半导体器件物理复习(施敏)

1、第一章1、费米能级和准费米能级费米能级：不是一个真正的能级，是衡量能级被电子占据的几率的大小的一个标准，具有决定整个系统能量以及载流子分布的重要作用。准费米能级：是在非平衡状态下的费米能级，对于非平衡半导体，导带和价带间的电子跃迁失去了热平衡，不存在统一费米能级。就导带和价带中的电子讲，各自基本上处于平衡态，之间处于不平衡状态，分布函数对各自仍然是适应的，引入导带和价带费米能级，为局部费米能级，称为“准费米能级”。2、简并半导体和非简并半导体简并半导体：费米能级接近导带底(或价带顶)，甚至会进入导带(或价带)，不能用玻尔兹曼分布，只能用费米分布非简并半导体：半导体中掺入一定量的杂质时，使费米能

2、级位于导带和价带之间3、空间电荷效应当注入到空间电荷区中的载流子浓度大于平衡载流子浓度和掺杂浓度时，则注入的载流子决定整个空间电荷和电场分布，这就是空间电荷效应。在轻掺杂半导体中，电离杂质浓度小，更容易出现空间电荷效应，发生在耗尽区外。4、异质结指的是两种不同的半导体材料组成的结。5、量子阱和多量子阱量子阱：由两个异质结或三层材料形成，中间有最低的EC和最高的EV，对电子和空穴都形成势阱，可在二维系统中限制电子和空穴当量子阱由厚势垒层彼此隔开时，它们之间没有联系，这种系统叫做多量子阱6、超晶格如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来分立的能级扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、

3、宽度及势垒的厚度有关，这种结构称为超晶格。7、量子阱与超晶格的不同点a.跨越势垒空间的能级是连续的b.分立的能级展宽为微带另一种形成量子阱和超晶格的方法是区域掺杂变化第二章1、空间电荷区的形成机制当这两块半导体结合形成p-n结时，由于存在载流子浓度差，导致了空穴从p区到n区，电子从n区到p区的扩散运动。对于p区，空穴离开后，留下了不可动的带负电的电离受主，这些电离受主，没有正电荷与之保持电中性，所以在p-n结附近p区一侧出现了一个负电荷区。同理，n区一侧出现了由电离施主构成的正电荷区，这些由电离受主和电离施主形成的区域叫空间电荷区。2、理想p-n结理想的电流-电压特性所依据的4个假设：a.突变

4、耗尽层近似 b.玻尔兹曼统计近似成立c.注入的少数载流子浓度小于平衡多数载流子浓度 d.在耗尽层内不存在产生-复合电流3、肖克莱方程（即理想二极管定律）总电流之和J=Jp+Jn=J0expqVkT-1，其中J0=qDp0ni2LpND+qDnni2LnNA肖克莱方程准确描述了在低电流密度下p-n结的电流-电压特性，但也偏离理想情形，原因：a耗尽层载流子的产生和复合 b在较小偏压下也可能发生大注入c串联电阻效应 d载流子在带隙内两个状态之间的隧穿表面效应4、p-n结为什么是单向导电在正向偏压下，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。在反向偏压下，空穴和电子都向远离界面的方向

5、运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过，反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大，电流会大到将PN结烧毁，表现出pn结具有单向导电性。5、扩散电容和势垒电容扩散电容：p-n结正向偏置时所表现出的一种微分电容效应势垒电容：当p-n结外加电压变化时，引起耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。6、击穿的机制击穿仅发生在反向偏置下a.热击穿：在高反向电压下，反向电流引起热损耗导致结温增加，结温反过来又增加了反向电流，导致了击穿b.隧穿:在强电场下，由隧道击穿，使电子从价带越过禁带到达导带所引起的一种击穿现象c.雪崩倍增：当p-n结加的反向电压增加时，电子和空穴

6、获得更大的能量，不断发生碰撞，产生电子空穴对。新的载流子在电场的作用下碰撞又产生新的电子空穴对，使得载流子数量雪崩式的增加，流过p-n结的电流急剧增加，导致了击穿6、同型异质结和反型异质结同型异质结：两种不同的半导体材料组成的结，导电类型相同异型异质结：两种不同的半导体材料组成的结，导电类型不同8、异质结与常规的p-n结相比的优势异质结注入率除了与掺杂比有关外，还和带隙差成指数关系，这点在双极晶体管的设计中非常关键，因为双极晶体管的注入比与电流增益有直接的关系，异质结双极晶体管(HBT)运用宽带隙半导体材料作为发射区以减小基极电流第三章1、肖特基二极管肖特基二极管是一种导通电压降较低，允许高速

7、切换的二极管，是利用肖特基势垒特性而产生的电子元件，一般为0.3V左右，且具有更好的高频特性优点：其结构给出了近似理想的正向I-V曲线，其反向恢复时间很短，饱和时间大为减少，开关频率高。正向压降低，工作在0.235V缺点：其反向击穿电压较低及方向漏电流偏大2、肖特基二极管和普通二极管相比优：开关频率高，正向电压降低 缺：击穿电压低，反向电流大3、欧姆接触欧姆接触定义为其接触电阻可以忽略的金属-半导体接触它不产生明显的附近阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变，重掺杂的p-n结可以产生显著的隧道电流，金属和半导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子也要通过

8、隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。制造欧姆接触的技术：a.建立一个更重掺杂的表面层b.加入一个异质结，附加一个小带隙层材料、同种类型半导体的高掺杂区4、整流接触肖特基势垒是指具有整流特性的金属-半导体接触面（形成阻挡层），如同二极管具有整流特性。肖特基势垒相较于PN接面最大的区别在于具有较低的接面电压，以及在金属端具有相当薄的耗尽层宽度。5、区别金属-半导体接触的电流输运主要依靠多子，而p-n结主要依靠少数载流子完成电流输运第四章1、MIS的表面电场效应当VG=0时，理想半导体的能带不

9、发生弯曲，即平带状态，在外加电场作用下，在半导体表面层发生的物理现象，主要在载流子的输运性质的改变。表面势及空间电荷区的分布随电压VG而变化。归纳为三种情况：积累，耗尽，反型。对于p型半导体多子积累：当金属板加负电压时，半导体表面附近价带顶向上弯曲并接近于费米能级，对理想的MIS电容，无电流流过，所以费米能级保持水平。因为载流子浓度与能量差呈指数关系，能带向上弯曲使得多数载流子（空穴）在表面积累耗尽：当施加小的正电压时，能带向下弯曲，多数载流子耗尽反型：施加更大的正电压，能带更向下弯曲，以致本征费米能级和费米能级在表面附近相交，此时表面的电子（少数载流子）数大于空穴数，表面反型2、解释MIS的

10、C-V曲线图高低频的差异是因为少数载流子的积累a.低频时，左侧为空穴积累时的情形，有大的半导体微分电容，总电容接近于绝缘体电容；当负电压降为零时，为平带状态；进一步提高正向电压，耗尽区继续扩展，可将其看作是与绝缘体串联的、位于半导体表面附近的介质层，这将导致总电容下降，电容在达到一个最小值后，随电子反型层在表面处的形成再次上升，强反型时，电荷的增量不再位于耗尽层的边界处，而是在半导体表面出现了反型层导致了大的电容。b.高频时，强反型层在s2B处开始，一旦强反型发生。耗尽层宽度达到最大，当能带弯曲足够大，使得s=2B时，反型层就有效的屏蔽了电场向半导体内的进一步渗透，即使是变化缓慢的静态电压在表

11、面反型层引发附加电荷，高频小信号对于少数载流子而言变化也是很快的。增量电荷出现在耗尽层的边缘上第五章1、三种接法共基、共射、共集2、四种工作状态放大：发射极正偏，集电极反偏 饱和：都正偏截止：都反偏 发向：发射极反偏，集电极正偏3、Kirk效应（基区展宽效应）在大电流状态下，BJT的有效基区随电流密度增加而展宽，准中性基区扩展进入集电区的现象，称为Kirk效应产生有效基区扩展效应的机构主要是大电流时集电结N-侧耗尽区中可移动电荷中和离化的杂质中心电荷导致空间电荷区朝向远离发射结方向推移。4、厄尔利效应（基区宽度调制效应）当双极性晶体管（BJT）的集电极发射极电压VCE改变，基极集电极耗尽宽度W

12、B-C（耗尽区大小）也会跟着改变。此变化称为厄利效应5、发射区禁带宽度变窄在重掺杂情况下，杂质能级扩展为杂质能带，当杂质能带进入了导带或价带，并相连在一起，就形成了新的简并能带，使能带的状态密度发生变化，简并能带的尾部伸入禁带，导致禁带宽度减小，这种现象称为禁带变窄效应。发射区禁带变窄使基区注入到发射区的空穴扩散电流增加，从而使电流增益减小。 6、提高开关性能速度的方法a.引入与集电结并联的肖特基势垒箝位（减小来自集电区的少子注入）b.缩短基区的少子寿命 c.选择负载和偏置以使开态时不工作在饱和区7、为什么选用n-p-n结构由于电子的迁移率比空穴的迁移率高第六章1、短沟道效应当源和漏的耗尽区可

13、以与沟道长度相比拟时，缓变沟道的近似不在成立，这个二维电势分布会导致阈值电压随沟道长度的缩短而下降，亚阈值特性降级以及由于遂穿穿透效应而使饱和电流失效。在沟道出现二维电势分布以及高电场，这些不同于长沟道MOS场效应晶体管特征的现象，统称为短沟道效应。2、DIBL漏致势垒降低效应当源和漏的耗尽层宽度约等于短沟道长度时，会产生穿通。穿通的结果是漏源之间产生很大的漏电流。产生穿通的原因是源端势垒降低通常称为DIBL。当漏源相距很小时（即沟道长度足够短），漏极电压的增加将减小源端势垒，此势垒降低效应导致电流增加，此效应称为漏极导致势垒下降效应。3、SOI（绝缘层上的硅）MOSFET被制作在绝缘衬底上，

14、如果沟道层为单晶硅，称为SOI。SOI衬底的优点：a.改善了MOSFET按比例缩小 b.亚阈值摆幅得到改善 c.埋氧层能减小对衬底的电容d.提高电路的集成度 e.消除了CMOS电路中闩锁现象SOI缺点：a.高芯片成本 b.Kirk效应造成差的热导特性4、TFT薄膜晶体管MOSFET被制作在绝缘衬底上，如果沟道层为非晶或多晶硅时，称为薄膜晶体管TFT。缺点：电流有限且泄露电流较大。5、SET（单电子晶体管）单电子晶体管是用一个或几个电子就能记录信号的晶体管，体积可以做到非常小，可以到纳米尺度。第七章1、JFET结型场效应晶体管JFET的电容是由耗尽层形成的，其本质上是一种电压控制电阻器，是由p-

15、n结栅极、源极、漏极定义：JEFT是由p-n结栅极源极漏极构成的一种具有放大功能的三端有源器件。工作原理就是通过电压改变沟道的导电性来实现对输出电流的控制。优点：JFET和MESFET避免了MOSFET中与氧化物-半导体界面有关的问题； 缺点：对输入栅的偏压范围有限制a为沟道厚度b为沟道有效通道WD为耗尽层宽度2、MESFET金属半导体场效应晶体管定义：MESFET是一种由肖特基势垒栅极构成的场效应晶体管，具有三个金属半导体接触，一个肖特基接触作为栅极以及两个当作源极与漏极的欧姆接触。（MEFET的电容是由耗尽层形成的）、3、MODFET调制掺杂场效应晶体管MODFET的电容是由氧化层形成的定

16、义：MODFET是异质结场效应晶体管（HFET）的通称，它使用两种具有不同能隙的材料形成异质结。宽禁带材料是掺杂的，载流子扩散到不掺杂的窄禁带层，在不掺杂的异质结界面形成沟道。这种调制掺杂的结果是位于不掺杂的异质结界面沟道中的载流子与掺杂区分离，由于没有杂质散射，可得到很高的迁移率。优点：高迁移率4、调制掺杂当对宽禁带材料掺杂时，由杂质提供的载流子会转移到异质界面形成高迁移率的沟道，高迁移率是因为沟道本身不掺杂，从而避免了杂质散射，这种技术称为调制掺杂。第八章1、隧道二极管隧道二极管由一简单的p-n结所组成，而且p型和n型都是重掺杂半导体。重掺杂的材料，载流子浓度很高，形成突变结，只要外加很小

17、的电压，就会有大量的电子穿过PN结，形成隧道电流。对于一定的杂质浓度的单质半导体，隧道电流随外加电压增高达到一个最大值，外加电压再增高，则隧道电流就很快下降，直到消失。但这时外加电压已比较高，电子和空穴已具有一定的能量，能以扩散的方式通过阻挡层，形成正向电流。所以隧道电流消失时，总电流并不为0。2、能带图解释I-V特性a.热平衡状态， EF以上，结两侧没有电子，EF以下，结两侧没有空穴，因此外电压为0时，没有隧道电流；b.正向偏置，存在一个共同的能量区间，n型一侧填满，p型一侧未被占据，因而电子可从n型一侧隧穿到p型一侧，隧穿电流可达到峰值；c.正向电压进一步增加，共同的能量区间减小，n型一侧

18、导带底和p型一侧价带顶对齐，这时相对于填充状态没有可用的空能态，因而隧穿电流减小到零；d.电压再进一步增加，正常的扩散电流和过剩电流就开始起主要作用，电流随电压呈指数增加，无隧道电流；e.加反向偏压，电子从价带隧穿到导带，且隧穿电流随偏压的增加呈不确定性，不再有微分负阻区；3、制备隧道二极管方法a.球合金：把含有高固溶度相反掺杂剂的金属合金小球放在重掺杂的半导体衬底表面，在惰性气体或氢气内通过精确控制温度-时间过程进行合金b.脉冲键合：当半导体衬底与含相反掺杂剂的金属合金之间用脉冲键合法成结时，就同时制成了接触和结；c.平面工艺：平面隧道二极管用平面工艺制造，平面工艺包括外延生长、扩散和可控合

19、金；4、隧穿几率提高隧穿几率：a.有效质量小 b.小的禁带宽度小 c.电场大5、反向二极管反向二极管是一种反向导电性优于正向导电性的一种二极管。它的核心是一个高掺杂的p-n 结，结的一边是简并的，另一边掺杂浓度稍低一点，接近简并又不完全简并 (即Fermi能级不进入能带)的半导体。加正偏电压，无隧道效应；加反偏电压，电子很容易从价带隧穿到导带，产生隧道电流。 因为p-n结的隧道击穿电压比其正向导通电压还低，故这种二极管的伏安特性曲线，在较小电压范围内与普通p-n结二极管的恰好相反，从而称为反向二极管。第十章1、转移电子效应转移电子效应是导带电子从高迁移率的能谷向低迁移率的高能卫星谷转移的效应。

20、（属于带内跃迁）2、转移电子要满足的条件a.晶格温度足够低，使得在无偏置电场时，大部分电子处在导带低能谷内；b.低能谷内，电子迁移率高，有效质量小；高卫星谷内，电子迁移率低，有效质量大，态密度高；c.两个谷之间的能量间隔必须小于半导体的带隙，不至于发生雪崩击穿3、实空间转移对于实空间转移，载流子是在两个材料之间转移而不是在两个能带之间转移，在低场时，电子在驻留在EC小的材料中，其迁移率高在高场时，载流子有足够的能量，就会流入邻近的低迁移率的材料4、转移电子效应与实空间转移区别共同点：在高场下，载流子被转移到低迁移率，低漂移速度的另一个空间，转移的结果是实现偏压增加而电流降低，即产生微分负阻不同

21、点：它们发生在完全不同的空间，转移电子效应发生在能量-动量空间，而实空间转移是发生在两个材料的异质界面第十二章1、发光类型a.由光辐射引发的光致发光；b阴极射线致发光；c.辐射致发光；d.电致发光；2电致发光方法a.注入；b.本征激发；c.雪崩过程；d.隧穿过程3、等离子中心引入氮后，在晶格上取代部分磷原子，氮与磷具有相似的外层电子结构，但是它们的内层电子结构是不同的，这一差异造成接近导带处的电子陷阱能级，复合中心由此产生，称为等离子中心4、内部量子效应对于一个给定的输入功率，辐射复合和非辐射复合之间的相互竞争，每一个带与带之间的跃迁和通过陷阱的跃迁既可以辐射复合，也可以非辐射复合。内部量子效

22、应in为载流子电流转化为光子的效率，定义为in=内部发射光子数通过结的载流子数5、外部量子效应光学效率op：描述发射到器件外部的光效率的参数净外部量子效率ex=外部发射光子数通过结的载流子数=inop6、激光器工作原理激光器中，激光介质须经过泵激使原子处于激发状态，受激原子所含能量比较高，向低层级跃迁时就会释放能量，释放的能量转化为光子的形式分布反转：为了增强激光工作所需的受激辐射，需要分布反转7、激光器结构基本结构为被一定的光学设计表面所包围的p-n结，垂直于p-n结的是一对相互平行的被理解或抛光的平面，二极管的其他两个面制作粗糙，以减小激光在其他方向的传播平，这种结构称为法布里-珀罗共振腔。基本组件：工作介质、激励源、光学谐振腔8、激光器退化a.突发性退化：在大功率工作时镜面上形成坑槽而受到永久性的损伤；b.暗线缺陷形成：工作时形成的错位网 c.缓变退化第十三章1、光电探测器三个基本过程：a.入