半导体器件工艺与物理期末必考题材料汇总综述

半导体期末复习补充材料

一、名词解释

１、准费米能级

费米能级和统计分布函数都是指的热平衡状态，而当半导体的平衡态遭到破坏而存在非平衡载流子时，可以认为分就导带和价带中的电子来讲，它们各自处于平衡态，而导带和价带之间处于不平衡态，因而费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然是适用的，可以分别引入导带费米能级和价带费米能级，它们都是局部的能级，称为“准费米能级”，分别用E F n、E F p表示。

２、直接复合、间接复合

直接复合—电子在导带和价带之间直接跃迁而引起电子和空穴的直接复合。

间接复合—电子和空穴通过禁带中的能级（复合中心）进行复合。

３、扩散电容

PN结正向偏压时，有空穴从P区注入N区。当正向偏压增加时，由P区注入到N区的空穴增加，注入的空穴一部分扩散走了，一部分则增加了N区的空穴积累，增加了载流子的浓度梯度。在外加电压变化时，N扩散区内积累的非平衡空穴也增加，与它保持电中性的电子也相应增加。这种由于扩散区积累的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为P-N结的扩散电容。用CD表示。

4、雪崩击穿

随着PN外加反向电压不断增大，空间电荷区的电场不断增强，当超过某临界值时，载流子受电场加速获得很高的动能，与晶格点阵原子发生碰撞使之电离，产生新的电子—空穴对，再被电场加速，再产生更多的电子—空穴对，载流子数目在空间电荷区发生倍增，犹如雪崩一般，反向电流迅速增大，这种现象称之为雪崩击穿。

1、PN结电容可分为扩散电容和过渡区电容两种，它们之间的主要区别在于

扩散电容产生于过渡区外的一个扩散长度范围内，其机理为少子的充放

电，而过渡区电容产生于空间电荷区，其机理为多子的注入和耗尽。

2、当MOSFET器件尺寸缩小时会对其阈值电压V T产生影响，具体地，对

于短沟道器件对V T的影响为下降，对于窄沟道器件对V T的影响为上升。

3、在NPN型BJT中其集电极电流I C受V BE电压控制，其基极电流I B受V BE

电压控制。

4、硅-绝缘体SOI器件可用标准的MOS工艺制备，该类器件显著的优点是

寄生参数小，响应速度快等。

5、PN结击穿的机制主要有雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿等等几种，其中发

生雪崩击穿的条件为V B>6E g/q。

6、当MOSFET进入饱和区之后，漏电流发生不饱和现象，其中主要的原因

有沟道长度调制效应，漏沟静电反馈效应和空间电荷限制效应。

二、简答题

1、发射区重掺杂效应及其原因。

答：发射区掺杂浓度过重时会引起发射区重掺杂效应，即过分加重发射区掺杂不但不能提高注入效率γ，反而会使其下降。

原因：发射区禁带宽度变窄和俄歇复合效应增强

２．MOSFET与双极晶体管相比有何优点？（6分）

MOS管：多子器件，驱动能力强，易集成，功耗低，适合于大规模集成电路，现已成为超大规模集成电路的主流形式。

双极器件：少子器件，速度较快，但集成度较低，功耗大，不适合于大规模集成电路。

7、对于PNP型BJT工作在正向有源区时载流子的输运情况；

答案：对于PNP型晶体管,其发射区多数载流子空穴向集电区扩散,形成电流

I EP，其中一部分空穴与基区的电子复合，形成基极电流的I B的主要部分，集

电极接收大部分空穴形成电流I CP，它是I C的主要部分。

8、热平衡时突变PN结的能带图、电场分布，以及反向偏置后的能带图和相

应的I-V特性曲线。（每个图2分）

答案：热平衡时突变PN结的能带图、电场分布如下所示，

反向偏置后的能带图和相应的I-V特性曲线如下所示。

9、在NPN 双极型晶体管正向有源区工作时，)exp(kT

qV I I BE S C =，]1)[exp(-=

kT qV I I BE F S B β，试求该器件正向电流增益F β，并说明提高F β的几种途径。其中，)exp(2kT qV W D N n qA I BE B B B i E C =，

]1)[exp(2-=kT

qV W D N n qA I BE E E E i E B 。（计算推导9分，措施6分）

答案：经推导计算可得，B

E E B B E B C

F W W D D N N I I ≈=β，提高F β的措施有：（1）增大发射区/基区浓度比，即发射区采取重掺杂；（2）增大基区少数载流子的扩散系数，即选用NPN 型器件；（3）增大发射区/基区厚度比，即减薄基区的厚度。

10、肖特基二极管（SBD ）是一种低功耗、大电流、超高速半导体器件。其显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V 左右，而整流电流却可达到几千安培。肖特基二极管多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。常用在彩电的二次电源

整流,高频电源整流中。

肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（Schottky ）命名的，SBD 是肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD ）的简称。SBD 不是利用P 型半导体与N 型半导体接触形成PN 结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。因此，SBD 也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极

管。

肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、铂等）A 为正极，以N 型半导体B 为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的多属-半导体器件。因为N 型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的自由电子，所以电子便从浓度高的B 中向浓度低的A 中扩散。显然，金属A 中没有空穴，也就不存在空穴自A 向B 的扩散运动。随着电子不断从B 扩散到A ，B 表面电子浓度表面逐渐降轻工业部，表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为B →A 。但在该电场作用之下，A 中的电子也会产生从A →B 的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。

基本原理是：在金属和N 型硅片的接触面上，用金属与半导体接触所形成的势垒对电流进行控制。肖特基与PN 结的整流作用原理有根本性的差异。其耐压程度只有40V 左右，大多不高于60V ，以致于限制了其应用范围。其特长是：开关速度非常快：反向恢复时间特

别地短。因此，能制作开关二极和低压大电流整流二极管。 肖特基二极管（SBD ）的主要特点：

1）正向压降低：由于肖特基势垒高度低于PN 结势垒高度，故其正向导通门限电压和 正向压降都比PN 结二极管低（约低0.2V ）。

2）反向恢复时间快：由于SBD 是一种多数载流子导电器件，不存在少数载流子寿命和反向恢复问题。SBD 的反向恢复时间只是肖特基势垒电容的充、放电时间，完全不同于PN 结二极管的反向恢复时间。由于SBD 的反向恢复电荷非常少，故开关速度非常快，开关损

耗也特别小，尤其适合于高频应用。

3）工作频率高：由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微，所以其频率响仅为RC 时间常数限制，因而，它是高频和快速开关的理想器件。其工作频率可达100GHz 。

4）反向耐压低：由于SBD 的反向势垒较薄，并且在其表面极易发生击穿，所以反向击穿电压