半导体器件物理重要知识点答辩
半导体器件与工艺(1)答辩
哈尔滨工程大学
微电子学
半导体基础
电阻率的结构与组分敏感性
用电阻率的高低来区分导体、半导体和绝缘体是不 够严密的 : 某些结构完整且不含杂质的半导体也会有跟 绝缘体不相上下的高电阻率，而当它们含有足够浓度的 某些特殊杂质时，其电阻率又会降到金属电阻率的范围， 甚至比某些导电性欠佳的金属导体的电阻率还低。 半导体是导电能力明显依赖于材料的内外状态的一 类特殊物质。
半导体基础
半导体导电的热敏性
载流子密度是器件特性的决定性因素。从器件工作 特性的稳定性考虑，保持载流子密度的稳定是最基本的 要求。非本征材料在一定的温度范围内主要靠杂质原子 提供载流子，而一个杂质原子最多只能提供一个电子或 空穴。当每个杂质原子都已“尽责”之后，载流子密度 即保持不变，器件即可望保持相应的稳定工作状态。因 此，实际半体器件大多采用掺杂材料。 非本征材料有本征激发和杂质电离两种载流子来源， 其载流子的总密度为二者之和。当本征激发的如状较小 时，靠杂质的完全电离保持载流子的恒定密度。当本征 载流子密度随着温度的升高而接近或超过掺杂浓度时， 非本征半导体即开始向本征半导体转变。
半导体中空穴的导电本质上还是电子的定向运动， 只不过这些电子不是自由电子而是被原子核束缚着的价 电子。半导体电导率表达式
q(nn p p )
则本征半导体电导率表达式
i qni (n p )
常用半导体的载流子迁移率也往往比金属良导体中 的自由电子的迁移率高，但是其电导率却非常小，这是 因为本征载流子浓度与金属中的载流子密度相比很小。
半导体基础
电子在金属和半导体中的能量分布
当温度 T 大于 0K 时，由于电子的平均动能为 3kT/2 ，满带 电子中会有一些能量偏高者越过禁带进入高能量的空带。任 何一个能带能够容纳的电子数很大，而在低温和常温下能够 越过一个宽度只有1eV的禁带的电子也都很少，因而这两个未 满带的特征大不一样，其能量较高者接近全空，能量较低者 接近全满。通常把非零温度下只有少许电子的近空带称为导 带，而把只有少许空状态的近满带称为价带。
半导体复习提纲答辩
解释利用pn结形成变容器的原理，通过测量pn结电容能否获得半导体杂质的分布信 息？ 变容器原理：应用p-n结在反向偏压时电容随电压变化的特性，来设计用达到此目的的 p-n结被称为变容器，即可变电容器。 通过测量其电容、电压特性可用来计算任意杂质分布。 解释pn结击穿的机制。 隧道效应：当一反向强电场加在p-n结时，价电子可以由价带移动到导带，这种电子穿 过禁带的过程称为隧穿．隧穿只发生在电场很高的时候．。 雪崩倍增：电场足够大，电子可以获得足够的动能，以致于当和原子产生撞击时，可 以破坏键而产生电子-空穴对，新产生的电子和空穴，可由电场获得动能，并产生额外 的电子-空穴对生生不息，连续产生新的电子-空穴对．这种过程称为雪崩倍增。 BJT各区的结构有何特点？为什么？ 发射区：掺杂浓度最高； 基区：掺杂浓度中等，基区的宽度需远小于少数载流子的扩散长度； 集电区：掺杂浓度最低； BJT工作在放大模式下的偏置情况是怎样的？画出p-n-p BJT工作在放大模式下的空 穴电流分布。 射基结为正向偏压，集基结为反向偏压
画出p-n-p BJT在放大模式下各区的少数载流子浓度分布。
为什么HBT的发射效率较高？ 发射区与基区间的能带差在异质结界面上造成能带偏移，ΔEv增加了射基异质结处价 带势垒的高度，从而维持极高的效率与电流增益。 MOS二极管的金属偏压对半导体的影响有哪些？ 会改变能带弯曲情况，改变半导体表面电荷分布。 画出理想MOS二极管（p型半导体）金属端加正偏及反偏电压时的能带图示意图。
略不计时，则可被定义为欧姆接触。
⑧ 肖特基势垒接触：具有大的势垒高度，以及掺杂浓度比导带或价带上态密度低的
金属-半导体接触。
⑨ 阈值电压：形成强反型层时沟道所对应的 VG 称为阈值电压 ⑩ CMOS：由成对的互补p沟道与n沟道MOSFET所组成
半导体物理_复习题答辩
第七篇题解-半导体表面与MIS结构刘诺编7-1、解：又因为7-3、解：（1）表面积累：当金属表面所加的电压使得半导体表面出现多子积累时，这就是表面积累，其能带图和电荷分布如图所示：（2）表面耗尽：当金属表面所加的电压使得半导体表面载流子浓度几乎为零时，这就是表面耗尽，其能带图和电荷分布如图所示：（3）当金属表面所加的电压使得半导体表面的少子浓度比多子浓度多时，这就是表面反型，其能带图和电荷分布如图所示：7-3、解：理想MIS结构的高频、低频电容-电压特性曲线如图所示；其中AB段对应表面积累，C到D段为表面耗尽，GH和EF对应表面反型。
7-4、解：使半导体表面达到强反型时加在金属电极上的栅电压就是开启电压。
这时半导体的表面势7-5、答：当MIS结构的半导体能带平直时，在金属表面上所加的电压就叫平带电容。
平带电压是度量实际MIS结构与理想MIS结构之间的偏离程度的物理量，据此可以获得材料功函数、界面电荷及分布等材料特性参数。
7-6、解：影响MIS结构平带电压的因素分为两种：（1）金属与半导体功函数差。
例如，当W m s 时，将导致 C-V 特性向负栅压方向移动。
如图（1）恢复平带在金属上所加的电压就是（2）界面电荷。
假设在SiO2中距离金属- SiO2界面x处有一层正电荷，将导致C-V特性向负栅压方向移动。
如图（2）恢复平带在金属上所加的电压就是在实际半导体中，这两种因素都同时存在时，所以实际MIS结构的平带电压为第六篇习题-金属和半导体接触刘诺编6-1、什么是功函数？哪些因数影响了半导体的功函数？什么是接触势差？6-2、什么是Schottky势垒？影响其势垒高度的因数有哪些？6-3、什么是欧姆接触？形成欧姆接触的方法有几种？试根据能带图分别加以分析。
6-4、什么是镜像力？什么是隧道效应？它们对接触势垒的影响怎样的？6-5、施主浓度为7.0×1016cm-3的n型Si与Al形成金属与半导体接触，Al的功函数为4.20eV，Si的电子亲和能为4.05eV，试画出理想情况下金属-半导体接触的能带图并标明半导体表面势的数值。
半导体面试题目(3篇)
第1篇一、基础知识部分1. 请简述半导体材料的基本概念及其分类。
2. 解释什么是本征半导体、n型半导体和p型半导体，并说明它们之间的区别。
3. 什么是掺杂？为什么掺杂对于半导体的应用至关重要？4. 什么是载流子？请分别说明电子和空穴载流子的性质。
5. 什么是能带？简述价带、导带和禁带的概念。
6. 什么是能级？请解释能级与能带之间的关系。
7. 什么是施主和受主？它们在半导体中的作用是什么？8. 请解释半导体中的电导率是如何受到温度影响的。
9. 什么是霍尔效应？它在半导体中的应用有哪些？10. 什么是PN结？简述PN结的形成过程、特性和应用。
二、器件原理部分1. 请简述晶体管的工作原理，包括NPN和PNP晶体管。
2. 什么是场效应晶体管（FET）？请解释其工作原理和特性。
3. 什么是MOSFET？请说明其结构、工作原理和优缺点。
4. 什么是二极管？请解释二极管的基本特性和应用。
5. 什么是三极管？请说明三极管的基本特性和应用。
6. 什么是整流器？请列举几种常见的整流器类型及其工作原理。
7. 什么是稳压器？请说明稳压器的工作原理和应用。
8. 什么是放大器？请解释放大器的基本特性和应用。
9. 什么是滤波器？请列举几种常见的滤波器类型及其工作原理。
10. 什么是振荡器？请解释振荡器的基本特性和应用。
三、电路设计部分1. 请简述半导体电路设计的基本流程。
2. 什么是模拟电路和数字电路？请分别说明它们的特点。
3. 什么是电路仿真？请列举几种常见的电路仿真软件。
4. 什么是版图设计？请说明版图设计的基本流程和注意事项。
5. 什么是集成电路封装？请列举几种常见的集成电路封装类型。
6. 什么是测试与验证？请说明测试与验证在半导体电路设计中的重要性。
7. 什么是电路优化？请列举几种常见的电路优化方法。
8. 什么是电源设计？请说明电源设计的基本原则和注意事项。
9. 什么是信号完整性？请解释信号完整性对电路设计的影响。
10. 什么是电磁兼容性？请说明电磁兼容性在电路设计中的重要性。
半导体物理学 第一章 半导体中的电子状态答辩
2n E (k ) E (k ) l
2 ~ 0~ l l l
2 ~ ~0 l l l
E（k）
自 由 电 子
-π/1 0 π/1
}允带
}允带
k
} 允带
称第一布里渊区为简约布里渊区
3.允许带和禁带
晶体中的电子能量并不是可以取 任意值,有些能量是禁止的,而只是 在某一范围才可以.
禁带 允许带
电子填充允许带时,可能出现: 电子刚好填满最后一个带 →绝缘体和半导体
最后一个带仅仅是部分被电子占有
→导体.
三、 导体、绝缘体和半导体的能带
1.导体的能带
3s
2p 2s 1s
11#Na,它的电子在组态是:1s22s22p63s1
2.绝缘体和半导体的能带 能带图可简化成:
电 子 能 量
半导体材料的类型： 元素半导体：硅(Si)、锗(Ge) 化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InAs）等
元素(elements)半导体
硅、锗都是由单一原 子所组成的元素半导 体，均为周期表第IV 族元素。 20世纪50年代初期， 锗曾是最主要的半导体 材料； 60年代初期以后，硅 已取代锗成为半导体制 造的主要材料。
半导体材料简述
导电性
固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。
绝缘体: 电导率很低，约介于20-18S/cm～10-8S/cm,如熔融石英及玻璃； 导 体：电导率较高，介于104S/cm～106/cm，如铝、银等金属。 半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。
半导体的特点： 易受温度、照光、磁场及微量杂质原子的影响。 正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成 为各种电子应用中最重要的材料之一。
半导体绪论答辩
+4
综上所述：
(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。
电子是多数载流子； 空穴是少数载流子； 不参加导电的正离子。
(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。
空穴是多数载流子，
电子是少数载流子，
不参加导电的负离子。
(3) 杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本
结论：
PN结的单向导电性：
PN 结加正向电压产生大的正向电流， PN 结
导电。
PN结加反向电压产生很小的反向饱和电流，
近似为零， PN结不导电。
2019年5月19日1时37分
⑵ PN结的伏安特性
定量描绘 PN结两端电压和流过结的电流 的关系的曲线——PN结的伏安特性。 根据理论分析，PN结的伏安特性方程为
综上所述：
(1) 半导体中有两种载流子：自由电子和空 穴，电子带负电，空穴带正电。 (2) 本征半导体中，电子和空穴总是成对地 产生，ni = pi。 (3) 半导体中，同时存在载流子的产生和复 合过程。
2019年5月19日1时37分
⑵ 杂质半导体
本征半导体的电导率很小，而且受温度和 光照等条件影响甚大，不能直接用来制造 半导体器件。 本征半导体的物理性质：纯净的半导体中 掺入微量元素，导电能力显著提高。 掺入的微量元素——“杂质”。 掺入了“杂质”的半导体称为“杂质”半 导体。
2019年5月19日1时37分
⑴ 本征半导体
半导体由于热激发而不断产生电子空穴对， 那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和 空穴浓度是否会越来越大呢？ 实验表明，在一定的温度下，电子浓度和空 穴浓度都保持一个定值。 半导体中存在
载流子的产生过程 载流子的复合过程
半导体物理学基础知识答辩
1半导体中的电子状态1.2半导体中电子状态和能带1.3半导体中电子的运动有效质量1半导体中E与K的关系2半导体中电子的平均速度3半导体中电子的加速度1.4半导体的导电机构空穴1硅和锗的导带结构对于硅，由公式讨论后可得：I.磁感应沿【1 1 1】方向，当改变B（磁感应强度）时，只能观察到一个吸收峰II.磁感应沿【1 1 0】方向，有两个吸收峰III.磁感应沿【1 0 0】方向，有两个吸收峰IV磁感应沿任意方向时，有三个吸收峰2硅和锗的价带结构重空穴比轻空穴有较强的各向异性。
2半导体中杂质和缺陷能级缺陷分为点缺陷，线缺陷，面缺陷(层错等1.替位式杂质间隙式杂质2.施主杂质：能级为E(D,被施主杂质束缚的电子的能量状态比导带底E(C低ΔE(D,施主能级位于离导带底近的禁带中。
3. 受主杂质：能级为E(A,被受主杂质束缚的电子的能量状态比价带E(V高ΔE(A,受主能级位于离价带顶近的禁带中。
4.杂质的补偿作用5.深能级杂质：⑴非3，5族杂质在硅，锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，离价带顶也较远，称为深能级。
⑵这些深能级杂质能产生多次电离。
6.点缺陷：弗仑克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。
肖特基缺陷：只在晶体内部形成空位而无间隙原子。
空位表现出受主作用，间隙原子表现出施主作用。
3半导体中载流子的分布统计电子从价带跃迁到导带，称为本征激发。
一、状态密度状态密度g(E是在能带中能量E附近每单位间隔内的量子态数。
首先要知道量子态，每个量子态智能容纳一个电子。
导带底附近单位能量间隔内的量子态数目，随电子的能量按抛物线关系增大，即电子能量越高，状态密度越大。
二、费米能级和载流子的统计分布在T=0K时，费米能级E(f可看作是量子态是否被电子占据的一个界限。
附图：随着温度的升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的概率下降，占据高于费米能级的量子态的概率上升。
2波尔兹曼分布函数在E-E(f>>K(0T时，服从波尔兹曼分布（是费米能级的一种简化形式）。
半导体物理-9答辩
半导体物理 Semiconductor Physics
n型半导体的载流子浓度
以单一施主能级的n型半导体为例
半导体物理 Semiconductor Physics
电中性条件为
n0 p0 nD 或 n0 p0 ND nD
电子 = 空穴+正电中心
n0
Nc
exp(
Ec EF k0T
)
ND
nD D ND
D
未电离施主占施主杂质数的比例系数
D
2(
ND Nc
)
exp(
ED k0T
)
半导体物理 Semiconductor Physics
D_与温度、杂质浓度和杂质电离能都有关系。杂质 达到全部电离的温度不仅取决于电离能，也和杂质浓 度有关 杂质浓度越高，达到全部电离的温度越高 假定全部电离的标准是D_等于10%，那么可以由上式 求得某温度下某种杂质全部电离的浓度上限 上式还可以确定杂质全部电离时的温度
)
ND
1 2 exp( ED
EF
)
k0T
分区（温度）讨论
半导体物理 Semiconductor Physics
低温弱电离区
温度很低时，大部分施主杂质能级仍为电子所占据， 少量施主杂质发生电离。从价带到导带的本征激发更 是可以忽略不计。因此有，
p0 0, n0 nD
p0被歼灭
Nc
exp(
n 电离施主浓度
D
nD
ND
nD
ND[1
f
D
(E
)]
1
2
ND exp( ED
EF
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了解LED基本结构、工作过程和特性参数，了解各种不同类型LED。
理解等电子陷阱复合，解释等电子陷阱复合能提高半导体材料的发光 效率的原因。
解释各种俄歇过程。
画出能带图说明LED的发光机制。 掌握LED外量子效率和内量子效率概念。
第八章 半导体太阳电池和光电二极管
掌握提高提高太阳电池效率的主要措施。 了解光电二极管的工作原理。
了解P-I-N光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。
了解P-I-N光电二极管中。 掌握概念：量子效率、响应度、响应速度。
列出光电二极管与太阳电池的三个主要不同之处。
第八章 发光二极管
掌握JFET和MESFET的主要类型。
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
了解理想MOS结构基本假设及其意义。
根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系。
掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。 正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。 导出反型和强反型条件。 掌握理想MOS系统的电容—电压特性。 导出耗尽层宽度和归一化MOS电容表达式。 掌握沟道电导公式。
要成分。
第二章 PN结二极管
了解产生隧道电流的条件。 画出能带图解释隧道二极管的I－V特性。 了解隧道二极管的特点和局限性。
掌握概念：耗尽层电容、求杂质分布、变容二极管。
掌握C－V关系及其应用。 概念：交流导纳 扩散电导 扩散电阻 扩散电容 等效电路
了解二极管的开关特性。
掌握二极管的击穿机制。
掌握场效应晶体管的类型。
第八章 半导体太阳电池和光电二极管
掌握概念：光生伏打效应、暗电流。 理解光生电动势的产生。 画出理想太阳电池等效电路图。
根据电池等效电路图写出了太阳电池的I－V特性方程。
了解太阳电池的I-V特性曲线，解释该曲线所包含的物理意义。 画出实际太阳电池等效电路图根据等效电路图写出I－V特性方程。 掌握概念：转换效率、占空因数。 导出太阳电池的最大输出功率公式。 了解光产生电流和收集效率。
第五章 结型场效应晶体管与MS场效应晶体管
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
画出JFET的基本结构示意图 。
熟悉JFET的基本工作原理。 熟悉沟道夹断、漏电流饱和、夹断电压等概念。
掌握理想JFET的基本假设及其意义。
导出夹断前JFET的I－V特性方程。 深入理解沟道夹断和夹断电压的含义。 掌握线性区条件和I－V特性。 掌握饱和区条件和I－V特性。 掌握沟道长度调制效应。 掌握GaAs MESFET的突出特点。
第三章 双极结性晶体管
了解晶体管的基本结构及其制作工艺。
掌握四个概念：注射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共
发射极电流增益
了解典型BJT的基本结构和工艺过程。 掌握BJT的四种工作模式。 画出BJT电流分量示意图，写出各极电流及其相互关系公式。
分别用能带图和载流子输运的观点解释BJT的放大作用。
• 知识领域C：新型半导体光电子器件
– 知识单元C1：第八章 – 知识单元C2：第九章 半导体太阳电池与光电二极管 发光二极管与半导体激光器
第二章 PN结二极管
掌握下列名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单 边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势 差、势垒、正向注入、反向抽取、扩散近似。
分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区
（SCR)的形成。 正确画出热平衡和加偏压PN结的能带图。
利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式。
了解 Poisson方程求解单边突变结结 SCR 内建电场、内建电势、内建 电势差和耗尽层宽度。 掌握反偏压下突变结，耗尽层宽度公式。
解释理想BJT共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。
第三章 双极结性晶体管
理解理想双极结型晶体管的基本假设及其意义。 写出发射区、基区、集电区少子满足的扩散方程并解之求出少子分 布。 掌握正向有源模式基区输运因子公式。
掌握正向有源模式基区电子电流公式。
了解E－M方程中四个参数的物理意义 根据E－M方程写出四种模式下发射极电流和集电极电流表达式。 理解并记忆BJT四种工作模式下的少子分布边界条件 画出BJT四种工作模式下少子分布示意图。 了解缓变基区晶体管基区输运因子的计算。 理解电流集聚效应和基区宽度调变效应。
第二章 PN结二极管
了解理想PN结基本假设及其意义。
导出长PN结和短PN结少子分布表达式。 掌握Shockley公式。 解释理想PN结反向电流的来源。 画出正、反偏压下PN结少子分布、电流分布和总电流示意图。 理解并掌握概念：正偏复合电流、反偏产生电流。 理解低偏压下复合电流占优，随着电压增加扩散电流越来越成为主
知识回顾
• 半导体器件核心知识：
• 知识领域A：二极管与双极结型晶体管
– 知识单元A1：第二章 PN结二极管
– 知识单元A2：第三章
– 知识单元A3：第四章
双极结型晶体管
金属-半导体结
• 知识领域B：场效应晶体管
– 知识单元B1：第五章 – 知识单元B3：第六章 结型和金属-半导体场效应晶体管 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
掌握阈值电压公式。
了解在二氧化硅、二氧化硅－硅界面系统存在的电荷及其主要性质。 掌握实际阈值电压的公式及各项的意义。 导出萨支唐方程。 理解夹断条件的物理意义。
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
掌握交流小信号参数并导出线性导纳和饱和区跨导表达式。
指出提高工作频率或工作速度的途径。
掌握概念：表面势、热电子、热载流子二极管、里查森常数、有效里查森
常数。 导出半导体表面载流子浓度表达式。 导出电流－电压特性〔李查德－杜师曼方程〕。 了解MIS肖特基二极管工作原理。 掌握结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要特点。 了解肖特基势垒二极管的主要应用。
掌握欧姆接触概念和形成欧姆接触的条件。
第三章 双极结性晶体管
掌握概念：频率响应、共基极截止频率、共发射极截止频率、特征频率
（带宽）、基区渡越时间 导出基区渡越时间公式。
解释科尔克效应。
了解晶体管的开关特性。 熟悉晶体管穿通机制。
第四章 金属半导体结
了解金属—半导体接触出现两个最重要的效应 画出热平衡情况下的肖特基势垒能带图。 掌握肖特基势垒、内建电势差和空间电荷区宽度计算公式 。 画出加偏压的的肖特基势垒能带图，解释肖特基势垒二极管的整流特性。 理解界面态和镜像力对肖特基势垒高度的影响。