尼尔曼第三版 半导体物理与器件 小结+重要术语解释+知识点+复习题 - 副本

3第一章 固体晶体结构 3小结 3重要术语解释 3知识点 3复习题 4第二章 量子力学初步 4小结 4重要术语解释 4第三章 固体量子理论初步 4小结 4重要术语解释 5知识点 5复习题 6第四章 平衡半导体 6小结 6重要术语解释 6知识点 7复习题 7第五章 载流子运输现象 7小结 8重要术语解释 8知识点 8复习题 8第六章 半导体中的非平衡过剩载流子 9小结 9重要术语解释 9知识点 10复习题 10第七章 pn结 10小结 10重要术语解释 11知识点 11复习题 11第八章 pn结二极管 12小结 12重要术语解释 12知识点 13复习题 13第九章 金属半导体和半导体异质结 13小结 13重要术语解释 14知识点 14复习题 14第十章 双极晶体管 14小结 15重要术语解释 16知识点 16复习题 16第十一章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 16小结 17重要术语解释 18知识点 18复习题 19第十二章 金属-氧化物-半导体场效应管：概念的深入 19小结 19重要术语解释 19知识点 20复习题 固体晶体结构 小结 硅是最普遍的半导体材料。 半导体和其他材料的属性很大程度上由其单晶的晶格结构决定。晶胞是晶体中的一小块体积，用它可以重构出整个晶体。三种基本的晶胞是简立方、体心立方和面心立方。 硅具有金刚石晶体结构。原子都被由4个紧邻原子构成的四面体包在中间。二元半导体具有闪锌矿结构，它与金刚石晶格基本相同。 引用米勒系数来描述晶面。这些晶面可以用于描述半导体材料的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面。密勒系数也可以用来描述晶向。 半导体材料中存在缺陷，如空位、替位杂质和填隙杂质。少量可控的替位杂质有益于改变半导体的特性。 给出了一些半导体生长技术的简单描述。体生长生成了基础半导体材料，即衬底。外延生长可以用来控制半导体的表面特性。大多数半导体器件是在外延层上制作的。 重要术语解释 二元半导体：两元素化合物半导体，如GaAs。 共价键：共享价电子的原子间键合。 金刚石晶格：硅的院子晶体结构，亦即每个原子有四个紧邻原子，形成一个四面体组态。 掺杂：为了有效地改变电学特性，往半导体中加入特定类型的原子的工艺。 元素半导体：单一元素构成的半导体，比如硅、锗。 外延层：在衬底表面形成的一薄层单晶材料。 离子注入：一种半导体掺杂工艺。 晶格：晶体中原子的周期性排列。 密勒系数：用以描述晶面的一组整数。 原胞：可复制以得到整个晶格的最小单元。 衬底：用于更多半导体工艺比如外延或扩散的基础材料，半导体硅片或其他原材料。 三元半导体：三元素化合物半导体，如AlGaAs。 晶胞：可以重构出整个晶体的一小部分晶体。 铅锌矿晶格：与金刚石晶格相同的一种晶格，但它有两种类型的原子而非一种。 知识点 学完本章后，读者应具备如下能力： 确定不同晶格结构的体密度。 确定某晶面的密勒指数。 根据密勒指数画出晶面 确定给定晶面的原子面密度。 理解并描述单晶中的各种缺陷。 复习题 例举两种元素半导体材料和两种化合物半导体材料。 画出三种晶格结构：(a)简立方；(b)体心立方；(c)面心立方。 描述求晶体中原子的体密度的方法。 描述如何得到晶面的密勒指数。 何谓替位杂质？何谓填隙杂质？ 量子力学初步 小结 我们讨论了一些量子力学的概念，这些概念可以用于描述不同势场中的电子状态。了解电子的运动状态对于研究半导体物理是非常重要的。 波粒二象性原理是量子力学的重要部分。粒子可以有波动态，波也可以具有粒子态。 薛定谔波动方程式描述和判断电子状态的基础。 马克思·玻恩提出了概率密度函数|fai（x）|2. 对束缚态粒子应用薛定谔方程得出的结论是，束缚态粒子的能量也是量子化的。 利用单电子原子的薛定谔方程推导出周期表的基本结构。 重要术语解释 德布罗意波长：普朗克常数与粒子动量的比值所得的波长。 海森堡不确定原理：该原理指出我们无法精确确定成组的共轭变量值，从而描述粒子的状态，如动量和坐标。 泡利不相容原理：该原理指出任意两个电子都不会处在同一量子态。 光子：电磁能量的粒子状态。 量子：热辐射的粒子形态。 量子化能量：束缚态粒子所处的分立能量级。 量子数：描述粒子状态的一组数，例如原子中的电子。 量子态：可以通过量子数描述的粒子状态。 隧道效应：粒子穿过薄层势垒的量子力学现象。 波粒二象性：电磁波有时表现为粒子状态，而粒子有时表现为波动状态的特性。 固体量子理论初步 小结 我们讨论了一些量子力学的概念，这些概念可以用于描述不同势场中的电子状态。了解电子的运动状态对于研究半导体物理是非常重要的。 波粒二象性原理是量子力学的重要部分。粒子可以有波动态，波也可以具有粒子态。 薛定谔波动方程式描述和判断电子状态的基础。 马克思·玻恩提出了概率密度函数|fai（x）|2。 对束缚态粒子应用薛定谔方程得出的结论是，束缚态粒子的能量也是量子化的。 利用单电子原子的薛定谔方程推导出周期表的基本结构。 重要术语解释 允带：在量子力学理论中，晶体中可以容纳电子的一系列能级。 状态密度函数：有效量子态的密度。它是能量的函数，表示为单位体积单位能量中的量子态数量。 电子的有效质量：该参数将晶体导带中电子的加速度与外加的作用力联系起来，该参数包含了晶体中的内力。 费米-狄拉克概率函数：该函数描述了电子在有效能级中的分布，代表了一个允许能量状态被电子占据的概率。 费米能级：用最简单的话说，该能量在T=0K时高于所有被电子填充的状态的能量，而低于所有空状态能量。 禁带：在量子力学理论中，晶体中不可以容纳电子的一系列能级。 空穴：与价带顶部的空状态相关的带正电“粒子”。 空穴的有效质量：该参数同样将晶体价带中空穴的加速度与外加作用力联系起来，而且包含了晶体中的内力。 k空间能带图：以k为坐标的晶体能连曲线，其中k为与运动常量有关的动量，该运动常量结合了晶体内部的相互作用。 克龙尼克-潘纳模型：由一系列周期性阶跃函数组成，是代表一维单晶晶格周期性势函数的数学模型。 麦克斯韦-波尔兹曼近似：为了用简单的指数函数近似费米-狄拉克函数，从而规定满足费米能级上下若干kT的约束条件。 泡利不相容原理：该原理指出任意两个电子都不会处在同一量子态。 知识点 对单晶中的允带和禁带的概念进行定性的讨论，并利用克龙尼-潘纳模型对结果进行严格的推导。 讨论硅中能带的分裂。 根据E-k关系曲线论述有效质量的定义，并讨论它对于晶体中粒子运动的意义。 讨论空穴的概念。 定性地讨论金属、绝缘体和半导体在能带方面的差异。 讨论有效状态密度函数。 理解费米-狄拉克分布函数和费米能级的意义。 复习题 什么是克龙尼克．潘纳模型？ 叙述克龙尼克·潘纳模型的薛定谔波动方程的两个结果。 什么是有效质量？ 什么是直接带隙半导体？什么是间接带隙半导体？ 状态密度函数的意义是什么？ 推导状态密度函数的数学模型是什么？ 一般来说，状态密度与能量之间有什么联系？ 费米-狄拉克概率函数的意义是什么？ 什么是费米能级？ 平衡半导体 小结 当原子聚集在一起形成晶体时，电子的分立能量也就随之分裂为能带。 对表征单晶材料势函数的克龙克尼-潘纳模型进行严格的量子力学分析和薛定谔波动方程推导，从而得出 了允带和禁带的概念。 有效质量的概念将粒子在晶体中的运动与外加作用力联系起来，而且涉及到晶格对粒子运动的作用。 半导体中存在两种带点粒子。其中电子是具有正有效质量的正电荷粒子，一般存在于允带的顶部。 给出了硅和砷化镓的E-k关系曲线，并讨论了直接带隙半导体和间接带隙半导体的概念。 允带中的能量实际上是由许多的分立能级组成的，而每个能级都包含有限数量的量子态。单位能量的量子态密度可以根据三维无限深势阱模型确定。 在涉及大量的电子和空穴时，就需要研究这些粒子的统计特征。本章讨论了费米-狄拉克概率函数，它代表的是能量为E的量子态被电子占据的几率。 重要术语解释 受主原子：为了形成p型材料而加入半导体内的杂质原子。 载流子电荷：在半导体内运动并形成电流的电子和（或）空穴。 杂质补偿半导体：同一半导体区域内既含有施主杂质又含有受主杂质的半导体。 完全电离：所有施主杂质原子因失去电子而带正电，所有受主杂质原子因获得电子而带负电的情况。 简并半导体：电子或空穴的浓度大于有效状态密度，费米能级位于导带中（n型）或价带中（p型）的半导体。 施主原子：为了形成n型材料而加入半导体内的杂质原子。 有效状态密度：即在导带能量范围内对量子态密度函数gc（E）与费米函数fF（E）的乘积进行积分得到的参数Nc；在价带能量范围内对量子态密度函数gv（E）与【1-fF（E）】的乘积进行积分得到的参数N。 束缚态：低温下半导体内的施主与受主呈现中性的状态。此时，半导体内的电子浓度与空穴浓度非常小。 非本征半导体：进行了定量施主或受主掺杂，从而使电子浓度或空穴浓度偏离本征载流子浓度产生多数载流子电子（n型）或多数载流子空穴（p型）的半导体。 本征载流子浓度ni：本征半导体内导带电子的浓度和价带空穴的浓度（数值相等）。 本征费米能级Efi：本征半导体内的费米能级位置。 本征半导体：没有杂质原子且晶体中无晶格缺陷的纯净半导体材料。 非简并半导体：参入相对少量的施主和（或）受主杂质，使得施主和（或）受主能级分立、无相互作用的半导体。 知识点 推导出热平衡电子浓度与空穴浓度关于费米能级的表达式。 推导出本征载流子浓度的表达式。 说出T= 300K下的本征载流子浓度值。 推导出本征费米能级的表达式。 描述半导体内掺人施主与受主杂质后的影响。 理解完全电离的概念。 了解公式 的推导过程。 描述简并与非简并半导体的概念。 讨论电中性的概念。 推导出n0与p0关于掺杂浓度的表达式。 描述费米能级随温度与掺杂浓度的变化情况。 复习题 写出n(E)与p(E)关于状态密度与费米统计分布的函数表达式。 在根据费米能级推导，n0的表达式时，积分的上限应为导带顶的能量，说明可以用正无穷替代它的原因。 假设玻尔兹曼近似成立，写出n0与p0关于费米能级的表达式。 T= 300 K时硅的本征载流子浓度值是多少？ 在什么情况下本征费米能级处于禁带中央？ 什么是施主杂质？什么是受主杂质？ 完全电离是什么意思？束缚态又是什么意思？ n0与p0的乘积等于什么？ 写出完全电离条件下的电中性方程。 绘制出n型材料的，n0随温度变化的曲线。 分别绘制出费米能级随温度和掺杂浓度变化的曲线。 载流子运输现象 小结 导带电子浓度是在整个导带能量范围上，对导带状态密度与费米-狄拉克概率分布函数的乘积进行积分得到的。 价带空穴浓度是在整个价带能量范围上，对价带状态密度与某状态为空的概率【1-fF（E）】的乘积进行积分得到的。 本章讨论了对半导体渗入施主杂质（V族元素）和受主杂质（111族元素）形成n型和p型非本征半导体的概念。 推导出了基本关系式 。 引入了杂质完全电离与电中性的概念，推导出了电子与空穴浓度关于掺杂浓度的函数表达式。 推导出了费米能级位置关于掺杂浓度的表达式。 讨论了费米能级的应用。在热平衡态下，半导体内的费米能级处处相等。 重要术语解释 电导率：关于载流子漂移的材料参数；可量化为漂移电流密度和电场强度之比。 扩散：粒子从高浓度区向低浓度区运动的过程。 扩散系数：关于粒子流动与粒子浓度梯度之间的参数。 扩散电流：载流子扩散形成的电流。 漂移：在电场作用下，载流子的运动过程。 漂移电流：载流子漂移形成的电流。 漂移速度：电场中载流子的平均漂移速度。 爱因斯坦关系：扩散系数和迁移率的关系。 霍尔电压：在霍尔效应测量中，半导体上产生的横向压降。 电离杂质散射：载流子和电离杂质原子之间的相互作用。 晶格散射：载流子和热震动晶格原子之间的相互作用。 迁移率：关于载流子漂移和电场强度的参数。 电阻率：电导率的倒数；计算电阻的材料参数。 饱和速度：电场强度增加时，载流子漂移速度的饱和值。 知识点 论述载流子漂移电流密度。 解释为什么在外加电场作用下载流子达到平均漂移速度。 论述晶格散射和杂质散射机制。 定义迁移率，并论述迁移率对温度和电离杂质浓度的依赖关系。 定义电导率和电阻率。 论述饱和速度。 论述载流子扩散电流密度。 叙述爱因斯坦关系。 描述霍尔效应。 复习题 写出总漂移电流密度方程。 定义载流子迁移率。其单位是什么？ 解释迁移率的温度依赖性。为什么载流子迁移率是电离杂质浓度的函数？ 定义电导率、电阻率。它们各自的单位是什么？ 分别画出硅、砷化镓中电子漂移速度与电场强度的关系曲线。 写出电子和空穴的扩散电流密度方程。 爱因斯坦关系是什么？ 描述霍尔效应。 解释为什么霍尔电压的正负反映了半导体的导电类型（n型或p型）。 半导体中的非平衡过剩载流子 小结 讨论了过剩电子和空穴产生与复合的过程，定义了过剩载流子的产生率和复合率。 过剩电子和空穴是一起运动的，而不是互相独立的。这种现象称为双极疏运。 推导了双极疏运方程，并讨论了其中系数的小注入和非本征掺杂约束条件。在这些条件下，过剩电子和空穴的共同漂移和扩散运动取决于少子的特性，这个结果就是半导体器件状态的基本原理。 讨论了过剩载流子寿命的概念。 分别分析了过剩载流子状态作为时间的函数 作为空间的函数和同事作为实践与空间的函数的情况。 定义了电子和空穴的准费米能级。这些参数用于描述非平衡状态下，电子和空穴的总浓度。 半导体表面效应对过剩电子和空穴的状态产生影响。定义了表面复合速度。 重要术语解释 双极扩散系数：过剩载流子的有效扩散系数。 双极迁移率：过剩载流子的有效迁移率。 双极疏运：具有相同扩散系数，迁移率和寿命的过剩电子和空穴的扩散，迁移和复合过程。 双极输运方程：用时间和空间变量描述过剩载流子状态函数的方程。 载流子的产生：电子从价带跃入导带，形成电子-空穴对的过程。 载流子的复合：电子落入价带中的空能态（空穴）导致电子-空穴对消灭的过程。 过剩载流子：过剩电子和空穴的过程。 过剩电子：导带中超出热平衡状态浓度的电子浓度。 过剩空穴：价带中超出热平衡状态浓度的空穴浓度。 过剩少子寿命：过剩少子在复合前存在的平均时间。 产生率：电子-空穴对产生的速率（#/cm3-ms）。 小注入：过剩载流子浓度远小于热平衡多子浓度的情况。 少子扩散长度：少子在复合前的平均扩散距离：数学表示为，其中D和分别为少子的扩散系数和寿命。 准费米能级：电子和空穴的准费米能级分别将电子和空穴的非平衡状态浓度与本征载流子浓度以及本征费米能级联系起来。 复合率：电子－空穴对复合的速率（#/cm3-s）。 表面态：半导体表面禁带中存在的电子能态。 知识点 论述非平衡产生和复合的概念。 论述过剩载流子寿命的概念。 论述电子和空穴与时间无关的扩散方程的推导过程。 论述双极输运方程的推导过程。 理解在小注入状态和非本征半导体中，双极输运方程系数可以归纳为少子系数的结论。 运用双极输运方程解决不同问题。 理解介电弛豫时间常数的概念。 计算电子和空穴的准费米能级。 计算给定浓度的过剩载流子的复合率。 理解过剩载流子浓度的表面效应。 复习题 为什么热平衡状态电子的产生率与复合率相等？ 举例说明粒子流的变化如何影响空穴的浓度。 为什么一般的双极输运方程为非线性方程？ 定性解释为什么在外加电场作用下，过剩电子和空穴会向同一方向移动。 定性解释为什么在小注入条件下，过剩载流子寿命可以归纳为少子的寿命。 当产生率为零时，与过剩载流子密度有关的时间是什么？ 外加作用力之后，为什么过剩载流子密度不能随时间持续增加？ 当半导体中瞬问产生了一种类型的过剩载流子时，用什么原理解释净电荷密度会迅速变为零？ 分别论述电子和空穴的准费米能级的定义。 一般情况下，为什么半导体表面的过剩载流子浓度要低予内部的过剩载流子浓度？ pn结 小结 首先介绍了均匀掺杂的pn结。均匀掺杂pn结是指：半导体的一个区均匀掺杂了受主杂质，而相邻的区域均匀掺杂了施主杂质。这种pn结称为同质结 在冶金结两边的p区与n区内分别形成了空间电荷区或耗尽区。该区内不存在任何可以移动的电子或空穴，因而得名。由于n区内的施主杂质离子的存在，n区带正电；同样，由于p区内受主杂质离子存在，p区带负电。 由于耗尽区内存在净空间电荷密度，耗尽区内有一个电场。电场的方向为由n区指向p区。 空间电荷区内部存在电势差。在零偏压的条件下，该电势差即内建电势差维持热平衡状态，并且在阻止n区内多子电子向p区扩散的同时，阻止p区内多子空穴向n区扩散。 反骗电压（n区相对于p区为正）增加了势垒的高度，增加了空间电荷区的宽度，并且增强了电场。 随着反偏电压的改变，耗尽区内的电荷数量也改变。这个随电压改变的电荷量可以用来描述pn结的势垒电容。 线性缓变结是非均匀掺杂结的典型代表。本章我们推导出了有关线性缓变结的电场，内建电势差，势垒电容的表达式。这些函数表达式与均匀掺杂结的情况是不同的。 特定的掺杂曲线可以用来实现特定的电容特性。超突变结是一种掺杂浓度从冶金结处开始下降的特殊pn结。这种结非常适用于制作谐振电路中的变容二极管。 重要术语解释 突变结近似：认为从中性半导体区到空间电荷区的空间电荷密度有一个突然的不连续。 内建电势差：热平衡状态下pn结内p区与n区的静电电势差。 耗尽层电容：势垒电容的另一种表达式。 耗尽区：空间电荷区的另一种表达。 超变突结：一种为了实现特殊电容－电压特性而进行冶金结处高掺杂的pn结，其特点为pn结一侧的掺杂浓度由冶金结处开始下降。 势垒电容（结电容）：反向偏置下pn结的电容。 线性缓变结：冶金结两侧的掺杂浓度可以由线性分布近似的pn结。 冶金结：pn结内p型掺杂与n型掺杂的分界面。 单边突变结：冶金结一侧的掺杂浓度远大于另一侧的掺杂浓度的pn结。 反偏：pn结的n区相对于p区加正电压，从而使p区与n区之间势垒的大小超过热平衡状态时势垒的大小。 空间电荷区：冶金结两侧由于n区内施主电离和p区内受主电离而形成的带净正电与负电的区域。 空间电荷区宽度：空间电荷区延伸到p区与n区内的距离，它是掺杂浓度与外加电压的函数。 变容二极管：电容随着外加电压的改变而改变的二极管。 知识点 描述空间电荷区是怎样形成的。 画出零偏与反偏状态下pn结的能带图。 推导出pn结内建电势差的表达式。 推导出pn结空问电荷区电场的表达式。 描述当pn结外加反偏电压时空间电荷区的参数有什么变化。 给出势垒电容的定义并做出解释。 描述单边突变结的特性与属性。 描述线性缓变结是怎样形成的。 给出超突变结的定义。 复习题 给出内建电势差的定义并描述它是怎样维持热平衡的。 为什么空间电荷区内会有电场？为什么均匀掺杂pn结的电场是距离的线性函数？ 空间电荷区内什么位置的电场最大？ 为什么pn结低掺杂一侧的空间电荷区较宽？ 空间电荷区宽度与反偏电压的函数关系是什么？ 为什么空间电荷区宽度随着反偏电压的增大而增加？ 为什么反偏状态下的pn结存在电容？为什么随着反偏电压的增加，势垒电容反而下降？ 什么是单边突变结？我们可确定单边突变结的哪些参数？ 什么是线性缓变结？ 什么是超突变结？这种结的优点或特性是什么？ pn结二极管 小结 当pn结外加正偏电压时（p区相对与n区为正），pn结内部的势垒就会降低，于是p区空穴与n区电子就会穿过空间电荷区流向相应的区域。 本章推导出了与n区空间电荷区边缘处的少子空穴浓度和p区空间电荷区边缘处的少子浓度相关的边界条件。 注入到n区内的空穴与注入到p区内的电子成为相应区域内的过剩少子。过剩少子的行为由第六章中推导的双极输运方程来描述。求出双极输运方程的解并将边界条件代入，就可以求出n区与p区内稳态少数载流子的浓度分布。 由于少子浓度梯度的存在，pn结内存在少子扩散电流。少子扩散电流产生了pn结二极管的理想电流－电压关系。 本章得出了pn结二极管的小信号模型。最重要的两个参数是扩散电阻与扩散电容 反偏pn结的空间电荷区内产生了过剩载流子。在电场的作用下，这些载流子被扫处了空间电荷区，形成反偏产生电流。产生电流是二极管反偏电流的一个组成部分。Pn结正偏时，穿过空间电荷区的过剩载流子可能发生复合，产生正偏复合电流。复合电流是pn结正偏电流的另一个组成部分。 当pn结的外加反偏电压足够大时，就会发生雪崩击穿。此时，pn结体内产生一个较大的反偏电流。击穿电压为pn结掺杂浓度的函数。在单边pn结中，击穿电压是低掺杂一侧掺杂浓度的函数。 当pn结由正偏状态转换到反偏状态时，pn结内存储的过剩少数载流子会被移走，即电容放电。放电时间称为存储时间，它是二极管 开关速度的一个限制因素。 重要术语解释 雪崩击穿：电子和空穴穿越空间电荷区时，与空间电荷区内原子的电子发生碰撞产生电子－空穴对，在pn结内形成一股很大的反偏电流，这个过程就称为雪崩击穿。 载流子注入：外加偏压时，pn结体内载流子穿过空间电荷区进入p区或n区的过程。 临界电场：发生击穿时pn结空间电荷区的最大电场强度。 扩散电容：正偏pn结内由于少子的存储效应而形成的电容。 扩散电导：正偏pn结的低频小信号正弦电流与电压的比值。 扩散电阻：扩散电导的倒数。 正偏：p区相对于n区加正电压。此时结两侧的电势差要低于热平衡时的值。 产生电流：pn结空间电荷区内由于电子－空穴对热产生效应形成的反偏电流。 长二极管：电中性p区与n区的长度大于少子扩散长度的二极管。 复合电流：穿越空间电荷区时发生复合的电子与空穴所产生的正偏pn结电流。 反向饱和电流：电中性p区与n区中至少有一个区的长度小于少子扩散长度的pn结二极管。 短二极管:电中性p 区与n中至少有一个区的长度小子少子扩散长度的pn结二极管。 存储时间：当pn结二极管由正偏变为反偏时，空间电荷区边缘的过剩少子浓度由稳态值变成零所用的时间。 知识点 描述外加正偏电压的pn结内电荷穿过空间电荷区流动的机制。 说出空间电荷区边缘少子浓度的边界条件。 推出pn结内稳态少子浓度的表达式。 推出理想pn结的电流-电压关系。 描述短二极管的特点。 描述什么是扩散电阻与电容。 描述pn结内的产生与复合电流。 描述pn结的雪崩击穿机制。 描述pn结的关瞬态。 复习题 为什么正偏pn结的势垒高度会下降？ 在(a)正偏、(b)反偏状态下，写出过剩少子浓度的边界条件。 画出正偏pn结的稳态少子浓度分布图。 解释pn结二极管的理想I-V关系。 画出正偏pn结二极管的电子和空穴电流图。 什么是短二极管？ (a)解释扩散电容的形成机制；(b)什么是扩散电阻？ 解释(a)产生电流与(b)复合电流的形成机制。 为什么随着掺杂浓度的增大，击穿电压反而下降？ 解释什么是存储时间。 金属半导体和半导体异质结 小结 轻参杂半导体上的金属可以和半导体形成整流接触，这种接触称为肖特基势垒二极管。金属与半导体间的理想势垒高度会因金属功函数和半导体的电子亲和能的不同而不同。 当在n型半导体和金属之间加上一个正电压是（即反偏），半导体与金属之间的势垒增加，因此基本上没有载流子的流动。当金属与n型半导体间加上一个正电压时（即正偏），半导体与金属间的势垒降低，因此电子很容易从半导体流向金属，这种现象称为热电子发射。 肖特基势垒二极管的理想i-v关系与pn结二极管的相同。然而，电流值的数量级与pn结二极管的不同，肖特基二极管的开关速度要快一些。另外，肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，所以在达到与pn结二极管一样的电流时，肖特基二极管需要的正的偏压要低。 金属-半导体也可能想成欧姆接触，这种接触的接触电阻很低，是的结两边导通时结两边的压降很小。 两种不同能带系的半导体材料可以形成半导体异质结。异质结一个有用的特性就是能在表面形成势垒。在与表面垂直的方向上，电子的活动会受到势肼的限制，但电子在其他的两个方向可以自由的流动。 重要术语解释 反型异质结：参杂剂在冶金结处变化的异质结。 电子亲和规则：这个规则是指，在一个理想的异质结中，导带处的不连续性是由于两种半导体材料的电子亲和能是不同的引起的。 异质结：两种不同的半导体材料接触形成的结。 镜像力降低效应：由于电场引起的金属-半导体接触处势垒峰值降低的现象。 同型异质结：参杂剂在冶金结处不变的异质结。 欧姆接触：金属半导体接触电阻很低，且在结两边都能形成电流的接触。 理查德森常数：肖特基二极管中的I-V关系中的一个参数A*。 肖特基势垒高度：金属-半导体结中从金属到半导体的势垒Φbn。 肖特基效应：镜像力降低效应的另一种形式。 单位接触电阻：金属半导体接触的J-V曲线在V=0是的斜率的倒数。 热电子发射效应：载流子具有足够的热能时，电荷流过势垒的过程。 隧道势垒：一个薄势垒，在势垒中，其主要作用的电流是隧道电流。 二维电子气：电子堆积在异质结表面的势肼中，但可以沿着其他两个方向自由流动。 知识点 能大致画出肖特基势垒二极管在零偏、反偏以及正偏时的能带图。 描述肖特基势垒二极管正偏时的电荷流动情况。 解释肖特基势垒降低现象以及这种现象对肖特基势垒二极管反向饱和电流的影响。 解释表面态对肖特基势垒二极管的影响。 说出肖特基势垒二极管反向饱和电流比pn结二极管反向饱和电流大的一个应用。 解释欧姆接触。 绘出nN异质结的能带图。 解释二维电子气的含义。 复习题 什么是理想肖特基势垒高度？在能带图上指出肖特基势垒高度。 用能带图简要地说明肖特基势垒降低的影响。 肖特基势垒二极管正偏时的电荷流动情况是怎样的？ 比较肖特基势垒二极管与pn结二极管正偏时的I-V特性。 大致绘出金属-半导体结在Φm<Φt时的能带图，并解释为什么这是一个欧姆接触？ 大致绘出隧道结的能带图，并解释为什么这是一个欧姆接触？ 什么是异质结？ 什么是二维电子气？ 双极晶体管 小结 有两种类型的的双极晶体管，即npn和pnp型。每一个晶体管都有三个不同的参杂区和两个pn结。中心区域（基区）非常窄，所以这两个结成为相互作用结。 晶体管工作于正向有源区时，B-E结正偏，B-C结反偏。发射区中的多子注入基区，在那里，他们变成少子。少子扩散过基区进入B-C结空间电荷区，在那里，他们被扫入集电区。 当晶体管工作再正向有源区时，晶体管一端的电流（集电极电流）受另外两个端点所施加的电压（B-E结电压）的控制。这就是其基本的工作原理。 晶体管的三个扩散区有不同的少子浓度分布。器件中主要的电流由这些少子的扩散决定。 共发射极电流增益是三个因子的函数----发射极注入效率系数，基区输运系数和复合系数。发射极注入效率考虑了从基区注入到发射区的载流子，基区输运系数反映了载流子在基区的复合，复合系数反映了载流子在正偏发射结内部的复合。 考虑了几个非理想效应： 基区宽度调制效应，说着说是厄尔利效应----中性基区宽度随B-C结电压变化而发生变化，于是集电极电流随B-C结或C-E结电压变化而变化。 大注入效应使得集电极电流随C-E结电压增加而以低速率增加。 发射区禁带变窄效应是的发射区参杂浓度非常高时发射效率变小。 电流集边效应使得发射极边界的电流密度大于中心位置的电流密度。 基区非均匀掺杂在基区中感生出静电场，有助于少子度越基区。 两种击穿机制----穿通和雪崩击穿。 晶体管的三种等效电路或者数学模型。E-M模型和等效电路对于晶体管的所有工作模式均适用。基区为非均匀掺杂时使用G-P模型很方便。小信号H-P模型适用于线性放大电路的正向有源晶体管。 晶体管的截止频率是表征晶体管品质的一个重要参数，他是共发射极电流增益的幅值变为1时的频率。频率响应是E-B结电容充电时间、基区度越时间、集电结耗尽区度越时间和集电结电容充电时间的函数。 虽然开关应用涉及到电流和电压较大的变化，但晶体管的开关特性和频率上限直接相关，开关特性的一个重要的参数是点和存储时间，它反映了晶体管有饱和态转变变成截止态的快慢。 重要术语解释 a截止频率：共基极电流增益幅值变为其低频值的1根号2时的频率，就是截止频率。 禁带变窄：随着发射区中掺杂，禁带的宽度减小。 基区渡越时间：少子通过中性基区所用的时间。 基区输运系数：共基极电流增益中的一个系数，体现了中性基区中载流子的复合。 基区宽度调制效应：随C-E结电压或C-B结电压的变化，中性基区宽度的变化。 B截止效率：共发射极电流增益幅值下降到其频值的1根号2时的频率。 集电结电容充电时间：随发射极电流变化，B-C结空间电荷区和急电区-衬底结空间电荷区宽度发生变化的时间常数。 集电结耗尽区渡越时间：载流子被扫过B-C结空间电荷区所需的时间。 共基极电流增益：集电极电流与发射极电流之比。 共发射极电流增益：集电极电流与基极电流之比。 电流集边：基极串联电阻的横向压降使得发射结电流为非均匀值。 截止：晶体管两个结均加零偏或反偏时，晶体管电流为零的工作状态。 截止频率：共发射极电流增益的幅值为1时的频率。 厄尔利电压：反向延长晶体管的I-V特性曲线与电压轴交点的电压的绝对值。 E-B结电容充电时间：发射极电流的变化引起B-E结空间电荷区宽度变化所需的时间。 发射极注入效率系数：共基极电流增益的一个系数，描述了载流子从基区向发射区的注入。 正向有源：B-E结正偏、B-C结反偏时的工作模式。 反向有源：B-E结反偏、B-C结正偏时的工作模式。 输出电导：集电极电流对C-E两端电压的微分之比。 知识点 描述晶体管的基本工作情况。 画出晶体管工作于不同的模式时，热平衡时的能带图。 发射结加电压后，近似计算集电极电流。 画出晶体管在不同工作情况下的少予浓度分布草图。 由少子分布曲线，确定晶体管中不同的扩散电流和其他的电流成分。 解释限制电流增益的各种因素的物理机理。 由晶体管中的电流成分来定义限制电流的因素。 描述基区宽度调制效应及其对晶体管的，IV特性产生影响的物理机理。 描述双极晶体管的击穿机理。 画出晶体管工作于正向有源区时，简化的小信号H-P等效电路。 定性描述双极晶体管的频率响应的四个延时或时问常数。 复习题 描述工作在正向有源区时npn型双极晶体管的电荷流动情况，电流是扩散电流还是漂移电流？ 定义共发射极电流增益并解释为什么在近似情况下电流增益为一个常数。 解释晶体管在截止、饱和和反向有源区时的工作情况。 画出pnp型双极晶体管在正向有源区时的少子浓度分布。 定义并描述共基极电流增益的三个限制因素。 什么是基区宽度调制效应？该效应的另一个称呼是什么？ 什么是大注入？ 解释发射极电流集边效应。 定义ICBO和ICEO ，解释为什么ICHO>ICBO。 画出npn型双极晶体管的简化H-P模型，解释什么时候用到该模型。 描述限制双极晶体管的频率响应的延时因素。 什么是双极晶体管的截止频率？ 描述双极晶体管在饱和区和截止区之间转换的过程。 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 小结 这一章讨论了MOSFET的基本物理结构和特性MOSFET的核心为MOS电容器。与氧化物-半导体界面相邻的半导体能带是玩去的，他由加载MOS电容器上的电压决定。表面处导带和价带相对于费米能级的位置是MOS电容器电压的函数。 氧化层-半导体界面处的半导体表面可通过施加正偏栅压由到发生反型，或者通过施加负栅压由n型到p型发生发型。因此在于氧化层相邻处产生了反型层流动电荷。基本MOS场效应原理是有反型层电荷密度的调制作用体现的。 讨论了MOS电容器的C-V特性。例如，等价氧化层陷阱电荷密度和界面态密度可由C-V测量方法决定。 两类基本的MOSFET为n沟和p沟，n沟中的电流由反型层电子的流动形成，p沟中的电流由反型层空穴流动形成。这两类器件都可以是增强型的，通常情况下器件是关的，需施加一个栅压才能使器件开启；也可以是耗尽型的，此时在通常情况下器件是开的，需施加一个栅压才能使器件关闭。 平带电压是满足条件时所加的栅压，这时导带和价带不发生弯曲，并且半导体中没有空间电荷区。平带电压时金属-氧化层势垒的高度、半导体-氧化层势垒高度以及固定氧化层陷阱电荷数量的函数。 阈值电压是指半导体表面达到阈值反型点时所加的栅压，此时反型层电荷密度的大小等于半导体掺杂浓度。阈值电压是平带电压、半导体掺杂浓度和氧化层厚度的函数。 MOSFET中的电流是由反型层载流子在漏源之间的流动形成的。反型层电荷密度和沟道电导是由栅压控制，这意味着沟道电流被栅压控制。 当晶体管偏置在非饱和区（VDSVDS(sat)）时，反型电荷密度在漏端附近被夹断，此时理想漏电流仅是栅源电压的函数。 实际的MOSFET是一个四端器件，在衬底或体为第四端。随着反偏源-衬底电压的增加，阈值电压增大。在源端和衬底不存在电学连接的集成电路中，衬底偏置效应变得很重要。 讨论了含有电容的MOSFET小信号等效电路。分析了影响频率限制的MOSFET的一些物理因素。特别的，由于密勒效应，漏源交替电容成为了MOSFET频率响应的一个制约罂粟。作为器件频率响应的一个特点，截止频率反比于沟道长度，因此，沟道长度的减小将导致MOSFET频率性能的提高。 简要讨论了n沟和p沟器件制作在同一块芯片上的CMOS技术。被电学绝缘的p型和n型衬底区时电容两类晶体管的必要条件。有不同的工艺来实现这一结构。CMOS结构中遇到的一个潜在问题是闩锁现象，即可能发生在四层pnpn结构中的高电流、低电压情况。 重要术语解释 堆积层电荷：由于热平衡载流子浓度过剩而在氧化层下面产生的电荷。 体电荷效应：由于漏源电压改变而引起的沿沟道长度方向上的空间电荷宽度改变所导致的漏电流偏离理想情况。 沟道电导：当VDS 0时漏电流与漏源电压改变的过程。 CMOS：互补MOS；将p沟和n沟器件制作在同一芯片上的电路工艺。 截至频率：输入交流栅电流等于输处交流漏电流时的信号频率。 耗尽型MOSFET：必须施加栅电压才能关闭的一类MOSFET。 增强型MOSFET：鼻血施加栅电压才能开启的一类MOSFET。 等价固定氧化层电荷：与氧化层－半导体界面紧邻的氧化层中的有效固定电荷，用Q'SS表示。 平带电压：平带条件发生时所加的栅压，此时在氧化层下面的半导体中没有空闲电荷区。 栅电容充电时间：由于栅极信号变化引起的输入栅电容的充电或放电时间。 反型层电荷：氧化层下面产生的电荷，它们与半导体掺杂的类型是相反的。 反型层迁移率：反型层中载流子的迁移率。 最大空间电荷区宽度：阈值反型时氧化层下面的空间电荷区宽度。 金属－半导体功函数差：金属功函数和电子亲和能之差的函数，用 ms表示。 临界反型：当栅压接近或等于阈值电压时空间电荷宽度的微弱改变，并且反型层电荷密度等于掺杂浓度时的情形。 栅氧化层电容：氧化层介电常数与氧化层厚度之比，表示的是单位面积的电容，记为Cox。 饱和：在漏端反型电荷密度为零且漏电流不再是漏源电压的函数的情形。 强反型：反型电荷密度大于掺杂浓度时的情形。 阈值反型点：反型电荷密度等于掺杂浓度时的情形。 阈值电压：达到阈值反型点所需的栅压。 跨导：漏电流ude该变量与其对应的栅压该变量之比。 弱反型：反型电流密度小于掺杂浓度时的情形。 知识点 绘出在不同偏置情况下的MOS电容器的能带图。 描述MOS电容器中反型层电荷的产生过程。 分析当反型层形成时空间电荷宽度达到最大值的原因。 分析金属-半导体功函数差的意义。使用铝栅、n+多晶硅栅、p+多晶硅栅时，这个值为什么不同。 复习题 分别绘出工作在堆积、耗尽和反型模式下的n型衬底MOS电容器的能带图。 描述反型层电荷的意义及其在p型衬底MOS电容器中是如何形成的。 为什么当反型层形成时MOS电容器的空间电荷区就能达到最大宽度？ 定义MOS电容器中的电子亲合能。 绘出零偏置下p型衬底、n+多晶硅栅MOS结构的能带图。 定义平带电压。 定义阈值电压。 绘出低频时n型衬底MOS电容器的c-v特性曲线。当高频时曲线如何变化？ 说明高频时p型衬底MOS电容器c-v特性曲线中平带时的近似电容。 正的氧化层陷阱电荷增多对p型衬底MOS电容器的c-v特性曲线有什么影响？ 定性地绘出当晶体管偏置在非饱和区时沟道中的反型电荷密度示意图。当晶体管偏置在饱和区时，重新绘制此图。 定义VDS(sat)。 分别定义n沟、p沟增强型和耗尽型器件。 绘出工作在反型模式时的p型衬底MOS电容器的电荷分布情况。写出电荷中和方程。 讨论为什么当反偏源-衬底电压施加到MOSFFT后，阈值电压会发生改变。 金属-氧化物-半导体场效应管：概念的深入 小结 亚阈值电导是指在MOSFET中当栅-源电压小于阈值电压时漏电流不为零。这种情况下，晶体管被偏置在弱反型模式下，漏电流有扩散机制而非漂移机制控制。亚阈值电导可以在集成电路中产生一个较明显的静态偏置电流。 当MOSEFT工作于饱和区时，由于漏极处的耗尽区进入沟道区，有效沟道长度会随着漏电压的增大而减小。漏电流与沟道长度成反比，成为漏-源函数。该效应称为沟道长度调制效应。 反型层中的载流子迁移率不是常数。当栅压增大时，氧化层界面处的电场增大，引起附加的表面散射。这些散射的载流子导致迁移率的下降，使其偏离理想的电流-电压曲线。 随着沟道长度的减小，横向电场增大。沟道中流动的载流子可以达到饱和速度；从而在较低的漏极电压下漏电流就会饱和。此时，漏电流成为栅-源电压的线性函数。 MOSEFT设计的趋势是使器件尺寸越来越小。我们讨论了恒定电场等比例缩小理论。该理论是指沟道长度、沟道宽度、氧化层厚度和工作电压按照相同的比例因子缩小，而衬底掺杂浓度按照相同的比例因子增大。 讨论了随着器件尺寸的缩小阈值电压的修正。由于衬底的电荷分享效应，随着沟道长度的缩小，阈值电压也减小；随着沟道宽度的减小，阈值电压会增大。 讨论了各种电压击穿机制。包括栅氧化层击穿、沟道雪崩击穿、寄生晶体管击穿以及漏源穿通效应。这些机制都可以事器件更快的衰退。轻掺杂漏可以吧漏极击穿效应降到最小。 离子注入可以改变和调整沟道区中的衬底掺杂浓度，从而得到满意的阈值电压，他可以作为调整阈值电压的最后一步。这个过程成为通过离子注入调整阈值电压。 重要术语解释 沟道长度调制：当MOSEFT进入饱和区时有效沟道长度随漏-源电压的改变。 热电子：由于在高场强中被加速，能量远大于热平衡时的值的电子。 轻掺杂漏（LDD）:为了减小电压击穿效应，在紧邻沟道处建造一轻掺杂漏区的MOSEFT。 窄沟道效应：沟道宽度变窄后的阈值电压的偏移。 源漏穿通：由于漏-源电压引起的漏极和衬底之间的势垒高度降低，从而导致漏电流的迅速增大。 短沟道效应：沟道长度变短引起的阈值电压的偏移。 寄生晶体管击穿：寄生双极晶体管中电流增益的改变而引起的MOSEFT击穿过程中出现的负阻效应。 亚阈值导电：当晶体管栅偏置电压低于阈值反型点时，MOSEFT中的导电过程。 表面散射：当载流子在源极与漏极漂移时，氧化层-半导体界面处载流子的电场吸收作用和库仑排斥作用。 阈值调整：通过离子注入改变半导体掺杂浓度，从而改变阈值电压的过程。 知识点 描述亚阈值电导的概念和效应。 讨论沟道长度调制。 描述载流子迁移率和栅-源电压的函数关系，讨论对MOSFET 电流-电压特性的影响。 讨论速度饱和现象对MOSFET电流-电压特性的影响。 定义恒定电场MOSFET件等比例缩小，讨论在恒定电场等比例缩小时器件的参数如何变化。 说明当沟道长度减小和沟道宽度减小时阈值电压为什么会改变。 描述MOSFET中的各种电压击穿机制，诸如栅氧化层击穿、沟道雪崩击穿、寄生晶体管击穿和源漏穿通效应。 描述轻掺杂漏晶体管的优点。 讨论通过离子注入调整阈值电压过程的优点。 复习题 什么是亚阈值电导？它对MOSFET的I-V特性有什么影响？ 什么是沟道长度调制效应？说出一种计算沟道耗尽长度ΔL的方法。 为什么通常情况下反型层中载流子的迁移率不是常数？ 什么是速度饱和，它对MOSFET 的I-V特性有什么影响？ 什么是恒定电场等比例缩小，MOSFET中的参数如何改变？ 画出短沟道MOSFET沟道中的空间电荷区，并说明电荷分享效应。为什么在短沟道NMOS器件中阈值电压会变小？ 画出NMOS器件沿沟道宽度方向上的空间电荷区。为什么随着NMOS器件沟道宽度的减小，阈值电压会增大？ 画出NMOS器件的ID - VD函数关系图，说明寄生晶体管击穿效应。 画出NMOS器件源极和漏极之间的能带图，说明源漏穿通效应的原理。 画出轻掺杂漏晶体管的剖面图。这种设计有什么优点？ 要增大阈值电压，需向MOSFET 注入何种类型的离子？要减小阈值电压，需向MOSFET注入何种类型的离子？ _1234567891.unknown _1234567892.unknown _1234567893.unknown _1234567890.unknown