PN节学习总结心得体会半导体物理实用教案

1、第一章 p-n结 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法p-n结,形成,平衡状态,杂质分布:突变结,缓变结;空间电荷区:电场,电势,载流子浓度,空间电荷区宽度;正向、反向p-n结;正向阈值电压;耗尽层近似;势垒电容;变容二极管;扩散电容;p-n结击穿:定义,分类,碰撞电离率,倍增因子p-n结电流成分转换;正向I-V特性的讨论;大注入效应;p-n结击穿:电击穿,热击穿,雪崩击穿,隧道击穿;击穿电压影响因素及措施:球、柱、平面结,磨角势垒高度;正向电流公式;边界载流子浓度;实际扩散结势垒电容计算,查表;交流小信号特性分析方法,特性方程;雪崩击穿条件第1页/共28页第一页，共29页。第二章 双极型晶

2、体管的直流特性 2.1 晶体管的基本(jbn)结构和杂质分布 2.2 放大机理 2.3 直流I-V特性及电流增益 2.4 反向电流及击穿电压 2.5 直流特性曲线介绍 2.6 基极电阻 2.7 埃伯尔斯莫尔模型第2页/共28页第二页，共29页。第二章1 BJT直流特性(txng) 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法基本结构,杂质分布;发射结注入,基区输运,集电结收集;电流放大系数,中间参量;缓变基区自建电场;反向电流及击穿电压直流特性曲线;基极电阻;E-M模型 放大原理;载流子传输过程;缓变基区自建电场对载流子输运及分布的影响;放大系数影响因素及改善措施;击穿电压及相互关系;势垒穿通;厄尔

3、利效应 基区载流子(少子,电子)密度分布;电流密度分布;电流增益;缓变基区晶体管发射效率,方块电阻;基极电阻,等效功率法;分贝 第3页/共28页第三页，共29页。第三章 双极型晶体管的频率(pnl)特性 3.1 晶体管交流电流放大系数与频率(pnl)参数 3.2 晶体管的交流特性分析 3.3 晶体管的高频参数及等效电路 3.4 高频下晶体管中载流子的输运及中间参数 3.5 晶体管电流放大系数的频率(pnl)关系 3.6 晶体管的高频功率增益 3.7 工作条件对晶体管fT、Kpm的影响第4页/共28页第四页，共29页。第三章 频率特性 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法交流电流放大系数与频率

4、参数;高频参数及等效电路;高频下载流子输运及中间参数;高频功率增益;最佳高频功率增益;高频优值 基区宽变效应;高频下载流子输运及中间参数;工作条件对频率参数的影响 交流特性分析;高频参数及等效电路*放大系数的频率关系;高频优值 第5页/共28页第五页，共29页。第四章 双极型晶体管的功率特性 4.1 集电极最大允许工作电流 4.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响 4.3 有效基区扩展(kuzhn)效应 4.4 发射极电流集边效应 4.5 发射极单位周长电流容量 4.6 晶体管最大耗散功率PCM 4.7 二次击穿和安全工作区 第6页/共28页第六页，共29页。第四章 功率(gngl)特性 概

5、念和定义原理机理机制过程分析计算方法集电极最大允许工作电流;基区大注入自建电场;发射极有效长度、宽度;二次击穿;安全工作区;发射极镇流电阻 基区大注入对电流放大系数的影响;基区电导调制效应;有效基区扩展效应:均匀基区,缓变强场,缓变弱场;发射极电流集边效应;二次击穿:电流集中,雪崩注入 几个临界电流密度;热阻;耗散功率;转换效率 第7页/共28页第七页，共29页。第五章 二极管和双极型晶体管的开关特性 5.1 p-n结二极管的开关特性 5.2 晶体管的开关作用(zuyng) 5.3 晶体管的开关过程和开关时间 5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降第8页/共28页第八页，共29页。第五章 开关

6、(kigun)特性 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法开关时间,反向恢复时间,贮存时间,下降时间;晶体管开关时间定义;正向压降,饱和压降;临界饱和基极电流;过驱动电流;饱和,截止状态;电荷控制参数 开关作用;电荷存储效应;反向恢复过程;缩短二极管开关时间措施;晶体管开关作用,特点及要求;开关过程;电荷存储效应;提高开关速度的措施 反向恢复时间;贮存时间,下降时间;电荷控制法;电荷控制方程;开关时间 第9页/共28页第九页，共29页。第六章 结型场效应晶体管 6.1 基本工作原理 6.2 直流特性(txng)与低频小信号参数 6.3 交流特性(txng) 6.4 功率特性(txng) 6.5

7、 结构举例第10页/共28页第十页，共29页。第七章 MOS场效应晶体管 7.1 基本工作原理和分类 7.2 阈值电压 7.3 电流电压特性和直流特性曲线 7.4 击穿特性 7.5 频率特性 7.6 功率特性和功率MOSFET的结构(jigu) 7.7 开关特性 7.8 温度特性 7.9 短沟通和窄沟道效应第11页/共28页第十一页，共29页。第六章 JFET&MESFET 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法分类,符号;直流参数;交流参数;频率参数 基本结构,工作原理;特性曲线;特性影响因素;短栅器件的速度饱和效应;串联电阻的影响;温度效应 直流参数;交流参数;频率参数 第12页/

8、共28页第十二页，共29页。第七章 MOSFET 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法阈值电压;直流参数;小信号低频参数;高频功率增益;开关时间;短沟道效应,判据 基本结构,工作原理;阈值电压;击穿机制;雪崩注入及应用;沟道长度调制效应;漏区电场静电反馈效应;低频小信号模型;密勒效应;开关特性;温度特性;短沟道和窄沟道效应 阈值电压;直流特性分析;直流参数;低频参数;频率特性;开关时间 第13页/共28页第十三页，共29页。第八章 晶体管的噪声(zoshng)特性 8.1 晶体管的噪声(zoshng)和噪声(zoshng)系数 8.2 晶体管的噪声(zoshng)源 8.3 双极型晶体管的噪

9、声(zoshng) 8.4 JFET和MESFET的噪声(zoshng)特性 8.5 MOSFET的噪声(zoshng)特性第14页/共28页第十四页，共29页。第八章 噪声(zoshng)特性 概念和定义原理机理机制过程分析计算方法噪声,噪声系数;信噪比;热噪声;散粒噪声;1/f噪声;噪声频谱特性;诱生栅极噪声 分贝 第15页/共28页第十五页，共29页。一、简述下列概念：（每小题3分，共计30分）扩散电容特征频率隧道击穿噪声系数发射极有效长度夹断电压窄沟道效应发射极镇流电阻最高振荡频率散粒噪声二、 详述双极型晶体管的开关过程及改善开关特性的途径。（20分）三、 说明缓变基区自建电场的形成及

10、其对晶体管特性的影响。（10分）四、 试写出MOSFET阈值电压的表达式，解释其物理意义，并说明衬底偏置对MOSFET的阈值电压有何影响。（20分）第16页/共28页第十六页，共29页。五、 已知：均匀基区晶体管，Wb=1mm,Lnb=10mm,Lpe=5mm,b=0.05cm,e=0.0005cm.试计算、*、和.（20分）第17页/共28页第十七页，共29页。一、 扩散电容：正向p-n结外加电压的变化引起边界注入少子浓度的变化（1分），从而引起扩散区所积累的少子以及少子电荷数量的变化（1分），是由少子流入或流出扩散区实现的，可视为电容的充放电（1分），这种电容效应称之为扩散电容。隧道击穿：

11、当很高的反向偏压作用在两侧掺杂浓度都很高的p-n结上时（1分），有可能使p区的价带顶高于n区的导带底，此时p区部分价带电子的能量高于n区导带电子的能量，p区价带电子将按一定的几率穿透势垒到达n区导带，形成反向电流，这种效应称为隧道效应（1分），由隧道效应引起的击穿称为隧道击穿（1分）。发射极有效长度：由于发射极金属极条存在一定电阻，在大电流下，发射极电流在金属极条长度方向产生压降（1分），引起发射结上实际作用电压的变化，导致发射结注入电流密度不均匀（1分），规定：发射极金属极条端部至根部之间电位差等于kT/q时所对应的发射极条长度为发射极有效长度（1分）。窄沟道效应：当MOSFET的沟道宽度较

12、小时，在沟道宽度方向的两端耗尽层向两侧延伸部分所包含的电荷使栅下表面耗尽层中平均电荷密度增加（1分），有效阈值电压增大（1分），这种影响随沟道宽度减小而增大（1分），称之为MOSFET的窄沟道效应。最高振荡频率：由于电容的影响，晶体管的高频功率增益随工作频率的升高而减小（1分），在输入和输出端均共轭匹配的条件下（1分），晶体管最大功率增益对于1时所对应的频率称之为最高振荡频率。第18页/共28页第十八页，共29页。特征频率:高频下，由于结电容的分流作用（1分），随着工作频率升高，晶体管的共发射极电流放大系数下降（1分），当共发射极电流放大系数下降为1时对应的频率为特征频率（1分）。噪声系数：晶

13、体管除了将输入的信号和噪声放大输出外，本身还要产生一部分噪声（1分），因而输出端的信噪比总是比输入端的信噪比小（1分）。为了严格描述晶体管的噪声性能，定义晶体管的噪声系数为输入端信噪比与输出端信噪比之比（1分）。夹断电压：JFET的沟道厚度由于栅p-n结耗尽层厚度扩展而变薄（1分）。当栅结上外加反向偏压Vp使栅结耗尽层总厚度等于起始沟道厚度时，整个沟道被夹断（1分）。沟道夹断时所需加的栅源电压Vp称为夹断电压（1分）。发射极镇流电阻：为了有效地抑制电流集中二次击穿（1分），在大功率晶体管每一单元发射极条上加串联电阻，称之为发射极镇流电阻（1分）。当某一点电流集中时，该单元电流的增加使串联电阻上

14、的压降随之增加，真正作用在该单元发射结上的电压随之减小，则通过该单元的电流自动减小，避免了电流进一步增加而诱发二次击穿（1分）。散粒噪声：起源于电子管阴极发射电子数的无规则起伏。在半导体中载流子产生、复合过程的涨落引起参加导电的载流子数目在其平均值附近有起伏（1分），这种由于载流子数目的不规则变化而产生的噪声称之为散粒噪声（1分）。通常指越过p-n结势垒的载流子数目起伏所引起的噪声（1分）。第19页/共28页第十九页，共29页。二、详述双极型晶体管的开关过程及改善开关特性的途径。（20分）晶体管的开关过程包括开启过程，即晶体管由截止状态到饱和状态的过程和关闭过程，即晶体管由饱和状态到截止状态的

15、过程，又对应延迟过程、上升过程、存储过程和下降过程四个阶段。延迟过程：晶体管处于截止状态时，两个结均反偏（1分）。某一时刻基极输入正脉冲信号，形成基极电流，但集电极不能立即输出电流（1分）。因为此时基极电流先向反偏的发射结空间电荷区充电，使其宽度逐渐变窄，由起始的负偏压逐渐变为零偏以致正偏，使发射结向基区有了明显的载流子注入（1分），同时也向集电结充电，并在基区建立一定的少子积累，集电极才开始出现集电极电流（1分）。上升过程：随着发射结偏压由零向正偏逐渐增大，向基区注入载流子浓度增大，在基区建立起逐渐增大的少子浓度梯度和扩散流密度（1分），集电极电流逐渐增大（1分），直至晶体管达到饱和的边缘，

16、集电结零偏（1分）。在此过程中，基极电流继续向发射结和集电结充电和向基区提供与少子相应的多子的积累并补充其复合损失（1分）。在开启过程中，由基极电流向发射结、集电结的势垒电容充电，建立基区中载流子的积累和补充复合损失。开启过程结束后，基极电流将继续上述作用，最终使集电极电流达到最大值，集电结正偏，基区和集电区积累超量存储电荷，晶体管进入饱和状态。此时基极电流刚好维持发射区、基区和集电区积累电荷的复合损失。第20页/共28页第二十页，共29页。存储过程：由于超量存储电荷的存在，某一时刻基极输入负脉冲信号，集电极电流不能立即下降而维持较大的集电极电流（1分）。由于基极电流的抽取和复合，使超量存储电

17、荷消失（1分），基区少子浓度梯度开始减小，集电极电流才开始下降（1分）。同时基极电流的抽取使集电结正偏减小到零偏以至反偏（1分）。下降过程：基极电流进一步抽取基区积累载流子及发射结和集电结空间电荷区中载流子（势垒电容放电）（1分），使基区少子浓度梯度逐渐(zhjin)减小到零（1分），集电结反偏（1分），直至集电极电流下降到接近零（1分）。此后，基极电流继续抽取发射结电荷，直至发射结反偏，晶体管截止。 综上所述，晶体管的开关过程是发射结和集电结势垒电容的充放电、基区少子浓度梯度的建立或减小以及超量存储电荷的消失过程。为了改善开关特性，从器件设计方面：减小结面积以减小两个结的势垒电容（1分）；掺

18、金以减小npn管集电区少子寿命，可以减少超量存储和加快复合（1分）；采用外延结构并尽可能减小外延层厚度和降低外延层电阻率以减小存储空间和缩短集电区少子寿命（1分）。从使用方面：适当加大驱动电流和抽取电流；控制饱和深度；适当选择负载电阻（1分）。第21页/共28页第二十一页，共29页。三、说明缓变基区自建电场的形成及其对晶体管特性的影响。（10分）在缓变基区晶体管（平面管）的基区中，由于杂质浓度分布不均匀，有一定的浓度梯度，杂质电离后产生的多数载流子浓度分布也会有相同的梯度（1分）。这个浓度梯度引起多子自高浓度处向低浓度处扩散，但又被p-n结空间电荷区的边界所阻挡（1分），结果低杂质浓度侧富集多

19、子，而高杂质浓度侧过剩空间电荷，造成正、负电荷中心分离，形成电场（1分）。这个电场对多子产生漂移作用以抵抗扩散，当二者达到动态平衡时，形成稳定的电场，基区多子也维持稳定的分布（1分）。这种由于基区杂质分布缓变引起的电场称之为缓变基区自建电场。它使基区内各点电位不再相等，基区能带发生弯曲（1分）。在平面管中，杂质浓度的最大值不在基区的表面，因此形成的缓变基区自建电场有两个方向相反的部分，对基区少子的输运过程分别起到阻滞和加速的作用，分别称之为阻滞场和加速场（1分）。阻滞场区的宽度较小，往往被包含在发射结势垒区中，一般可忽略其作用（1分）。加速场对晶体管特性的影响是使少子在基区的输运过程中，在扩散

20、运动上叠加了漂移运动，少子将比在均匀基区中更快地到达集电结势垒边界处而被收集（1分），基区复合损失减小而输运系数增大，可比条件下，电流放大系数增大（1分），基区渡越时间缩短，基区输运系数截止频率提高，从而改善了晶体管的频率特性（1分）。第22页/共28页第二十二页，共29页。四、 试写出MOSFET阈值电压的表达式，解释其物理意义，并说明衬底偏置对MOSFET的阈值电压有何影响。（20分） MOSFET阈值电压是金属栅极下面的半导体表面呈现强反型，从而出现导电沟道时所需加的栅源电压。其表达式为：（8分）或 物理意义是：若在半导体表面建立反型层（1分），则在栅极上所加的电压（1分）必须能够在（1

21、）抵消金半接触电势差；（2）补偿氧化层中的固定氧化物电荷和其它正有效空间电荷之后，尚能（3）在半导体表面建立耗尽层电荷并（4）提供出现强反型层所对应的表面电势。（每项1分） 在MOSFET的衬底相对于源极施加反向电压时（1分），将使场感应结上压降增大（1分），场感应结两侧费米能级之差增大（1分），表面耗尽层的宽度（1分）与其中的空间电荷面密度相应地增加（1分），从MOSFET阈值电压的表达式可见，阈值电压将随衬底反偏的增加而增加（1分）。msioxdoxoxTVnNqkTCxqNCQVln2maxmsioxBoxoxTVnNqkTCQCQVln2max第23页/共28页第二十三页，共29页。五

22、、已知：均匀基区晶体管，Wb=1mm, Lnb=10mm, Lpe=5mm,b=0.05cm, e=0.0005cm. 试计算、*、和. （20分）解： （5分） （5分） （5分）或 或 （5分）998. 0505. 0110511114pebbeLW995. 010211212222*nbbLW993. 0005. 0002. 012122nbbpebbeLWLW993. 0*86.1422122nbbpebbeLWLW1第24页/共28页第二十四页，共29页。1、p-n结势垒高度计算公式适用于 的情况下。2、晶体管做开关运用时与理想开关的区别在于(ziy)：1 ；2 ；3 。3、p-n结的 击穿电压随禁带宽度Eg的增大而增高，是因为后者决定了 的大小。4、特征频率fT和最高振荡频率fM各自代表什么意义？“晶体管最高振荡频率高于特征频率”这种说法是否确切？为什么？5、为提高晶体管的开关速度，应尽可能地选择大的基极驱动电流。这种说法对不对？为什么？6.晶体管在开关运用和高频应用时，其工作状态有何区别？请说明高频管和开关管在电参数方面的共同要求，并简单分析它们在设计和使用上的不同要求。 第25页/共28页第二十五页，共29页。1、试从击穿机制上解释为什么雪崩和隧道击