工程硕士器件物理复习01

器件物理基础1、晶体结构、密勒指数2、晶格向量、倒格子晶格向量、布里渊区、二维晶格点阵布里渊区画法3、统计规律：费米分布和玻尔兹曼分布函数、简并半导体和非简并半导体4、费米能级及其物理意义5、准自由电子近似的能带结构、有效质量的概念、直接带隙半导体和间接带隙半导体6、硅的能带结构特点7、载流子统计：平衡和非平衡载流子统计、准费米能级的概念8、状态密度的概念及其和能带结构的关系、态密度有效质量9、本征半导体和杂质半导体热平衡载流子浓度10、浅能级杂质、施主和受主杂质11、杂质补偿效应12、准电中性条件及其应用13、载流子空间分布的统计及其存在的问题14、载流子的复合、产生，俄歇复合的概念、净复合率的概念15、碰撞电离MOS电容复习概要一、MOS电容１、MOS电容结构，PMOS电容，NMOS电容。MOS电容结构是在p-或n-型硅衬底上生长一层数十埃至数百埃的氧化层，再在氧化层上淀积一层金属电极（叫做栅极）而构成。２、MOS电容是一个微分电容概念，反映的是由金属－氧化层－半导体衬底构成的MOS结构的半导体表面空间电荷区电荷随外加栅－衬底偏压变化的特性。３、理想的MOS电容特性（什么是理想的MOS电容特性）４、影响MOS结构电容特性（C－V）的因素：（１）栅－衬底功函数差（２）Si-SiO2界面态（３）氧化层中可动电荷（４）氧化层中固定电荷（５）电离陷阱（６）晶向（７）衬底掺杂浓度（８）氧化层厚度（９）多晶硅栅耗尽层５、微分电容的定义和物理意义６、表面势和空间电荷区７、平带电压和影响平带电压的因素８、本正德拜长度和非本正德拜长度及其物理意义９、什么叫有效氧化层电荷？二、复习题１、为什么当MOS电容加上栅－衬底偏置时整个MOS电容处于非热平衡状态，却认为半导体衬底自身处于热平衡状态？２、功函数的定义和物理意义？金属的功函数和半导体的功函数的表达式？３、费米势的定义？NMOS电容的衬底的费米势大于零还是小于零？PMOS电容的衬底的费米势大于零还是小于零？４、室温下Si的禁带宽度是多少？SiO2的禁带宽度是多少？处于衬底Si导带底的电子穿越SiO2到达金属栅电极，其穿越的势垒的高度是多少？处于衬底Si价带顶的空穴穿越SiO2到达金属栅电极，其穿越的势垒的高度又是多少？５、MOS电容处于热平衡的时候，半导体衬底表面可能存在空间电荷区，可能有哪些原因？分别考虑NMOS和PMOS情况加以分析。６、平带电压的定义和影响平带电压的因素？７、分别就NMOS和PMOS电容的情形，给出费米势的定义式，以及积累区、耗尽区、弱反型区、强反型区表面势的范围。８、分别就NMOS和PMOS电容的情形，给出半导体表面处电子和空穴浓度的表达式，假设衬底均匀掺杂，掺杂浓度为NB。９、NMOS电容半导体衬底处于表面强反型（表面积累）时，表面电场强度的方向？PNOS又如何？１０、半导体表面电容的定义及其物理意义？１１、弱反型时空间电荷区电荷主要由离化杂质的固定电荷构成，你认为对不对？１２、MOS电容中为什么可以引入最大耗尽层概念？１３、就MOS电容结构而言，其实际的高频C－V和低频C－V特性有什么不同？原因是什么？１４、什么是耗尽层电容？什么是反型层电容？定性画出这两种电容随外加栅偏压的变化曲线。１５、分别画出金属栅电极和多晶硅栅MOS电容的等效电路。１６、MOS电容阈值电压的定义式和物理意义？SiO2厚度为５０纳米，衬底掺杂浓度为17-3510cm的NMOS（PMOS）的阈值电压是多少？１７、已知MOS电容表面电场强度为6110V/cm，方向由表面指向半导体体内，则半导体表面电荷面密度等于多少？是正电荷还是负电荷？所加栅电压是正电压还是负电压？１８、多晶硅栅对MOS电容会产生怎样的影响？试定性说明。１９、MOS电容中，半导体表面势大于衬底体内的电势，则半导体的能带（保持平带，向上弯曲、向下弯曲），处于半导体表面导带底的电子的能量（大于、等于、小于）处于半导体体内导带底的电子的能量，处于半导体表面价带顶的空穴的能量（大于、等于、小于）处于半导体体内价带顶的空穴的能量。表面电场的方向是（由半导体表面指向体内，由体内指向半导体表面，无法确定）。２０、分别定性画出NMOS电容积累区、耗尽区、弱反型区、强反型区纵向能带图。２１、分别定性画出PMOS电容积累区、耗尽区、弱反型区、强反型区纵向能带图。２２、金属铝栅NMOS电容的平带电压随着衬底掺杂浓度的提高（变小、不变、变大），金属铝栅NMOS电容的平带电容随着衬底掺杂浓度的提高（变小、不变、变大）。金属铝栅PMOS电容的平带电压随着衬底掺杂浓度的提高（变小、不变、变大），金属铝栅PMOS电容的平带电容随着衬底掺杂浓度的提高（变小、不变、变大）。２３、已知NMOS电容表面电场强度为6110V/cm，方向由表面指向半导体体内，氧化层厚度为6纳米，衬底掺杂浓度为17-3510cm，试计算此时的有效栅偏压等于多少？２４、如图是两个MOS电容的测量曲线（横坐标从左至右为栅电压增加的方向）。Curve1对应MOS电容记做MOS1，Curve2对应MOS电容记做MOS2，试回答以下各问题：（１）测量曲线说明测量的是（NMOS，PMOS）电容；（２）MOS1的氧化层厚度（大于，等于，小于）MOS2的氧化层厚度；（３）MOS1的衬底掺杂浓度（大于，等于，小于）MOS2的衬底掺杂浓度；（４）MOS1的阈值电压（大于，等于，小于）MOS2的阈值电压；（５）MOS1的最大耗尽层宽度（大于，等于，小于）MOS2的最大耗尽层宽度。２５、如图所示为某一个衬底均匀掺杂的多晶硅栅（假设其费米能级与导带底重合）MOS电容（氧化层厚度为１０纳米）的表面电荷密度随表面势的变化曲线。Curve1Curve2（１）该MOS电容是（NMOS，PMOS）电容；（２）计算衬底掺杂浓度；（３）计算平带电压；（４）计算阈值电压（忽略多晶硅栅的耗尽层影响）；（５）从图中查得当表面势为0.9V时，表面电荷密度为12510[V/cm]q，其中q为电子电荷量，假设氧化层没有被击穿。求此时栅偏压的大小和表面反型载流子面密度（单位取2/cmq）。并计算绝缘层中电场强度的大小（忽略多晶硅栅的耗尽层影响）。２６、氧化层中电荷对MOS电容的影响可以等效成分布在Si－SiO2界面的有效电荷，如果氧化层中的电荷浓度分布为()x，氧化层厚度为OXt，试推导有效氧化层电荷面密度。２７、设某一个NMOS电容的栅电极的功函数为mW，衬底掺杂浓度为AN，氧化层厚度为OXt，在氧化层的正中央存在面密度为OXQ的固定正电荷。求该NMOS电容的阈值电压。２８、通常SiO2层中会存在固定正电荷的分布，这种正电荷的存在使NMOS电容的阈值电压（增大、不变、减小），使PMOS电容的阈值电压（增大、不变、减小）。２９＊、试扼要论述半导体表面电容随表面势的变化特性（分别以NMOS电容和PMOS电容为例说明）。３０＊、试扼要论述MOS电容结构中界面态对C－V特性的影响。３１＊、定性讨论PMOS电容的C－V特性。MOS电容Problem1若铝和本征硅之间的接触电势差–0.6V，即（WAl–WSi）/q=–0.6V,计算室温(T=300K)下铝和掺杂浓度为NA=1ⅹ1016cm-3的p-型硅之间的接触电势差。已知本征载流子浓度ni=1ⅹ1010cm-3。Problem2一铝栅NMOS电容，衬底掺杂浓度为NA=5ⅹ1015cm-3，铝和本征硅之间的功函数差为（WAl–WSi）/q=–0.6V，SiO2厚度为tOX=0.042m，有效氧化层电荷为0.1fC/m2，计算室温下该NMOS电容的平带电压。已知本征载流子浓度ni=1ⅹ1010cm-3，真空电容率为ⅹ10-14F/cm，SiO2的相对介电常数为3.9。Problem3n+-polySi栅NMOS电容，多晶硅栅掺杂浓度为ND=1ⅹ1020cm-3，衬底掺杂浓度为NA=5ⅹ1015cm-3，SiO2厚度为tOX=0.042m，有效氧化层电荷为0.1fC/m2，计算室温下该NMOS电容的平带电压和阈值电压。已知本征载流子浓度ni=1ⅹ1010cm-3，真空电容率为ⅹ10-14F/cm，SiO2的相对介电常数为3.9。Problem4某NMOS电容，衬底掺杂浓度为NA=5ⅹ1015cm-3，SiO2厚度为tOX=0.05m，平带电压为-1.05V，推断积累区、耗尽区、弱反型区和强反型区栅电压范围。已知本征载流子浓度ni=1ⅹ1010cm-3，真空电容率为ⅹ10-14F/cm，SiO2的相对介电常数为3.9。Problem5Consideranaluminum-SiO2-siliconMOScapacitor(Wm=4.1eV,ox=3.9,=4.05eVandNA=1017cm-3)withtOX=5nm.a.Calculatetheflatbandvoltageandthresholdvoltage.b.Repeatforann-typesiliconsubstratewithND=1016cm-3.c.Repeatwithaneffectiveoxidechargeof10-7C/cm2Problem6Ahigh-frequencycapacitancevoltagemeasurementofasiliconMOSstructurewasfittedbythefollowingexpression:C(VG)=6pF+12pF/(1+exp(VG))a.Calculatetheoxidecapacitanceperunitareaandtheoxidethickness.Theareaofthecapacitoris100x100micronandtherelativedielectricconstantequals3.9.Fromtheminimumcapacitance,calculatethemaximumdepletionlayerwidthandthesubstratedopingdensity.b.CalculatethesubstrateFermipotential.c.Calculatetheflatbandcapacitanceandtheflatbandvoltage.d.Calculatethethresholdvoltage.【注】只列出求解衬底掺杂浓度的表示式即可，数字求解结果3161085.7cmNA。Problem7AnMOScapacitorwithanoxidethicknessof20nmhasanoxidecapacitance,whichisthreetimeslargerthantheminimumhigh-frequencycapacitanceininversion.Findthesubstratedopingdensity.Problem8ACMOSgaterequiresn-typeandp-typeMOScapacitorswithathresholdvoltageof2and-2Voltrespectively.Ifthegateoxideis50nmwhataretherequiredsubstratedopingdensities?Assumethegateelectrodeisaluminum.Repeatforap+poly-silicongate.Problem9Considerap-MOScapacitor(withann-typesubstrate)andwithanaluminumgate.Findthedopingdensityforwhichthethresholdvoltageis3timeslargerthantheflatbandvoltage.tox=25nm.Repeatforacapacitorwith1011cm-2electronicchargesattheoxide-semiconductorinterface.