半导体器件物理与工艺复习题(2012)

半导体器件物理复习题

第二章：

1） 带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差，也称能隙。

物理意义：带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低

2）什么是半导体的直接带隙和间接带隙？

其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处(p ＝0)。因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。这类半导体称为直接带隙半导体。

3）能态密度：能量介于E ～E+△E 之间的量子态数目△Z 与能量差△E 之比

4）热平衡状态：即在恒温下的稳定状态.(且无任何外来干扰,如照光、压力或电场). 在恒温下,连续的热扰动造成电子从价带激发到导带，同时在价带留下等量的空穴.半导体的电子系统有统一的费米能级,电子和空穴的激发与复合达到了动态平衡，其浓度是恒定的，载流子的数量与能量都是平衡。即热平衡状态下的载流子浓度不变。

5）费米分布函数表达式？

物理意义：它描述了在热平衡状态下,在一个费米粒子系统（如电子系统）中属于能量E 的一个量子态被一个电子占据的概率。

6

本征半导体价带中的空穴浓度：

7）本征费米能级Ei ：本征半导体的费米能级。在什么条件下，本征Fermi 能级靠近禁带的中央：在室温下可以近似认为费米能级处于带隙中央

8）本征载流子浓度n i : 对本征半导体而言，导带中每单位体积的电子数与价带每单位体积的空穴数相同,

即浓度相同，称为本征载流子浓度，可表示为n ＝p ＝n i . 或：np=n i 2

9) 简并半导体：当杂质浓度超过一定数量后，费米能级进入了价带或导带的半导体。

10) 非简并半导体载流子浓度:

且有: n p=n i

2 其中: n 型半导体多子和少子的浓度分别为:

p 型半导体多子和少子的浓度分别为:

第三章：

1）迁移率：是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大。定义为：

2）漂移电流: 载流子在热运动的同时，由于电场作用而产生的沿电场力方向的定向运动称作漂移运动。所构成的电流为漂移电流。定向运动的平均速度叫做漂移速度。在弱电场下，载流子的漂移速度v 与电场强度E 成正比, 定义为：

3）扩散电流：在半导体物质中，若载流子的浓度有一个空间上的变化，则这些载流子倾向于从高浓度的

4）非平衡载流子：处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0（此处

0是下标），可以比他们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。非平衡载流子多半是少数载流子。

5）复合中心：半导体中对电子和空穴起复合作用的杂质或缺陷。

6）间接复合：通过禁带复合中心进行的复合,通常在间接禁带半导体中较为显著，如硅晶.

7）亲和力，功函数？

8）隧穿效应：能量比势垒低的粒子，具有一定的概率穿透势垒的现象。

9）强电场效应：当半导体施加大电场时,σ成为电场的函数, 出现非线性传导现象,即偏离欧姆定律的强电场效应。

10）雪崩过程（现象）：在强电场的加速下,载流子将得到足够的动能,这些有较高能量的载流子与晶格中性原子相遇发生碰撞产生电离，产生新的电子-空穴对。这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下，重新获得能量，碰撞其它的中性原子使之电离，再产生更多的电子-空穴对。这种连锁反应继续下去，使空间的载流子数量剧增，就像雪崩一样.

第四章：

1) 异质结：由不同种半导体构成的pn 结（如硅-锗）

2) 单边突变结: 在交界面处，杂质浓度会产生突变，称为突变结。实际的突变结，两边的杂质浓度相差很多，称为单边突变结

m

q c τμ=

3) 什么是内建电势？它是如何保持热平衡的？

4) 单边突变结耗尽区宽度与偏压的关系:

5) 小注入: 注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的少子浓度，远小于平衡时的多子浓度，称为小注入.

n型：p0

6) 在热平衡时,

当加上偏压V后,在耗尽区边界上电子的浓度为: n n和n p分别表示?

7) 扩散长度?

8)

其中: J s为饱和电流密度

9) 三种复合机制: 直接复合,通过复合中心复合和表面复合.通过复合中心间接复合包括四种情况：电子从导带落入到复合中心称电子俘获；电子从复合中心落入价带称空穴俘获；电子从复合中心被激发到导带称电子发射；电子从价带被激发到复合中心称空穴发射。

10) p-n结产生电流的物理机制: p-n结在反向偏压下，势垒区处于载流子严重欠缺的非平衡状态，为了

恢复平衡，其中的复合中心就表现为产生载流子的产生中心（电子发射和空穴发射），产生出大量的电子

p型半导体一边，从而就形成了反向电流。

第五章：

1) 双极型三极管: 空穴和电子两种载流子参与导电. 浓度最高的p＋区域称为发射区；中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基区，基区的宽度需远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集电区。

2) 双极型晶体管有哪四种工作模式? 各模式射-基结和集-基结的偏压如何? 其中,放大模式下,射基

3) 共射电流增益定义为,其中α0为共基电流增益,定义为

4) 简述扩散电容的物理机理: 对于正偏p-n结，当外加偏压增大时，注入n区的空穴增加，在n区的空穴扩散区内形成空穴积累，为保持电中性条件，扩散区内电子浓度也相应增加（外电路提供）。电子注

入p区情形类似，这种扩散区中电荷随外加偏压变化而变化所产生的电荷存储效应等效为电容，称扩散电容。(即: 非平衡少数载流子在p-n结两边的中性区内的电荷存储所造成的 )

5) 势垒电容: 在p-n结势垒区，当外加电压变化时，引起积累在势垒区的空间电荷的变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充、放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。

6) 共射截止频率: 是BJT使得电流放大系数下降为0.707倍时的信号频率，其值决定于管子的结构.与

是共基截止频率fα的关系为

第六章：

1) 当理想MOS二极管偏压为正或负时,半导体表面可能会出现3种状况:积累现象,耗尽现象和反型现象.

2) 反型现象:当MOS二极管外加一很大的正电压时,在半导体表面的电子(少数载流子)数目大于空穴(多数载流子)，表面载流子呈现反型，称为反型现象．画出在强反型情况下,半导体表面附近的能带示意图.

3) 阈值电压: 在正常情况下，栅极电压产生的电场控制着源漏间沟道内载流子的产生。在强反型刚发生时的栅极电压称为阈值电压.

4) 平带电压: 对于实际的MOS系统，由于金属-半导体功函数差φms和Si-SiO2系统中电荷Q f的影响, 在外加栅极电压为0 时，半导体表面的能带即发生了弯曲，从而这时需要另外再加上一定的电压才能使能带拉平，这个额外所加的电压就称为平带电压.

5) 沟道: 半导体中由于外加电场引起的沿长度方向的导电层。如MOS结构中当在栅极和源极之间施加外部电压时在半导体表面形成的积累层及反型层。P沟道和N沟道场效应管，区别是它们的导电沟道区是P 型半导体还是N型半导体.

n沟道增强型管必须在栅极上施加正向偏压,且只有栅源电压大于阈值电压V T时才有导电沟道产生．

6) 增强型管导电沟道的形成机制: 当栅源电压V GS数值较小，吸引电子的能力不强，漏─源极之间仍无导电沟道出现。V GS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当V GS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏─源极间形成N型导电沟道。V GS 越大，作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P衬底表面的电子就越多,导电沟道越厚，沟道电阻越小。

7) 什么是短沟道效应: 沟道长度减小到一定程度后出现的一系列二级物理效应统称为短沟道效应.包括:影响阈值电压,迁移率场相关效应及载流子速度饱和效应,影响器件寿命和亚阈特性退化，器件夹不断.

其中影响阈值电压的原因: 对于短沟道MOSFET 器件，随着漏电压的增大，源漏空间电荷区会严重的延伸到沟道区，致使有效沟道长度变短，栅压控制的体电荷减少，从而造成阈值电压的偏移。

第七章：

1) 肖特基接触: 具有整流特性的金属-半导体接触.指金属和半导体材料相接触的时候，在界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒。势垒的存在才导致了大的界面电阻

2) 肖特基势垒二极管与p-n 结的比较：相同点: 单向导电性.不同点: pn 结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流,有显著的电荷存储效应；肖特基势垒二极管的正向电流主要是半导体多数载流子进入金属形成的，是多子器件，无积累，因此高频特性更好.

3) 在热电子发射的情形下，金属-半导体接触的电流-电压特性可以表示为

其中Js 为饱和电流密度:

4) 增强型和耗尽型场效应晶体管区别：场效应晶体管可区分为耗尽型和增强型两种。耗尽型场效应晶体管(D-FET)就是在0栅偏压时存在沟道、能够导电的FET; 增强型场效应晶体管(E-FET)就是在0栅偏压时不存在沟道、不能够导电的FET 。

5)肖特基栅控制原理：是通过栅极Schottky 势垒下面耗尽层厚度的变化来控制导电沟道宽度、并从而控制输出源-漏电流的。

6) 概述MESFET 的工作原理: N 沟道MESFET 工作时，需要在栅-源极间加一负电压(V GS <0)，使栅-源极间的P +

-N 结反偏，栅极电流I G ≈0，场效应管呈现很高的输入电阻。在漏-源极间加一正电压(V DS >0)，使N 沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流I D 。I D 的大小主要受栅-源电压V GS 控制，同时也受漏-源电压V D S 的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压V GS 对漏极电流I D （或沟道电阻）的控制作用，以及漏-源电压V DS 对漏极电流I D 的影响。

综合问题:

电荷贮存效应:

当pn 结外加正偏电压时，载流子向空间电荷区注入，致使p 区和n 区内均存在过剩少数载流子，空间电荷区边缘处的过剩少子浓度由正偏pn 结电压维持。当外加电压由正偏变为反偏时，空间电荷区边缘处的过剩少子浓度开始衰减，pn 结内存储的过剩少数载流子被移走，即电容放电，这种效应叫电荷贮存效应。

MOSFET 的工作原理:

MOSFET 中的电流是由反型层载流子在源漏之间的流动形成的。通过调节栅源电压来控制反型层厚度，进而调节反型层电荷密度和沟道电导，当晶体管偏置在非饱和区时，漏电流是栅源电压和漏源电压

)

17(exp n 2

s a kT q T A J B ?

?

? ??-=*φ

的函数；当晶体管偏置在饱和区时，漏电流仅受栅源电压影响。这就是 MOSFET 的工作原理。

亚阈值特性:

在 MOSFET 中当栅源电压小于阈值电压时，晶体管被偏置在弱反型模式下，由于亚阈值电导而产生一个较明显的静态偏置电流，即漏电流不为零，漏电流由扩散机制而非漂移机制控制。这种特性称为亚阈值特性。亚阈值电流特点：a 由扩散机制而非漂移机制控制 b 衬底浓度不同，亚阈值电流不同。

窄沟道效应:

对于MOSFET ，在沟道宽度的两侧有一个附加的空间电荷区，这些附加的电荷受栅压控制，应算到总体电荷中。随着沟道宽度的减小，边缘空间电荷区的影响变的显著，致使阈值电压发生偏移，这种效应称为窄沟道效应.

基区宽度调制效应:

又称厄尔利效应 对于双极晶体管，随着 B-C 结反偏电压的增加，B-C 结空间电荷区宽度增加，以致扩展进基区，使得基区宽度减小。基区宽度的变化使得少子浓度梯度发生变化，从而引起集电极电流发生变化，这种效应称为——

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. 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.

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间电荷区。

MESFET 的饱和电压: 就是沟道夹断时的源-漏电压. 当没有外加栅极电压,即V G =0时, 饱和电压V Dsat 为: 此时，源极和漏极将会被夹断.在夹断点有一个很大的漏极电流称为饱和电流I Dsat , 可通过耗尽区.

MESFET 的饱和电流为什么跟漏-源电压V D 无关?

在MESFET 夹断以后，当V D 进一步增加，则靠近漏极端的耗尽区将逐渐扩大，而夹断点将往源极端移动，如图(c)所示。然而，P 点处的电压维持为V Dsat ，因此，每单位时间由源极移往夹断点的电子数目以及沟道内的电流也维持不变，这是因为在沟道中，由源极到夹断点的电压降维持不变。当漏极电压大于V Dsat 时，电流基本上维持在I Dsat ，且与V D 无关。

)

25(0,22

=-=G bi s

D Dsat V V a

qN V ε

基区渡越时间：少子通过中性基区所用的时间.

描述pn 结内的复合电流:

正向偏压下，从n 区注入p 区的电子和 从p 区注入n 区的空穴，在势垒区内复合了一部分，构成另一股正向电流，称为复合电流. 低正向电压下,复合电流占主要地位; 较高正向偏压下,复合电流可以忽略。

计算（只限给解的表达式，不作数值计算）：

1） 一硅样品在热力学温度为T 时，其受主杂质浓度NA 。试求出需要加入多少施主杂质原子方可使其成为n 型，且费米能级比导带边缘低Vn 。参见P46，15题。

2） 求出硅在常温为T 时掺入下列杂质情形下电子空穴浓度及费米能级 （a ） 每立方厘米NA 个硼原子 （b ） 每立方厘米NA 个硼原子及ND 个砷原子。

3）计算在常温为T 下，一迁移率为μn 的电子的平均自由时间和平均自由程，设电子的有效质量为m n

4) 假设常温为T ，一个N 型半导体中，电子浓度在Δx 的距离中从n 1至n 2作线性变化，假设电子迁移率为μn . 计算扩散电流密度J n .

5) 写出载流子的基本连续性方程式: 其中: 第一项为漂移电流, 第二项为: 扩散电流

6) 写出在热平衡时，p 型和n 型中性区的总静电势差即内建电势V bi

则以内建电势为函数的总耗尽区宽度为：

对单边突变p-n 结， N A >>N D , 故有:

7) 一硅单边突变结，已知NA, ND,T 和n i ，计算在零偏压时的耗尽区宽度和最大电场．见第四章例2. 8) 对一硅突变结，已知NA, ND,T 和n i ，计算反向偏压 V 时的结电容．见第四章例4.

9) 已知一理想MOS 二极管的掺杂浓度N A , 温度T 和n i ，Si 的介电常数为εs , 氧化层的厚度为d, 介电常数为εox ，试计算表面耗尽区的最大宽度, 氧化层的电容C 0 和当强反型发生时的最小电容C min ．见第六章例1和2.

或作业5,6题.

)

31(dx

dn

qD nE q J n n n +=μ)

32(dx

dp

qD

pE q J p

p p -=μ

10) 设一长沟道MOSFET 的已知参数如下： L, Z, N A , μ n , C o , V T , V G , 求I Dsat . 见第六章15题.

11) 已知势垒高度ΦBn ，施主杂质浓度N D , 电子亲和力qχ，计算一个理想金属-硅肖特基势垒接触时的

V bi 和Φm . 见第七章1题.

其中: 且: V n = E C - E F / q .

若已知Si 的介电常数为εs , 在施加外偏压V 情况下, 耗尽区的宽度为? 见第七章3题.

)4(n n B bi V V -=φ