基极的宽度，可以减短电子在基极的度越时间。
（5）HBT的噪声小，高频性能好。 这是因为HBT的发射极的掺杂浓度较BJT低，降低了发射极和基极间单位面积的结电容。

此外，由于HBT中基极掺杂浓度高，发射极掺杂浓度低，可以做成倒置的双极晶体管，BJT采用正置结构（发射极在上，集电极在下），倒置HBT（发射极在下，集电极在上）的集电极的面积减小，集电结的电容减小，发射极在下，不需要长的的引线引出发射极，降低发射极引线电感，从而提高HBT的高频性能。

第三章 　MOS场效应晶体管
1. 阈值电压（形成强反型最小栅极电压）及其影响因素（衬底浓度和偏压，氧化层中电荷,氧化层厚度等）。（VT表达式）
（1）理想： 实际：
（2）影响因素
1）栅电容Co。Co越大，VT的绝对值越小。
2）衬底杂质浓度的影响。改变衬底杂质浓度可改变阈值电压的大小
3）氧化层中电荷的影响。
4）衬底偏置的影响。要在半导体表面产生同样数量的导电电子，必须加比平衡态更大的栅源电压，阈值电压也就随偏置电压的增大而增大。

2. MOSFET工作原理及其类型。输出特性曲线和转移特性曲线。
工作原理：MOSFET的放大作用：由于反型层电荷强烈地依赖于栅压，可利用栅压控制沟道电流，实现放大作用。
（1）当MOSEFT栅极上加上足够大的正电压VG时，中间的MOS结构发生反型，在两个N+区之间的P型半导体表面形成一个反型层。于是源极和漏极之间被能通过大电流的N型表面沟道连接在一起。改变栅极电压可以调制这个沟道的电导（场效应），从而调制沟道电流。
（2）若加一小的漏极电压，电子将通过沟道从源极流到漏极。沟道的作用相当于一个电阻，漏极电流ID和漏极电压VD成正比，这是线性区。条件表示为：VD>>VG-VTH
（3）当漏极电压增加时，由于从源极到漏极存在电压，漏极电压使栅极电压被抑制，所以导电沟道从0－L逐渐变窄，致使y=L处反型层宽度首先减小到零，这种现象称为沟道夹断。之后漏电流基本保持不变，晶体管该工作状态为饱和工作状态。条件为：VD＝VG－VTH
（4）夹断后，随漏电压增加，导电沟道两端的电压保持不变但沟道长度L缩短，所以漏极电压将增加，呈现不饱和特性－沟道长度调制效应。

3. 亚阈值区及其特性（特点）。
亚阈值区：当栅电压低于阈值电压，半导体表面仅仅只是弱反型时，相应的漏电流称为亚阈值电流，对于漏电流起决定作用的是载流子扩散－

4　 什么是短沟道效应、窄沟道效应？DIBL效应？
（1） 短沟道效应（偏离了长沟器件特性）主要指(1)阈值电压随沟道长度的下降而下降；(2)沟长缩短以后，漏源间高电场使迁移率下降，跨导下降；(3)弱反型漏电流将随沟道长度缩小而增加，并出现夹不断的情况
（2） 窄沟道效应：起源于沟道宽度方向边缘上表面耗尽区的侧向扩展，栅电极上正电荷发出的场强线除大部分终止于栅氧化层下耗尽区电离受主以外，还有一部分场强线终止于侧向扩展区电离受主，结果是使终止于反型层的场强线数目减少，沟道电荷减少，电阻增大，从而导致有效阈电压上升
（3） 漏场感应势垒下降(DIBL)效应：沟道长度越短，VDS越大，贯穿的电力线越多，势垒降低的也就越多。源漏两区之间的势垒降低后，就有更多电子由源区注入沟道区，从而形成Id。

5 MOSFET的伏安特性方程（线性区和饱和区）
萨支唐方程描述MOSEFT非饱和直流特性的基本方程
（1） 线性区，漏极电压很少＝VD<<VG－VTH－－ 考虑V时要括号内多－V
（2）饱和区，在L点发生截断 V(L)=VG-VTH=VDS－－

6栅跨导，漏源电导。
漏极导纳：(VG为常数)
即
跨导：（VD为常数）
线性区：
饱和区：

7.MOSFET小信号等效电路。MOS管截止频率表达式，提高频率性能的途径。

截止频率：（1）线性区
（2） 饱和区
（3） 提高：沟道长度要短，载流子迁移率要高。

8. MOS器件等比例缩小原则。
（1） 器件所有尺寸和电压同时缩小一个比例因子k(k>1),使内部电场和长沟道MOSFET相同
（2） 最小沟道长度表达式来缩小（更方便）

9. MOS结构的C－V特性（理想、实际）。
1.0
若有界面陷阱电荷，实际曲线将提前下降（变形）。

10.热载流子效应和闩锁效应。
（1）沟道漏附近能量较大的电子称为 热电子。由于在器件尺寸缩小的过程中，电源电压不可能和器件尺寸按同样比例缩小，这样导致MOS器件内部电场增强。当MOS器件沟道中的电场强度超过100kV/cm时，电子在两次散射间获得的能量将可能超过它在散射中失去的能量，从而使一部分电子的能量显著高于热平衡时的平均动能而成为热电子。
（1）、热电子向栅氧化层中发射
（2）、热电子效应引起衬底电流
（3）、热电子效应引起栅电流
（2）闩锁效应－－由NMOS的有源区、P衬底、N阱、PMOS的有源区构成的n-p-n-p结构产生的，当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形成闩锁。如果有一个强电场施加在器件结构中的氧化物薄膜上，则该氧化物薄膜就会因介质击穿而损坏。很细的金属化迹线会由于大电流而损坏，并会由于浪涌电流造成的过热而形成开路。这就是所谓的“闩锁效应”。

11.现代MOS器件的发展趋势。
（1）沟道设计成三维结构－3D晶体管——FinFET。
（2）衬底：SOI技术
（3）栅：金属栅：双栅/三栅

第四章 JFET和MESFET
1. JFET（结型场效应晶体管）或MESFET（金属－半导体场效应晶体管）工作原理。
基本工作原理：反向偏压加于栅极PN结的两侧，使得空间电荷区向沟道内部扩展，耗尽层中的载流子耗尽。结果沟道的截面积减小，从而沟道电导减小。这样，源极与漏极之间流过的电流就受到栅极电压的调制。这种通过表面电场调制半导体电导的效应－场效应。

2. 场效应晶体管(FET)同双极晶体管(BJT)比较（工作机理，温度特性，导电机构，应用范围）。
双极型晶体管 场效应晶体管
结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道
绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道
C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用
载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移
输入量 电流输入 电压输入
控制 电流控制电流源CCCS(β) 电压控制电流源VCCS(gm)

噪声 较大 较小
温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点
输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上
静电影响 不受静电影响 易受静电影响
集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成