2022年半导体器件与工艺期末复习资料 .pdf

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1、读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思pn结二极管的两个基本特性开关特性整流特性突变结模型近似 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。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=NA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

2、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？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。宽度：关系：pnnpDApnxxVVNNxx;精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 12 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思单边

3、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=

4、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

5、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。方程：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：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 12 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思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

6、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p

7、n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？J=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。 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通过中性区的电压降IR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

8、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。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。精选学习资料 - - - - -

9、- - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 12 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思有效存储电荷 / 渡越时间DQTscIVCt其中nPnpPPTIIIIIInn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？较大的反偏电流IR;降低少子寿命，即减小扩散长

10、度： 通过引入复合中心，如 Si中的 Au 或 Cu；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：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。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、缓变结突变结：带隙由一种半导体直接变为另一种半导体，如G

11、e/GaAs等 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跨骑型或 I 型交错型或 II 型错开型或 III型精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 12 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思同型异质结和反型异质结掺杂类型相同的称为同型异质结(Nn和 Pp)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

12、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

13、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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 12 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思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 (ms)：势垒高度为B0，理想情况下不随外加电压变化；电子从半导体流向金属(sm)：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 23 个数量级；因此，反向偏压下的p

14、n 结产生电流密度比起JsT可忽略不计，即JsTJs 反向偏压下肖特基二极管存在较大的隧穿电流。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。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

15、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、基极精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 12 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思电路符号（ 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 结的偏置情况正向有源或放大模式VBE正偏，VBC反偏电压饱和VBE正偏，VBC正偏反向有源VBE反偏，VBC正偏截止VBE反偏，VBC反偏晶体管的放大作用对共发射极，

16、电流增益为=IC/IB试画出 npn 和 pnp晶体管正向有源模式下的能带图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 12 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思共基极电流增益共发射极电流增益共基极电流增益ECPII0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T0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。IEp：发射区空穴电流 ICp：集电区空穴电流 IBB：EB 正偏下的复合电流Irec，其中 IBB=Irec=IE

17、p ICpIEn：基区注入发射区的电子电流，一般希望很小ICn：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）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 12 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思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。发射区禁带变窄效应非均匀掺杂效应基区宽度调制效应正偏大注入效应EB结内的复合电流电流集边和基区电阻效应简要说明 xB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

18、( 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

19、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maxffffT精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9

20、页，共 12 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思渡越时间晶体管中从发射区注入的载流子需要穿过基区和BC结耗尽区，再被集电区收集。这个过程需要一定的时间，称为渡越时间(实际上也包括 EB结和 BC结电容的充放电时间 )。存储时间（ 影响晶体管开关速度的）由于电容的存在，晶体管用在开关电路中的开关速度将取决于电容的充放电时间。尤其是基区，涉及到与少子电荷存储的注入和清除，这个时间的快慢直接影响电路的开关速度。肖特基钳位晶体管SCT是在 n-p-n 晶体管的基极与集电极之间加接有一个SBD 的BJT ，可以提高开关速度：减小电荷存储时间或降低电荷存储数量异质结双极晶体管是发射区、基区和收集区由

21、禁带宽度不同的材料制成的晶体管。特征是均匀掺杂组份渐变HBT光电导增益吸收区光生载流子电荷被收集的速率(实则是光电流IL)与光激发产生电荷的速率之比右图光电二极管施加反偏电压的pn结二极管，当光照发生时，二极管的反向电流急剧增加。瞬时光电流在空间电荷区产生的光电流对光照反应很快，故称作延迟光电流在中性区光生载流子的电流是由扩散产生的，相对比较慢，因此雪崩光电二极管在 PIN结构基础上，继续增加反向偏压(200V量级)，使之发生碰撞电离，此时的光电流增益约在20-50，称为太阳能电池在pn结没有施加电压 (但结区存在电场 )的半导体光电器件， 将光能转换成电能并传递给负载，往往需要相当大的面积。

22、太阳光光谱AM0 ：太阳照射角度为0 度，在大气层外 AM1 ：太阳照射角度为0度，在大气层内 AM1.5 ：太阳照射角度为48.2度光电探测器响应度光电流密度 JL与入射光功率 Pin的比值聚光太阳能电池通过聚光器将阳光聚在小面积上形成“焦斑”或“焦带”，并将其置于“焦斑”或“焦带”上，从而获得更多的电能输出的太阳能电池。多结太阳能电池针对太阳光谱， 在不同的波段选取不同带宽的半导体材料做成多个太阳能子电池，最后将这些子电池串联形成多结太阳能电池光致发光通过光激发产生过剩载流子而复合发光，适合各种薄膜和低维结构电致发光通过电流激发而发光，主要用于器件结构LED内量子效率辐射复合 Rr与整个过

23、程的总复合率R(包括非辐射复合 Rnr)之比； LED经辐射复合的光子数与入射到LED有源区的光子数或注入的电子数之比下图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 12 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思LED外量子效率以及损耗机制外量子效率： LED器件产生光子后，由于光子的随机发射，将不能全部出射，最终出射的光子数与入射的光子数或注入的电子数之比。三种损耗机制：再吸收、菲涅耳损耗临、界角损耗或内部反射损失Burrus 发光二极管在 LED表面刻蚀一个阱，光纤插入阱中，再用环氧树脂填充边发射发光二极管利用内部全反射原理设

24、计优势：上下折射率差异，使光限制在相对小的有源区发生全部反射，有利于从边缘、小区域和小角度出射，进而强化与光纤的耦合。LED的效率衰减GaN基LED随着注入电流的增加效率衰减LED效率的衰减主要有两种情况， a 量子井中电子空穴复合但并未产生光子，即所谓的非辐射复合。b电子空穴注入浓度不一，电子越过量子井而产生漏电流。上述两种情况都可导致LED效率的衰减，导致这两种情况发生的原因，主流说法包括俄歇复合；极化效应；位错密度；大的空穴质量和低注入（载流子均匀性）。受激辐射半导体激发态在入射光的作用下，出现与入射光频率、相位相同的光子，且半导体回到基态的过程。粒子数分布反转即激发态（E2）电子束大于

25、基态 （E1）电子束，以此产生光增益 （发射的光子数超过入射的光子数）FP腔光反馈出现光增益的光子到达两边的反射镜时，除了一小部分出射形成激光外，绝大部分在菲涅耳反射下回到共振腔以产生更多的光增益，从而增加了光增益的时间，产生更强的激射。布拉格光栅根据光栅周期的长短不同，可将周期性的光纤光栅分为短周期（1m）两类。对于短周期的光纤光栅，当光谱光波在其中传播时，两个反向传播的芯模 (导模)LP01之间产生能量耦合，形成特定波长为B的反射波，对于前向传播的LP01，模1=01；对于后向传播的LP01，模1=-01。两耦合模的传播常数差=201较大，这种光栅称为布拉格光栅。判断题pn 结在正、反偏时

26、是否皆存在隧穿电流？（否，反偏有，正偏无）反向击穿可逆吗？（是，可逆）结电容与平行板电容相似，与反偏电压无关，是否正确？（否）结电容一般大于存储电荷电容，是否正确？（否）结电容大小平方的倒数是不是外加反偏电压的线性函数？如果是，该关系可用来测量pn 结的什么参数？（是，可测内建电势Vbi和单边结掺杂浓度ND）pn 结二极管打开时间快于关断时间，是否正确？（是）异质结的电子势垒和空穴势垒不同，正确否？（是）表面态俘获多子，而形成少子势阱，正确否？（是）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 12 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟

27、读而精思晶格失配界面态形成势能尖峰，界面电阻很大（是）异质结的电流主要是热电子发射电流（是）偏压下肖特基势垒高度将发生变化，正确否？（是）肖特基二极管的开关速度比pn 结二极管速度快，正确否？（是）发射区的掺杂浓度一般大于基区、集电区的掺杂浓度，正确否？（是）较低的基区厚度不仅有利于提高发射区的发射效率，也有利于提升基区的传输能力，正确否？（是）正偏大注入时，基区电流IB不变，正确否？（错）梯度基区晶体管的基区电场由多数载流子形成。（对）异质结双极晶体管中的发射区采用组份渐变是为了消除能量尖峰，正确否？（是）粒子数发生反转时一定能产生激光发射？（错，不一定）发射区重掺杂如何引起电流增益的下降？什么是梯度基区晶体管？反向有源和正向有源在收集效率、掺杂浓度上有什么区别？晶体管跨导精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 12 页