半导体物理基础 总复习.docx

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半导体物理基础总复习

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第一章半导体物理基础

一、能带理论

1、能带的形成、结构：

导带、价带、禁带

•当原子结合成晶体时，原子最外层的价电子实际上是被晶体中所有原子所共有，称为共有化。

•共有化导致电子的能量状态发生变化，产生了密集能级组成的准连续能带---能级分裂

•价带：

绝对0度条件下被电子填充的能量最高的能带；结合成共价键的电子填充的能带。

•导带：

绝对0度条件下未被电子填充的能量最低的能带

2、导体、半导体、绝缘体的能带结构特点

•禁带的宽度区别了绝缘体和半导体；而禁带的有无是导体和半导体、绝缘体之间的区别；绝缘体是相对的，不存在绝对的绝缘体。

3、导电的前提：

不满带的存在

二、掺杂半导体

1、两种掺杂半导体的能级结构。

2、杂质补偿的概念

三、载流子统计分布

1、费米函数、费米能级：

公式1-7-9和1-7-10，及其简化公式1-7-11和1-7-12

2、质量作用定律，只用于本征半导体：

公式1-7-27

3、用费米能级表示的载流子浓度：

公式1-7-28和1-7-29

4、杂质饱和电离的概念（本征激发）

5、杂质半导体费米能级的位置：

公式1-7-33和1-7-37。

意义（图1-13，费米能级随着掺杂浓度和温度的变化）。

6、杂质补充半导体的费米能级

四、载流子的运输

1、（1.8节）载流子的运动模式：

散射－漂移－散射。

平均弛豫时间的概念

2、迁移率，物理意义：

公式1-9-4和1-9-5（迁移率与电子自由运动时间和有效质量有关），迁移率与温度和杂质浓度的关系

3、电导率，是迁移率的函数：

公式1-9-10和1-9-11

4、在外电场和载流子浓度梯度同时存在的条件下，载流子运输公式：

1-9-24～1-9-27

5、费米势：

公式1-10-5：

电势与费米能级的转换

6、以静电势表示的载流子浓度1-10-6和1-10-7或1-10-9和1-10-10

7、爱因斯坦关系：

反映了扩散系数和迁移率的关系。

在非热平衡状态下也成立。

公式1-10-11和1-10-12

五、非平衡载流子

1、概念：

平衡与非平衡（能带间的载流子跃迁）；过剩载流子

2、大注入和小注入

3、产生率、复合率、净复合率

4、非平衡载流子的寿命：

从撤销外力，到非平衡载流子消失。

单位时间内每个非平衡载流子被复合掉的概率，净负荷率

5、载流子的寿命：

反映衰减快慢的时间常数，标志着非平衡载流子在复合前平均存在的时间

6、准费米能级1-12-1、1-12-2

7、直接复合、间接复合

8、非平衡少子寿命与本征半导体的关系：

在掺杂半导体中，非平衡少子的寿命比在本征半导体中的短，和多子浓度成反比，即与杂质浓度成反比。

9、基本控制方程：

1-15-3、1-15-4、1-15-2

参考题（例子）

1、请画出导体、半导体、绝缘体的能带结构示意图，并解释它们之间的区别。

2、什么是费米能级？

请写出费米函数。

3、什么是质量作用定律？

它的适用范围？

4、请写出N型和P型半导体的费米能级公式，并解释其费米能级与掺杂浓度和温度之间的关系。

5、请画出两种杂质半导体的能级结构，并解释。

第二章PN结

一、热平衡PN结

1、PN结的形成，能带图形成原理以及结构（会画）

2、突变和缓变PN结

3、PN结的内建电势2-1-7和2-1-19

4、电势和电场的面积关系：

5、泊松方程：

电荷密度、电场、电势的关系

二、加偏压的PN结

1、能带的变化特点：

偏离平衡态，出现准费米能级（图2-5）；

2、扩散近似；正向注入和反向抽取：

边界处少子浓度与外加偏压的关系

3、边界条件2-2-1和2-2-12

三、理想PN结的直流电流－电压特性

1、理想情况的几个假设：

（1）～（4）

2、能够画出正、反偏压下PN结少子分布、电流分布和总电流示意图。

（图2-7、2－8）

3、公式2-3-16及其近似2-3-22

4、空穴和电子的扩散长度表达式及意义。

空穴和电子的扩散长度表达式及意义（两个意义：

扩散区域；少子扩散电流衰减为1/e）。

空穴扩散区、电子扩散区

四、空间电荷区的复合电流和产生电流

1、图2－11，分三个阶段

低偏压：

空间电荷区的复合电流占优势

偏压升高：

扩散电流占优势

更高偏压：

串联电阻的影响出现了

五、隧道电流

1、了解隧道电流的概念及产生条件。

2、江崎二极管的电流-电压特性（图2-13）

六、I-V特性的温度依赖关系

1、图2－14和2－15：

在相同电压下，电流随温度升高。

七、耗尽层电容（势垒电容、结电容）和扩散电容

1、概念、形成原因

2、扩散电容在低频正向偏压下特别重要。

八、PN结二极管的频率特性

1、二极管等效电路图2-19

2、二极管直流电导或扩散电导

扩散电容

九、电荷存储和反向瞬变

1、PN结的开关作用。

2、反向瞬变和电荷存储的概念

3、根据2－21的载流子分布，解释2－20所示的电流、电压特性（分三个阶段）。

十、PN结击穿

1、雪崩击穿的产生原理：

碰撞电离、倍增效应。

2、齐纳击穿：

由隧道效应产生

参考题（例子）

1、请画出PN结形成前后的能带图，并解释PN结形成过程。

2、什么是正向抽取和反向注入？

3、耗尽层电容和扩散电容是如何形成的？

4、分三个阶段解释反向瞬变。

第三章双极结型晶体管

一、双极结型晶体管的结构

1、NPN和PNP型晶体管的结构及电路符号。

“双极型”的解释。

2、图3－2：

硅平面外延NPN晶体管的版图和截面图。

3、图3-3：

硅平面外延NPN晶体管的净掺杂浓度分布

二、基本工作原理

1、四种工作模式对应的偏压情况

2、图3-5NPN晶体管共基极放大电路图及对应能带图

3、图3-6：

放大工作条件下的工作电流分量：

会画，解释各个电流的形成原理。

4、几个电流增益概念：

发射极注射效率、基区运输因子、共基极电流增益、共发射极电流增益。

三、正向有源工作模式下的电流传输

1、放大条件下，基极电流和集电极电流的表示方法。

（计算题）

图3-11

四、埃伯斯－莫尔方程

1、图3-15：

四种工作模式下的少数载流子分布，会画。

2、图3-14：

E-M等效电路

五、缓变基区晶体管

1、基区杂质分布不均；产生内建电场；加强电子漂移。

Webster效应：

相当于扩散系数增加一倍。

六、基区扩展电阻和电流聚集

1、发射极电流集聚效应：

基区扩展电阻的存在，使发射结电压降低，发射极电流集中在发射结边缘附近

解决方法：

采用周长/面积比很高的梳状结构。

七、基区宽度调变效应

1、基区宽度调变效应：

基区宽度与VCE的关系

2、Early效应：

IC与VCE的关系

八、晶体管的频率响应

1、截至频率的概念

2、各种频率的定义：

共基极截至频率、共发射极截至频率、增益－带宽乘积

3、影响载流子运输的4个延迟：

基区渡越时间（公式3-8-12）、发射结过渡电容充电时间、集电结耗尽层渡越时间、集电结电容充电时间。

公式3-8-15、3-8-16

4、Kirk效应：

也称为基区展宽效应

十、晶体管的开关特性

1、开：

饱和状态关：

截至状态

2、理解：

开－关过程与载流子的存储和运输有关，需要有一个过程

3、各开关时间的定义：

导通时间、上升和下降时间、贮存时间

4、最重要的贮存时间：

定义，与该时间相对应的载流子的存储和运输过程。

十一、击穿电压

1、根据击穿条件，分析“共发射极击穿电压比共基极击穿电压低很多”。

参考题（例子）

1、当BJT工作在放大条件下时，画出电流分布

2、名词解释：

Webster效应、Kirk效应、Early效应

3、请根据基区载流子的变化过程，解释晶体管的开关特性。

4、影响晶体管开关过程的时间是哪一个？

为什么？

5、计算题

第六章金属－氧化物－半导体场效应管

一、理想MOS结构的表面空间电荷区

1、理想MOS结构的假设

2、MOS电容器的结构：

半导体表面电荷层具有一定的厚度

3、表面势：

空间电荷区中电场的出现使半导体表面与体之间产生一个电位差

4、载流子的积累、耗尽和反型：

栅极电压、半导体表面载流子特点、能带图（图6-4）

5、反型和强反型条件：

6-1-19和6-1-20

MOSFET工作在强反型条件下。

6、导电沟道的概念

二、理想MOS电容器

1、分四种情况讨论MOS电容器的电容－电压特性：

积累区、平带情况、耗尽区、反型区（高频和低频），会画图6-7和图6-9。

三、沟道电导和阈值电压

1、什么是阈值电压。

公式6-3-7

2、沟道电导公式6-3-4

四、实际MOS的电容－电压特性

1、功函数的影响、截面陷阱和氧化物电荷的影响，使平带电压VFB<0

2、实际的阈值电压公式6-4-12，能够解释其中4项的来源。

五、MOS场效应晶体管

1、三种工作状态：

线性、开始饱和、饱和，对应的沟道变化情况

2、沟道夹断的原理

六、等效电路和频率响应

1、截至频率的概念，公式6-6-9，截至频率与那些因素有关

七、亚阈值区

1、亚阈值电流和亚阈值传导（弱反型）

八、MOS场效应晶体管的类型

九、影响阈值电压的其余因素

衬底掺杂（正比）、氧化层厚度（正比）——器件隔离作用、衬底反向偏压（正比）

十、器件尺寸比例

1、短沟道效应：

三种效应。

（线性区的阈值电压下降、迁移率场相关效应及载流子速度饱和效应、亚阈值特性退化，器件夹不断）

2、按比例缩小：

两种方式。

参考题（例子）

1、根据VG的变化，分三段（积累、耗尽、反型）定性地解释并画出MOS系统的C-V特性图。

2、什么是MOSFET的截至频率？

请写出公式，并解释与那些物理因素由关系。

3、什么是阈值电压？

解释阈值电压的构成（给出公式）

4、什么是按比例缩小？

请写出最小尺寸与参数的关系。