中科大半导体器件原理考试重点

《半导体器件原理》课程复习提纲

2017.12

基础：半导体物理、半导体器件的基本概念、物理效应。

重点：PN结、金半结、双极型晶体管、JFET、MESFET、MOSFET。根据物理效应、物理方程、实验修正等，理解半导体器件的工作原理和特性曲线，掌握器件的工作方程和各种修正效应，了解器件的参数意义，能够进行器件设计、优化、应用、仿真与建模等。

第一章：半导体物理基础

主要内容包括半导体材料、半导体能带、本征载流子浓度、非本征载流子、本征与掺杂半导体、施主与受主、漂移扩散模型、载流子输运现象、平衡与非平衡载流子。

半导体物理有关的基本概念，质量作用定律，热平衡与非平衡、漂移、扩散，载流子的注入、产生和复合过程，描述载流子输

运现象的连续性方程和泊松方程。（不作考试要求）

第二章：p－n结

主要内容包括热平衡下的p－n结，空间电荷区、耗尽区（耗尽层）、内建电场等概念，p－n结的瞬态特性，结击穿，异质结与高低结。

耗尽近似条件，空间电荷区、耗尽区（耗尽层）、内建电势等概念，讨论pn结主要以突变结（包括单边突变结）和线性缓变结为例，电荷分布和电场分布，耗尽区宽度，势垒电容和扩散电容的概念、定义，直流特性：理想二极管IV方程的推导；

对于考虑产生复合效应、大注入效应、温度效应对直流伏安特性的简单修正。PN的瞬态特性，利用电荷控制模型近似计算瞬变时间。结击穿机制主要包括热电击穿、隧道击穿和雪崩击穿。要求掌握隧道效应和碰撞电离雪崩倍增的概念，雪崩击穿条件，雪崩击穿电压、临界击穿电场及穿通电压的概念，异质结的结构及概念，异质结的输运电流模型。高低结的特性。

第三章：双极型晶体管

主要内容包括基本原理，直流特性，频率响应，开关特性，异质结晶体管。

晶体管放大原理，端电流的组成，电流增益的概念以及提高电流增益的原则和方法。理性晶体管的伏安特性，工作状态的判定，输入输出特性曲线分析，对理想特性的简单修正，缓变基区的少子分布计算，基区扩展电阻和发射极电流集边效应，基区宽度调制，基区展宽效应，雪崩倍增效应，基区穿通效应，产生复合电流和大注入效应，晶体管的物理模型E－M模型和电路模型G－P 模型。跨导和输入电导参数，低频小信号等效电路和高频等效电路，频率参数，包括共基极截止频率fα和共射极截止频率fβ的定义，特征频率f T的定义，频率功率的限制，其中少子渡越基区时间，提高频率特性的主要措施。开关特性的参数定义，开关时间的定义和开关过程的描述，利用电荷控制方程简单计算开关时间。

开关晶体管中最重要的参数是少子寿命。异质结双极型晶体管的结构及优点。

第四章：单极型器件

主要内容包括金半接触，肖特基势垒二极管，结型场效应晶体管，肖特基栅场效应晶体管，异质结MESFET。

金半接触包括肖特基势垒接触和欧姆接触，肖特基势垒高度，及它与内建电势的关系，可以把它看成单边突变结进行计算，肖特基效应，肖特基势垒二极管SBD的伏安特性。欧姆接触以及影响接触电阻的因素。结型场效应晶体管（JFET）的工作原理，伏安特性，使用缓变沟道近似模型等理想条件，伏安特性分为线性区和饱和区，分别定义了沟道电导（漏电导）和跨导。输出特性和转移特性曲线，直流参数，包括夹断电压V P，饱和漏极电流I DSS，沟道电阻，漏源击穿电压BV DS的定义及计算。简单理论的修正，利用电荷控制法分析沟道杂质任意分布对器件伏安特性的影响，高场迁移率对器件伏安特性的影响。交流小信号等效电路和高频等效电路，频率参数，特征（截止）频率f T的定义及计算，最高振荡频率f m的定义。肖特基栅场效应晶体管（MESFET）的工作原理与JFET相同，只不过用肖特基势垒代替pn结，MESFET的分类，伏安特性，沟道电导（漏电导）和跨导的概念，夹断电压和阈值电压的概念和计算。交流小信号等效电路，特征截止频率的定义，提高MESFET输出功率的一些主要措施，MESFET的建模，包括I－V、C－V、SPICE模型。异质结MESFET。

第五章：MOS器件

主要内容包括MOS结构，MOS二极管，MOS场效应晶体管，MOS 器件与双极晶体管的比较。

MOS结构基本理论，平带电压V FB，表面势，费米势的定义，表面状态出现平带、积累、耗尽反型情况。MOS器件表面强反型的判定条件。MOSFET的基本结构和工作原理，分类。阈值电压的定义及计算。直流伏安特性方程，弱反型（亚阈值）区的伏安特性，输出特性和转移特性曲线，直流参数，包括饱和漏源电流I DSS，截止漏电流，导通电阻，导电因子。交流小信号等效电路和高频等效电路，低频小信号参数，包括栅跨导的定义，以及栅源电压、漏源电压和串联电阻R S、R D对跨导的影响，提高跨导（增大β因子）的方法；衬底跨导，非饱和区漏电导，饱和区漏电导不为零主要由于沟道长度调制效应和漏感应源势垒降低效应（DIBL效应）。频率特性主要掌握跨导截止频率ωgm和特征截止频率f T的定义，以及提高频率特性的途径。了解MOSFET的功率特性（高频功率增益、输出功率和耗散功率）和功率结构，以及击穿特性的主要击穿机理：漏源击穿（漏衬底雪崩击穿、沟道雪崩击穿和势垒穿通）和栅绝缘层击穿。开关特性，主要以增强型P型MOSFET 倒相器为例，定义了开关时间，包括截止关闭时间和导通开启时间，引入MOSFET对地等效电容C GND,通过对C GND的充放电时间进行开关时间的简单计算。讨论了CMOS结构（CMOS器件）的基本工作原理和优点，简单介绍了CMOS工艺，分析了CMOS

结构的VTC曲线、上升下降时间和闩锁效应（寄生双极型晶体管效应），温度特性主要掌握迁移率和阈值电压与温度的关系。

MOS器件的短沟道效应（SCE）的物理起因和具体表现现象，包括阈值电压漂移、速度饱和效应、热电子效应(热载流子效应HCE）、寄生双极型晶体管效应等，造成器件的性能退化、可靠性下降问题。最后讨论了MOS器件小型化的规则，对于短沟道MOSFET保持长沟道特性的两个判定标准，恒定电场/恒定电压按比例缩小原则及存在一定的限制，更多的使用具有长沟道特性的最小沟道长度的经验公式进行设计。

第六章：新型半导体器件简介

主要内容包括现代MOS器件，CCD器件、存储器、纳米器件，功率器件，微波器件，光电子器件，量子器件等。（不作考试要求）