半导体器件原理

雪崩击穿

电子和空穴受到强电场作用，向相反的方向加速运动，获得很大的动能和很高的速度，就会发生碰撞电离，产生电子—空穴对。 电子和空穴还会继续发生碰撞，产生下一代载流子。如此继续下去，载流子的数量大量增加，这种产生载流子的方式称为载流子的倍增。 当反向电压增大到一数值时，载流子的倍增如同雪崩现象一样，载流子迅速增多，使反向电压急剧增大，从而产生了PN结的击穿，称为雪崩击穿。 缓变基区的自建电场（NPN晶体管）

缓变基区晶体管的基区存在杂质浓度梯度，基区的多数载流子（空穴）相应具有相同的浓度分布梯度，这将导致杂质向浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区的电中性将被破坏。为了维持电中性，必然在基区中产生一个电场，使空穴反方向的漂移运动来抵消空穴的扩散运动，这个电场称为缓变基区的自建电场。 JFET的本征夹断电压UP0

当栅压UGS增至耗尽层宽度时，成为全沟道夹断，沟道电导下降为零，定义使导电沟道消失所加的栅-源电压为夹断电压UP，此时，栅结上相应总电势差称为本征夹断电压UP0。 简要说明平衡PN结的空间电荷区是如何形成的（5分）。

P型和N型半导体接触，由于在界面处存在着电子和空穴的浓度差，N区中的电子要向P区扩散，P区中的空穴要向N区扩散。这样

雪崩击穿

电子和空穴受到强电场作用，向相反的方向加速运动，获得很大的动能和很高的速度，就会发生碰撞电离，产生电子—空穴对。 电子和空穴还会继续发生碰撞，产生下一代载流子。如此继续下去，载流子的数量大量增加，这种产生载流子的方式称为载流子的倍增。 当反向电压增大到一数值时，载流子的倍增如同雪崩现象一样，载流子迅速增多，使反向电压急剧增大，从而产生了PN结的击穿，称为雪崩击穿。 缓变基区的自建电场（NPN晶体管）

缓变基区晶体管的基区存在杂质浓度梯度，基区的多数载流子（空穴）相应具有相同的浓度分布梯度，这将导致杂质向浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区的电中性将被破坏。为了维持电中性，必然在基区中产生一个电场，使空穴反方向的漂移运动来抵消空穴的扩散运动，这个电场称为缓变基区的自建电场。 JFET的本征夹断电压UP0

当栅压UGS增至耗尽层宽度时，成为全沟道夹断，沟道电导下降为零，定义使导电沟道消失所加的栅-源电压为夹断电压UP，此时，栅结上相应总电势差称为本征夹断电压UP0。 简要说明平衡PN结的空间电荷区是如何形成的（5分）。

P型和N型半导体接触，由于在界面处存在着电子和空穴的浓度差，N区中的电子要向P区扩散，P区中的空穴要向N区扩散。这样

2014/10/16

2.2 PN结的直流电流电压方程PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明 PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。 PN结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为

本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。这称为“结定律”,并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN结两侧中性区内的少子浓度分布和少子扩散电流； 3、PN结的势垒区产生复合电流

P区 -xp xn

N区

2.2.1外加电压时载流子的运动情况平衡 PN结的能带图 P区 N区外加正向电压 V后，PN结势垒高度由 qVbi降为 q(Vbi -V), xd与 Emax减小，使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。外加电场内建电场

EC Ei

EF EVqVbi

EC EF Ei EV

P

N

E

平衡时外加正向电压时面积为 Vbi面积为 Vbi-V

0

x

正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp (在 N区中推导 ) 2、电子扩散电流密度 Jdn (在 P区中推导 ) 3、势垒区复合电流密度 Jr (在势垒区中推导 ) P区

J J dp J dn J r

Jdp N区

Jdn

势垒高度降低后不能再阻止 N区电子向 P区的扩散及

2014/10/16

2.2 PN结的直流电流电压方程PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明 PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。 PN结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为

本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。这称为“结定律”,并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN结两侧中性区内的少子浓度分布和少子扩散电流； 3、PN结的势垒区产生复合电流

P区 -xp xn

N区

2.2.1外加电压时载流子的运动情况平衡 PN结的能带图 P区 N区外加正向电压 V后，PN结势垒高度由 qVbi降为 q(Vbi -V), xd与 Emax减小，使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。外加电场内建电场

EC Ei

EF EVqVbi

EC EF Ei EV

P

N

E

平衡时外加正向电压时面积为 Vbi面积为 Vbi-V

0

x

正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp (在 N区中推导 ) 2、电子扩散电流密度 Jdn (在 P区中推导 ) 3、势垒区复合电流密度 Jr (在势垒区中推导 ) P区

J J dp J dn J r

Jdp N区

Jdn

势垒高度降低后不能再阻止 N区电子向 P区的扩散及

第八章 金属/半导体接触和MESFET

自从Lilienfeld和Heil在1930年提出场效应晶体管（FET）的概念起，直到20世纪50年代半导体材料工艺发展到一定水平后才做出了可以实际工作的器件。所谓场效应就是利用电场来调制材料的电导能力，从而实现器件功能。除了前面讨论过的MOS、MNOS、MAOS、MFS等都属于场效应器件外,还发展了结型场效应管(J-FET), 肖特基势垒栅场效应管（MES FET）等。本章从金属与半导体接触出发，讨论MES FET的结构和工作原理。

8.1. 肖特基势垒和欧姆接触 8.1.1. 肖特基势垒

当金属和半导体接触时，由于金属的功函数与半导体的功函数不同，在接触的界面处存在接触电势差，就会形成势垒，通常称为肖特基势垒。下面以金属与n型半导体接触为例来讨论肖特基势垒的特性。

(1) 理想情况：假定接触处的半导体表面不存在表面态，图8.1(a)是金属与半导体接触前的能带图(非平衡条件下，其中qφm和qφ

S

分别为金属和半导体的功

1

图8.1

函数，qχ为半导体的电子亲和（势）能。功函数定义为将一个电子从Fermi能级移到材料外面（真空能级）所需要的能量，电子亲和能是将一个电子从导带底移到真空能

半导体器件基础总复习

双极型晶体管部分

晶体管由两个 pn 结： 发射结和集电结将晶体管划分为三个区： 发射区、基区及集电区。 相应的三个电极称为发射极、基极和集电极，并用 E，B 和 C ( 或 e，b 和 c ) 表示。 晶体管有两种基本结构： pnp 管和 npn 管。

双极型 NPN 晶体管制造过程： 1、在 N 型衬底中扩散 P 型杂质；

2、在 P 型扩散区中再扩散 N型杂质； 3、在磷氧化层上开出基区和发射区接触孔； 4、蒸发金属；

5、光刻金属，引出及区、发射区引线； 6、制备集电极电极 7、切片、封装

发射效率 ??

JnEJnE??JEJnE?JpE1?1JpE

??1?1JnEDpepneWbDnbn0pbLpe20

可见提高 Ne / Nb，降低 R□e / R□b可提高发射效率，使γ 接近于 1。

1?Wb?JJ**?基区输运系数 ??nC?1?rB ??1??? 2?LJnEJnE?nb?1

半导体器件基础总复习

集电区倍增因子?*?1?1222qni?nC?pC?C 22两种类型晶体管均可适用

?WWnpn 晶体管共基电流放大系数 ??1?eb?b2

?bLpe2Lpe

1． 半导体硅材料的晶格结构是（ A ）

A 金刚石 B 闪锌矿 C 纤锌矿 2． 下列固体中，禁带宽度Eg最大的是（ C ） Ａ金属Ｂ半导体Ｃ绝缘体

3． 硅单晶中的层错属于（ C ）

Ａ点缺陷Ｂ线缺陷Ｃ面缺陷

4． 施主杂质电离后向半导体提供（ B ），受主杂质电离后向半导体提供（ A ），本征

激发后向半导体提供（ A B ）。 A 空穴 B 电子

5． 砷化镓中的非平衡载流子复合主要依靠（ A ）

A 直接复合 B 间接复合 C 俄歇复合 6． 衡量电子填充能级水平的是（ B ）

Ａ施主能级Ｂ费米能级Ｃ受主能级 D 缺陷能级

7． 载流子的迁移率是描述载流子( A )的一个物理量；载流子的扩散系数是描述载流子

( B ) 的一个物理量。

A 在电场作用下的运动快慢 B 在浓度梯度作用下的运动快慢

－－

8． 室温下，半导体 Si中掺硼的浓度为 1014cm3，同时掺有浓度为 1.1×1015cm3的磷，

则电子浓度约为（ B ），空穴浓度为（ D ），费米能级（ G ）；将该半导体升

（ ）半导体中的电子浓度越大，则空穴浓度越小。 （ ）同一种材料中，电子和空穴的迁移率是相同的。 （ ）非简并半导体处于热平衡状态的判据是n0p0=ni2。 （ ）PN结空间电荷区宽度随反偏电压的增大而减小。 （ ）MOSFET只有一种载流子（电子或空穴）传输电流。 （ ）平衡PN结中费米能级处处相等。

（ ）双极性晶体管的放大作用是在工作在饱和区。

（ ）要提高双极晶体管的直流电流放大系数α、β值，就必须提高发射结的注入系数和基区输运系数。

（ ）金属与N型半导体接触，如果金属的功函数大于半导体的功函数则形成欧姆接触，反之形成肖特基势垒接触。

（ ）场效应晶体管的源极和漏极可以互换，双极型晶体管的发射极和集电极也是可以互换的。

1．下列固体中，禁带宽度Eg最大的是（ ）

A金属 B 半导体 C 绝缘体 D超导体

2．受主杂质电离后向半导体提供（ ）

A 空穴 B 电子 C质子 D中子

3．硅中非平衡载流子的复合主要依靠（ ）

A 直接复合 B 间接复合 C 俄歇复合 D直接和间接复合

4．衡量电子填充能级水平的是

第八章 金属/半导体接触和MESFET

自从Lilienfeld和Heil在1930年提出场效应晶体管（FET）的概念起，直到20世纪50年代半导体材料工艺发展到一定水平后才做出了可以实际工作的器件。所谓场效应就是利用电场来调制材料的电导能力，从而实现器件功能。除了前面讨论过的MOS、MNOS、MAOS、MFS等都属于场效应器件外,还发展了结型场效应管(J-FET), 肖特基势垒栅场效应管（MES FET）等。本章从金属与半导体接触出发，讨论MES FET的结构和工作原理。

8.1. 肖特基势垒和欧姆接触 8.1.1. 肖特基势垒

当金属和半导体接触时，由于金属的功函数与半导体的功函数不同，在接触的界面处存在接触电势差，就会形成势垒，通常称为肖特基势垒。下面以金属与n型半导体接触为例来讨论肖特基势垒的特性。

(1) 理想情况：假定接触处的半导体表面不存在表面态，图8.1(a)是金属与半导体接触前的能带图(非平衡条件下，其中qφm和qφ

S

分别为金属和半导体的功

1

图8.1

函数，qχ为半导体的电子亲和（势）能。功函数定义为将一个电子从Fermi能级移到材料外面（真空能级）所需要的能量，电子亲和能是将一个电子从导带底移到真空能

1. P-N结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的原理 2. 简述晶体管开关的原理

3. 简述晶体管4个频率参数的定义并讨论它们之间的大小关系 4. 简述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、共同点和关系

5. 以NPN型晶体管为例，试论述晶体管在不同工作模式下基区少数载流子分

布特征及与晶体管输出特性间的关系

6. 请阐述MOSFET的基本结构并结合示意图说明在不同外置电压情况下其工

作状态和输出特性

7. 叙述非平衡载流子的产生和复合过程，并描述影响非平衡载流子寿命的因素 8. 论述在外加直流电压下P-N结势垒的变化、载流子运动以及能带特征 9. 试叙述P-N结的形成过程以及P-N结外加电压时其单向导电特征

10. 何谓截止频率、特征频率及振荡频率，请叙述共发射极短路电流放大系数与

频率间的关系

11. 请叙述晶体管四种工作模式并分析不同模式下基区少数载流子的分布特征 12. 请画出P型半导体理想MOS的C-V曲线，并叙述曲线在不同外加电信号作

用下的曲线特征及原因

13. 影响MOS的C-V特性的因素有哪些？它们是如何影响C-V曲线的 14. MOS中硅-二氧化硅，二氧化硅层中有哪些影响器件性能的不利因素 15. 介绍MIS结构及其特点，并结合能带变化论述理