【物理】国科大-半导体器件物理

1、第一章 半导体物理基础1. 主要半导体材料的晶体结构；简洁立方 p/mn 、体心立方 na/w 、面心立方 al/au金刚石结构：属立方晶系，由两个面心立方子晶格相互嵌套而成； si ge闪锌矿结构（立方密积累），两种元素， gaas, gap 等 主要是共价键纤锌矿结构（六方密积累），cds, zns闪锌矿和纤锌矿结构的异同点共同点：每个原子均处于另一种原子构成的四周体中心，配种原子构成的四周体中心，配位数4不同点：闪锌矿的次近邻，上下彼此错开60，而纤锌矿上下相对2. 金属、半导体和绝缘体能带特点；1） 绝缘体价电子与近邻原子形成强键，很难打破， 没有电子参加导电；能带图上表现为大的禁带宽

2、度，价带内能级被填满， 导带空着，热能或外场不能把价带顶电子激发到导带；2） 半导体近邻原子形成的键结合强度适中，热振动使一些键破裂，产生电子和空穴；能带图上表现为禁带宽度较小，价带内的能级被填满，一部分电子能够从价带跃迁到导带，在价带留下空穴；外加电场，导带电子和价带空穴都将获得动能，参加导电；3） 导体导带或者被部分填充，或者与价带重叠；很简洁产生电流3. ge, si， gaas 能带结构示意图及主要特点；1） 直接、间接禁带半导体，导带底，价带顶所对应的k 是否在一条竖直线上2） 导带底电子有效质量为正，带顶有效质量为负3） 有效质量与能带的曲率成反比，导带的曲率大于价带， 因此电子的

3、有效质量大；轻空穴带的曲率大， 对应的有效质量小21 /214.本征半导体的载流子浓度，本征费米能级；5. 非本征半导体载流子浓度和费米能级；500k ，本征激发的载流子浓度大于掺杂浓度，载流子主要由本征激发打算；本征区；6. hall 效应， hall 迁移率；当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差；ey=rhjxbz 霍尔系数 rh=r-1/qn n型 or rh=r+1/qn p型霍耳迁移率7. 半导体中的复合过程；复合速率：带间复合：辐射、俄歇过程间接复合（单能

4、级复合）：电子俘获发射、空穴俘获发射srh 复合理论，当 et=ei 时，复合率最大，因此最有效的复合中心是带隙中心邻近的能级间接复合（多能级陷阱）表面复合 :表面的各种缺陷作为复合中心8；半导体器件工作基本方程及用途；9*；载流子主要的散射机制 a, 晶格振动或声子散射：b, 电离杂质散射：通常以这两种散射为主c, 中性杂质散射：在杂质浓度不是很高时，可以忽视d, 电子或空穴散射：在载流子浓度很高时要考虑e, 晶格缺陷散射：对于多晶等缺陷较多的材料要考虑f, 表面散射：载流子在表面区域如反型层 运动时，受到表面因素如粗糙度）引起的散射，主要是对薄膜材料要考虑 .其次章 半导体接触的物理机制p

5、n 结1；突变结的电荷、电场、电势分布，耗尽区宽度和电容；电荷电场ex=or,电势耗尽区宽度 电容2；pn 结的抱负电流电压特性肖克莱方程的推导；i = xn 处的电子漂移电流+xn 处的空穴扩散电流= xp 处的电子 少子扩散电流+xn 处的空穴 少子 扩散电流归纳为求少子扩散电流a. 准费米能级分裂，电子和空穴的电流密度正比于各自的费米能级梯度b. 耗尽区边界处的少子浓度（边界条件），正偏时，边界处的少子浓度比平稳时大，反偏时小c. 连续性方程的得到少子分布稳态、电中性、小注入、无电场d. 耗尽区边界的少子扩散电流e. 总电流（肖克莱方程）3；耗尽区产生复合、大注入、串联电阻效应等造成偏离

6、抱负情形的定性分析；1） 产生复合jgen/rec =q|u|wa. 反偏 载流子发射产生电流（随偏压缓慢增加不饱和）室温下：如 ni 很大 例如 ge，扩散电流为主，反向电流符合抱负情形如 ni 很小 例如 si，产生电流占优势高温下：（中性区）扩散电流为主b. 正偏 复合过程是耗尽区内的主要产生复合过程假定在大部分耗尽区内，有最大的复合率，用umax 给出复合电流复合电流占优势 : n=2 ，扩散占优势 : n=1,两种相当 :1n 无穷大击穿电压影响因素：a.掺杂浓度增加，击穿电压下降， n 增加到肯定程度后变成齐纳击穿；不同材料击穿时的击穿电场随掺杂浓度变化不大nb 高而 a 小时，类

7、似线性缓变结，有确定的vb a 很大而 nb 很小时，类似突变结，vb 由 nb 打算b.半导体外延层：穿通二級管有较低的击穿电压，对于确定的掺杂浓度，外延层越薄，越简洁贯穿；对于确定的外延层厚度，掺杂浓度足够低时，通常发生贯穿；对于确定的外延层厚度，当掺杂浓度削减到对应外延层穿透时，击穿电压基本不随掺杂浓度变化，趋于恒定值；c.温度随着温度的增加，击穿电压增加；高温时，恒定电场下，行进单位距离的载流子有更多的能量通过散射过程缺失给晶格光学 声子），使能量和电离率降低；d.结曲率效应（边缘效应）随曲率半径减小，击穿电压降低；对浅扩散结该现象特殊显著；改善措施：1；深扩散结，增大曲率半径2； 分

8、压环，增加环结来分压；* 隧道击穿与雪崩击穿的区分:1） 掺杂浓度对二者的影响不同隧道击穿取决于穿透几率，与禁带的水平间距有关，掺杂浓度越高，空间电荷区的宽度越窄，水平间距越小，易击穿；因此隧道击穿通常只发生在两侧重掺杂的pn 结中；雪崩击穿是碰撞电离，载流子能量的增加有一个过程，因此除了与电场强度有关之外，空间电荷区越宽，碰撞次数越多，所以要求空间电荷区有肯定的范畴，nb 不能太高；因此，在掺杂浓度不太高时的击穿通常是雪崩击穿；2） 外界作用对二者击穿机理的影响不同：雪崩击穿是碰撞电离的结果，所以光照和快速的离子轰击能够引起倍增效应；但这些外界作用对隧道击穿不会有明显的影响；3） 温度对二者

9、击穿机理的影响不同：隧道击穿的击穿电压具有负温度系数特性，主要是由于禁带宽度的温度特性；而对于雪崩击穿，由于碰撞电离率随温度增加而降低， 所以击穿电压是正温度系数特性；4） 击穿特性曲线不同 :6；瞬态特性，形成缘由，如何提高开关速度；瞬变时间 反向复原时间 ：电流达到起始电流ir 的 10%所经过的时间 t1+t2反向复原过程形成的缘由：由电荷储存效应引起0t 平稳值；结电阻相对于外电阻可忽视,v, 主要加在外电阻上, 结电流：ir=vr/r如何提高开关速度 .关键因素是削减反向复原时间由电荷储存效应打算；1；减小正向导通时的电荷储存量；减小正向电流，降低少数载流子寿命降低 vf, 硅中的复

10、合中心杂质 金，铜，镍 ，可有效降低非平稳载流子寿命；高速开关二极管，要掺金，掺金的反向复原时间为原先的几特别之一2；加快储存电荷消逝速度；储存电荷消逝：扩散抽取+ 复合增大初始反向电流，即增加反向电压v，减小电阻 r；减小载流子寿命，加快复合速率；第三章双极晶体管1；bjt 的能带结构，基本放大原理；基区足够窄，发射区注入的电子穿过基区，扩散到集电区基区结的耗尽层边缘，之后漂入集电区；假如注入电子的大多数没有与基区内的空穴复合而能够达到集电区，就集电区的电子电流将基本等于发射极的电子电流；因此， 从近处的发射结注入的载流子可以使得反向偏置的集电结有一个很大的电流晶体管放大作用；2；静态特点：

11、各电流的成分和关系；3；共基极，共发射极电流增益，发射效率，基区输运因子，及关系；4；gummel 数，集电极电流，发射极掺杂浓度，大注入效应等对电流增益的影响；gummel数: 对于肯定的 ne，共发射极电流增益反比于gummel 数集电极电流 :集电极电流很小 , 发射效率很低，电流增益低,电流增益随集电极电流的增加而增加基极电流达到抱负区时，hfe 增加到一个较高平区集电极电流更高，大注入条件，注入的载流子有效地增加了基区电导掺杂 ,增加了基区向发射区的注入电流,使发射效率降低发射极掺杂浓度 ：随着 ne 增加，能隙变窄，发射区少子增加，hfe 减小；重掺杂的发射区中，俄歇复合快速增强，

12、发射区少子寿命缩短，削减了发射区扩散长度，发射效率降低，电流增益降低；大注入效应（ kirik 效应）：大注入条件下高场区易位，大注入使有效基区宽度增加，增加了有效基区gummel数 ，使 hfe 降低5；晶体管的四种工作模式，各模式下的少数载流子分布；基区少子分布与偏压的关系；+6；共基极组态和共发射极组态输出特性的差别；共基极组态：1、在放大区， 1,ic=ie ,ic 与 vcb 无关2、即使 vcb0 ，过剩载流子仍被集电区手机，集电极电流保持恒定；3、是集电极电流 =0 ，要对 vbc 加正压，处在饱和模式下4、发射极开路，得到集电极饱和电流ico，远小于正常 pn 结的反向电流5、

13、vcb 超过 vbcbo 会发生雪崩击穿或击穿效应共发射极：1、电流 ic 随 v ce 的增加而增加 ,不饱和vce 增加， early 效应（基区宽度调制效应），中性区宽度w 下降，0 上升2、当 vce 很小时，集电极电流快速降为03、基极开路时，集电极饱和电流iceo 远大于 icbo， iceo= 0*icbo7；如何增加特点频率，如何提高开关速度；特点频率：窄基区，窄集电区，大电流电平；采纳扩散工艺，获得基区内建电场可降低.全部的硅高频晶体管都是n-p-n形式；减小发射结面积，削减发射结电容；开关速度： 1；掺金，禁带中心引入有效的产生- 复合中心 , 既不影响电流增益，又可有效地

14、减小集电区少子寿命；2 ；保证集电结耐压情形下，尽量降低外延层厚度，降低外延层电阻；3 ；削减结面积，削减基区宽度；4 ；适当增加 ib5 ；尽量工作在临界饱和状态8；什么是二次击穿；什么是发射极电流集边效应，如何解决；二次击穿：（功率晶体管或高频大功率晶体管突然烧毁或失效的重要缘由）1 ）当集电极反向偏压增加到某一值时，集电极电流突然增加，显现击穿2) 当集电极反向偏压进一步增加，电流增加到某一临界值时，晶体管上的压降（vce）突然降低，而电流连续增加发射极电流集边效应：（大电流工作下）在发射结正偏时，通过发射结的电流大部分都流向了集电极（是少数载流子的扩散电流），只有很小一部分流向基极；由

15、于 bjt存在肯定的基极电阻，包括发射区正下方基区的横向电阻（是一种扩展电阻）和发射区正下方以外基区的电阻；而基极电流是在基区中横向流淌的，就在扩展的基极电阻上将产生电压降，这就使得发射区正下方基区中各点的电位不一样，即在发射结边缘处的电位较高、在发射结中心处的电位较低（甚至为0）；于是，就造成发射结面上各点的电压不同（发射结四周边缘处的电压高，中心处的电压低），从而使得发射结面上各点的注入电流密度也就不同发射结四周边缘处的电流密度大，中心处的电流密度0，即发射极电流基本上都集中到了发射结的四周一圈，这就是发射极电流集边效应；该效应实际上是由基极电阻所引起的，因此也称为基极电阻自偏压效应； 解

16、决方法：限制电流容量， 使得不显现电流集边效应；提高基区掺杂浓度， 以减小基极电阻； 提高发射极周长 / 面积比；第四章 -mis 结构1. 抱负 mis 结构的定义 ,不同偏压下的能带图像 , 用表面势取值范畴区分不同的情形；定义： 1）在零偏置下，金属功函数和半导体功函数之间的差为零；2） 在任何偏置条件下，mis 结构中的电荷只有半导体中的电荷和邻近绝缘体的金属表面上的数目相等而符号相反的电荷；3） 在直流偏置条件下，不存在通过绝缘体的载流子输运，即绝缘体的电阻率为无穷大；0空穴耗尽=表面本征0弱反型2强反型2. 半导体空间电荷密度随表面势s变化的典型关系；3. 抱负 mis 系统的 c

17、-v 特性曲线 ,不同偏压和不同频率的c-v 关系；平带电容 , 表面耗尽区的最大宽度 , 阈值电压；1） 左侧 v0 ，空穴积存，很小的s 的变化，引起大的qs 变化，有大的半导体微分电容；所以，总电容绝缘体电容2） v0 ，耗尽开头，随着外加偏压的增加，耗尽区宽度增加，半导体电容减小；总电容减小；半导体表面耗尽时， +5） =弱反型开头 强反型开头4. 实际 mos 二极管中 , 影响抱负 c-v 曲线的主要因素；考虑到不同因素的平带电压和阈值电压表达式；有效净电荷；1） 金属 - 半导体功函数差对 al 电极 - p型半导体系统： m s电子从金属流向半导体, 半导体能带向下弯曲显现表面

18、空穴耗尽层或n 型反型层如想达到抱负平带状态，就要加上一个相当于功函数差的电压vfb= msvfb 可正可负，抱负的c-v 特性曲线将沿电压轴向右0 或向左 0 ，补偿电荷一部分为qf，剩下的为电离施主；耗尽层宽度比较小；电容大；对耗尽区和弱反型区，qf 0 ， c-v 向更负偏压移动； qf 0 ， c-v 向正向移动； n 型和 p 型规律相同 偏压移动量b) 可移动离子电荷 qmqm 有效净电荷面密度m- 可移动离子的体电荷密度d- 氧化层厚度c) 氧化物陷阱电荷 qot与 sio2 中的缺陷有关x 射线辐射或热电子注入之类的方法形成对（ p 型 si，正偏），与抱负情形相比，同一表面势

19、下，外电压小，c-v 曲线向负方向移动：公式同上正电荷等效于对半导体有一个附加的正栅偏压，因此需要更负的栅偏压来得到与原始半导体相同的能带结果，新的平带条件下，氧化层电场不再为03） 外界因素的影响温度，光照，电离辐照，雪崩注入i）温度：低温下，产生过程慢：反型层建立慢，要有大偏压，长时间平稳，才可建立；跟不上信号变化，c-v 特性截止频率低， n i ，载流子复合发生；pn 结正向偏置 ,电子从 n 侧注入，与从p 侧注入的空穴复合；激光器（受激辐射）材料要求：直接带隙、低界面态异质结构晶格匹配（外延工艺） 基本结构：被一些特殊设计的平面包围的pn 结；简并型 p-n结 ,正偏时 ,此区域分

20、布反转.导带中有大量电子,价带中有大量空穴.分布反转 :电子在较高能级的浓度大于在较低能级的浓度.光探测器 吸取 将光信号转变为电信号的半导体器件1） 入射光产生载流子；2） 通过电流增益，使载流子传导和倍增；3） 电流与外部电路相互作用，以供应输出信号；光敏电阻光电二极管 :工作与反向偏压下的pn 结或金属半导体接触光信号打在光电二极管上时，耗尽区会将由光产生的电子- 空穴对分别，有电流输出到外电路；响应速度结必需特别接近表面宽耗尽区可吸取绝大多数的光，但渡越时间效应会限制频率响应；如耗尽区太薄，电容过大，大的rc 时间常数折中宽度，耗尽区的渡越时间约为调制周期的一半太阳能电池（吸取）吸取光

21、能激发出非平稳电子空穴对非平稳电子和空穴向非匀称势场区的扩散和漂移运动非平稳电子和空穴在非匀称势场作用下向相反方向运动而分别2；有无光照时 pn 结的能带结构 ,各电流 ,电压的方向；光生电流的方向相当于一般二级管反向电流方向；光照使 pn 结势垒降低，等效于pn 结外加正向偏压，同样能引起p 区空穴和 n 区电子向对方的扩散，形成正向注入电流；此电流与光生电流相反，对电池不利，应使之减小；3；短路电流，开路电压，填充因子，效率，及相互关系；短路电流 is=il=isc 光生电流是最大的短路电流开路电压可能得到的最大光生电压填充因子效率获得最大效率，三项都要最大第六章 负阻效应1；隧道二极管峰值电压