半导体器件与工艺期末复习资料

pn结二极管的两个基本特性①开关特性②整流特性突变结模型近似①掺杂分布是阶跃函数。在n型和p型半导体的净掺杂浓度皆为常数。②杂质完全电离。即n型半导体和p型半导体的平衡电子浓度分别为：nn0=ND和pp0=NA③忽略杂质引起的带隙变窄效应。但需要考虑掺杂引起的费米能级变化，对简并态，n型半导体和p型半导体的费米能级分别处于导带底和价带顶。pn结平衡能带图接触后平衡态下的费米能级就是上图的EF内建电势差在没有外接电路的情形下，扩散过程不会无限延续下去。此时会到达一种平衡，即扩散和漂移之间的动态平衡，相应产生的电势差称为接触电势差。由于是自身费米能级不同产生的，因此常称为自建势或内建势电子和空穴的内建电势差大小区别对于同质结，他们的大小是一样的，对于异质结不一样。突变结电场强度与电势分布电场分布图大小电势分布图由dxxEx)()(大小求出耗尽区及其宽度，在各自n区、p区的耗尽宽度与什么有关？①定义：在半导体pn结、肖特基结、异质结中，由于界面两侧半导体原有化学势的差异导致界面附近能带弯曲，从而形成能带弯曲区域电子或空穴浓度的下降，这一界面区域称为耗尽区。②宽度：③关系：pnnpDApnxxVVNNxx;单边突变结及其平衡时的能带图外加正偏压、负偏压下的pn结能带图pn结电压与外加偏压关系外加反偏电压Vj=Vtotal=Vbi+VR;外加正偏电压Vj=Vtotal=Vbi-VR扩散电流势垒降低，位于中性区或准中性区的多数电子或空穴通过扩散穿过pn结皆产生从n到p或p到n的净电子、净空穴扩散流，相应地皆为从p区至n区的净扩散电流;从n区扩散到p区的电子将成为p区中的过剩少数载流子，将发生远离结区的方向扩散和复合，过剩电子浓度将逐渐减小。此时，由于中性p区无电场，因此电子主要以扩散方式流入p区，故称过剩少数载流子电流为扩散电流或注入电流。少子注入及表达式给pn结外加正向偏压时，少子被注入了，np=np0exp(qVa/kT)少子抽取给pn结外加反向偏压时，少子被抽取了，np=0长基区原型二极管电流主要为扩散电流，同时结两边的准中性区的长度远大于区域中少子的扩散长度(电子为Ln，空穴为Lp)什么是pn结二极管的理想电流？理想电流－电压方程如何？理想因子？反向饱和电流或电流密度？并画出电流－电压关系简图①定义(假设)a耗尽层突变近似。空间电荷区的边界存在突变;耗尽区以外的半导体区域为电中性，且多子浓度基本上等于平衡时的浓度。b半导体为非简并，载流子统计分布采用麦克斯韦-波尔兹曼统计。c小注入条件。在结的任何一边，任何位置的少子浓度远远小于多子浓度。d电流分布。在中性区或准中性区，和扩散电流相比，少子的漂移电流可忽略;pn结内的电流值处处相等;pn结内的电子电流与空穴电流分别为连续函数;耗尽区内的电子电流与空穴电流为恒定值。②方程：③理想因子：一般情形下，电流密度J通常近似为右图：其中，Js为Jrec和J0的函数，n为二极管的品质因子或理想因子④电流密度：总反偏电流密度为理想反向饱和电流密度与反向产生电流密度之和，即关系简图：短基区二极管对长基区二极管，注入的过剩载流子可以完全通过复合来衰减。在双极结型晶体管中，基区n区宽度wB(不包括耗尽区)很薄(短基区二极管)，远远小于少子如空穴的扩散长度。而在p区，仍足够长。反偏产生电流反偏时在耗尽区，由于热激发产生的载流子被电场扫出形成反偏产生电流正偏复合电流正偏时，空穴注入到n区时经过耗尽区，此时由于电子注入也经过耗尽区，因此耗尽区存在两种过剩载流子将发生复合而损失，由此造成p区须将额外向n区注入空穴、n区向p区额外注入电子的流动而形成复合电流。试画出正偏压下pn结的准费米能级分布同“外加正偏压、负偏压下的pn结能带图”正偏压下，最大复合速率位于pn结何处？由d(1/RN)/dn=0可求出最大复合率对应的位置满足右图pn结接触处存在一复合率尖峰，即最大复合率对应的位置。复合电流和扩散电流与电压的变化关系有什么不同？复合电流考虑下的pn结电流－电压关系如何表述？①J=Js(exp(qVa/nkT)-1)对于复合电流n=2，对于扩散电流n=1，而lnJ=lnJs+(q/nkT)Va，画出lnJ-Va图，扩散电流的斜率是复合电流的两倍。②电流电压关系J=Js(exp(qVa/nkT)-1)串联电阻效应串联电阻包含两部分①通过中性区的电压降IR②接触阻抗大注入效应大注入时，注入的少子浓度和多子浓度接近，如在n端耗尽区边界处：（右图）隧穿电流高电场下,价带中的电子越过禁带或势垒进入到导带中的空态而形成的电流。雪崩倍增电流由碰撞电离引起，即高电场下，热平衡电子被耗尽区电场加速碰撞价带中的电子形成电子－空穴对，并持续发生而形成的电流。反向击穿①当二极管的反向电流超过某一定值时，就可认为击穿。但击穿后的器件并没有真正损坏，因此击穿是可逆的。②击穿电压：对Si的pn结，击穿电压大于8V，主要为雪崩击穿；电压小于6V时，主要为隧穿击穿。结电阻或扩散电阻结电阻为热电压和直流偏置点处的电流比值；结电阻随偏置电流的增加而减小，即与IV特性的斜率成反比。（右图）存储电荷电容或扩散电容在交流电压周期内，注入的少子发生了周期性的充、放电，产生的电容称为扩散电容或存储电荷电容。有效存储电荷/渡越时间DQTscIVCt其中nPnpPPTIIIIIInn为少子的平均渡越时间，简称渡越时间。结电容、耗尽层电容或势垒电容由于耗尽区内的正电荷与负电荷在空间上是分离的，故pn结具有了电容的充放电效应。当VR增加dVR时，n区内形成额外的正电荷，同时在p区形成额外的负电荷。势垒电容定义为：其中，最终小信号下，理想正偏pn结二极管的等效电路图（右图）pn结二极管关瞬态时的存储时间如何使pn结二极管快速关断？①较大的反偏电流IR;②降低少子寿命，即减小扩散长度：通过引入复合中心，如Si中的Au或Cu；③其它：减小轻掺杂区厚度(短基区)或进行梯度掺杂分布。超突变结线性缓变结文字定义：①在E-B结(n+p)中，p型B区掺杂浓度随E-B结的距离增大而减小。这种半导体结称为超突变结。②在B-C结(pn)中，掺杂浓度皆随离结距离增大而增大。而且，在B-C结附近的掺杂可近似为线性分布，称之为线性缓变结。公式定义：对p+n单边结，x0处的n型掺杂浓度ND’=BXm，m=0均匀掺杂，m=1是线性缓变结，m=负值是超突变结半导体异质结由两种不同的半导体单晶材料(一般是窄带隙和宽带隙)组成的结异质结突变结、缓变结①突变结：带隙由一种半导体直接变为另一种半导体，如Ge/GaAs等②缓变结：两种半导体的带隙连续变化形成，如GaAs/Al1-xGaxAs异质结等异质结类型以及能带示意图①跨骑型或I型②交错型或II型③错开型或III型同型异质结和反型异质结①掺杂类型相同的称为同型异质结(Nn和Pp)②相反的称为反型异质结(Np和Pn)电子亲和势模型假设条件：半导体材料参数直到冶金结处都不变；半导体材料的晶格常数相近或相等；真空能级连续；异质结能带图由两种半导体材料的亲和能、电离能或带隙决定。根据接触前异质结能带画出热平衡后的能带图Pn反型异质结nN同型异质结二维电子气以及缓变结的使用原因？减少电离杂质散射，提升电子的迁移速率隧穿诱导偶极层如果异质结中两种半导体材料的晶格常数不同，而且价带顶能量差较大，此时在界面处将产生电偶极层，如GaAs/Ge异质结。量子阱如在跨骑型GaAs/Al0.3Ga0.7As异质结中，当GaAs层的厚度降低到和电子的德布罗意波长相当时，GaAs中的载流子出现量子现象，即电子在垂直方向呈量子化且被限制在GaAs中。具有这种结构的称为量子阱，GaAs称为阱层，而AlGaAs称为垒层。超晶格当垒层的厚度降低到量子阱之间的波函数发生相互作用，由量子阱中的量子限制能级变成了子能带，称为超晶格。量子阱带间跃迁吸收、子带间跃迁吸收带之间的跃迁吸收子带之间的跃迁吸收肖特基势垒肖特基二极管的电流产生机制电子从金属流向半导体(m→s)：势垒高度为φB0，理想情况下不随外加电压变化；电子从半导体流向金属(s→m)：势垒或内建电势差随外加电压变化，类似于pn同质结、异质结。肖特基二极管的电流－电压与pn结二极管的电流－电压特性的区别①一般而言，肖特基二极管的理想反向饱和电流密度比pn结要大2～3个数量级；因此，反向偏压下的pn结产生电流密度比起JsT可忽略不计，即JsTJs②反向偏压下肖特基二极管存在较大的隧穿电流。③由于小的内建电势差，在相同的正向偏压下，肖特基二极管的正向电流比pn结的大。④有效开启电压不同(势垒高度的不同)。金属-半导体的欧姆接触接触电阻很低的金属-半导体结，在金属和半导体两边都能形成电流。理想情况下，通过欧姆接触形成的电流-电压为线性关系，且电压较低(或接触电阻很低)。热平衡时，金属－半导体欧姆接触的能带图右图重掺杂半导体与金属形成的隧道效应对金属-n+结，由于半导体进行了重掺杂，此时的空间电荷区宽度非常薄，电子将容易隧穿通过势垒。比接触阻抗反映金属和半导体欧姆接触的阻抗晶体管类型、组成名称和电路符号两种类型：npn和pnp组成名称：发射极、集电极、基极电路符号（npn和pnp）平衡态能带图（npn和pnp)工作模式以及对应的输入、输出参数共基极：基极被输入和输出电路所共用共发射极：射极被输入和输出电路所共用四种工作区域名称以及相应pn结的偏置情况①正向有源或放大模式VBE正偏，VBC反偏②电压饱和VBE正偏，VBC正偏③反向有源VBE反偏，VBC正偏④截止VBE反偏，VBC反偏晶体管的放大作用对共发射极，电流增益为β=IC/IB试画出npn和pnp晶体管正向有源模式下的能带图共基极电流增益共发射极电流增益共基极电流增益ECPII0共发射极电流增益BCII设M0则1;-1发射区发射效率nEEPEPEEPIIIII基区输运系数EPCPTII三者关系T0试画出npn晶体管共基极组态下载流子引起的各电流组元，并分别解释它们的含义。①IEp：发射区空穴电流②ICp：集电区空穴电流③IBB：EB正偏下的复合电流Irec，其中IBB=Irec=IEp－ICp④IEn：基区注入发射区的电子电流，一般希望很小⑤ICn：集基结附近集电区由热产生的载流子流向基区形成的电流正向有源、饱和、反向有源、截止工作区域时少子分布（以npn晶体管为例）影响双极晶体管电流增益的非理想因素有哪些？并就其中2点做出简要说明。①发射区禁带变窄效应②非均匀掺杂效应③基区宽度调制效应④正偏大注入效应⑤EB结内的复合电流⑥电流集边和基区电阻效应简要说明③xB为有效基区宽度，物理宽度和耗尽区宽度的差。因此，当CB结反偏电压VCB增加(以及VCE)时，xB将减小，同时基区少子梯度变大。这种效应为基区宽度调制，又称厄利效应⑥由于基区的某些区域较薄(发射极下面)，将引起较大电阻和横向压降，从而电流也随位置分布，即发射极电流聚集在与基区接触的边缘，称为电流集边。基区宽度调制效应/厄利效应见上面晶体管穿通击穿当集电极电压继续增加时，BC结的耗尽区变宽，有可能导致xB为0。此时，CB结耗尽区和EB结耗尽区连在一起。注入到基区的电子很快被扫向集电区，电流急剧增加，从而基区失去对IC的控制。亦即晶体管作用消失，发生穿通基区扩展效应小注入下的JC较低，因此nmin值很小，可忽略。大注入时，WB不为0，一方面在高电场下向集电区加速运动，直至速度饱和；另一方面，增加了电子势能EC和EV，即增大了基区有效宽度，从而电流增益降低。电流集边效应由于基区的某些区域较薄(发射极下面)，将引起较大电阻和横向压降，从而电流也随位置分布，即发射极电流聚集在与基区接触的边缘，称为电流集边。混合π模型的电路简图（右图）截止频率、截止频率特征频率、最高振荡频率关系截止频率f共基极下电流增益降到2/1下频率截止频率f共发射极电流增益降到2/1下频率特征频率Tf=1时对应频率（又称截止频率）最高振荡频率fmax增益=1时频率max