微电子器件原理2014年下期知识点小结资料

重要知识点

PN结：

半导体的一个区均匀掺杂了受主杂质，而相邻的区域均匀掺杂了施主杂质，这种PN结称为同质结。

在冶金结两边的p区与n区内分别形成了空间电荷区或耗尽区，该区内不存在任何可以移动的电子或空穴。

由于耗尽区内存在净空间电荷密度，耗尽区内有一个电场，电场方向由n区指向p区。

空间电荷区内部存在电势差，在零偏压的条件下，该电势差即内建电势差维持热平衡状态，并且在阻止n区内多子电子向p区扩散的同时，阻止p区内多子空穴向n区扩散。

PN结的反偏电压增加了势垒的高度，增加了空间电荷区的宽度，并且增强了电场。

理想PN结的电流-电压推导的4个假设基础：①耗尽层突变近似；②载流子的统计分布采用麦克斯韦-玻尔兹曼近似；③小注入假设；④PN结内的电流值处处相等；PN结内的电子电流与空穴电流分别为连续函数；耗尽区内的电子电流与空穴电流为恒定值。

PN结二极管：

当pn结外加正偏电压时（p区相对于n区为正），pn结内部的势垒就会降低，于是p区空穴与n区电子就会穿过空间电荷区流向相应的区域。

注入到n区内的空穴与注入到p区内的电子成为相应区域内的过剩少子。过剩少子的行为由双极输运方程描述。

由于少子浓度梯度的存在，pn结内存在少子扩散电流。

反偏pn结的空间电荷区内产生了过剩载流子。在电场作用下，这些载流子被扫出了空间电荷区，形成反偏产生电流。产生电流是二极管反偏电流的一个组成部分。pn结正偏时，穿

过空间电荷区的过剩载流子可能发生复合，产生正偏复合电流。复合电流是pn结正偏电流的

另一个组成部分。

当pn结的外加反偏电压足够大时，就会发生雪崩击穿。此时，pn结体内产生一个较大的反偏电流。击穿电压为pn结掺杂浓度的函数。在单边pn结中，击穿电压时低掺杂一侧掺杂浓度的函数。

当pn结由正偏状态转换到反偏状态时，pn结内存储的过剩少数载流子会被移走，即电容放电。放电时间称为存储时间，它是二极管开关速度的一个限制因素。

将热平衡状态下P区内少子电子的浓度与N区内多子电子的浓度联系在了一起。

少子浓度随着从空间电荷区边缘向中性区内延伸的距离的增大而指数衰减，并逐渐趋向其热平衡值。

远离结区域的P区多子空穴漂移电流既提供了穿过空间电荷区向N区注入的空穴，又提

供了因与过剩少子电子复合而损失的空穴。

随着外加电压的变化，△Q不断被交替地充电与放电，少子电荷存储量的变化与电压变化量的比值，即为扩散电容。

金属半导体和半导体异质结：

轻掺杂半导体上的金属可以与半导体形成整流接触，这种接触称为肖特基势垒二极管。金属与半导体间的理想势垒高度会因金属功函数和半导体电子亲合能的不同而不同。

当在n型半导体与金属之间加一个正电压时（即反偏），半导体与金属之间的势垒增加，因此基本上没有载流子的流动。当在金属与n型半导体之间加一个正电压时（即正偏），半导体与金属之间的势垒降低，因此电子很容易从半导体流向金属，这种现象称为热电子发射。

肖特基势垒二极管的理想I-V关系与pn结二极管的相同。然而，电流值的数量级与pn

结二极管的不同，肖特基二极管的开关速度要更快一些。另外，肖特基二极管的反向饱和电流比pn 结的大，所以达到与pn结二极管一样的电流时，肖特基二极管需要的正偏电压要低。

两种不同能帯隙的半导体材料可以形成半导体异质结。异质结一个有用的特性就是能在表面形成势阱。在与表面垂直的方向上，电子的活动会受到势阱的限制，但电子在其他两个方向上可以自由地流动。

对于均匀掺杂的半导体来说，场强是距离的线性函数，在金属与半导体接触处，场强达到最大值。

由于金属中场强为零，所以在金属-半导体结的金属区中一定存在表面负电荷。

任何半导体器件或是集成电路都要与外界接触，这种接触通过欧姆接触实现。欧姆接触即金属与半导体接触，这种接触不是整流接触。

半导体材料在整个结构中都是相同的，称为同质结。两种不同的半导体材料组成一个结，称

为异质结。

双极晶体管：

当晶体管工作在正向有源区时，晶体管一端的电流（集电极电流）受另外两个端点所施加的

电压（B-E结电压）的控制。这就是其基本的工作原理。

共基极电流增益是三个因子的函数一一发射极注入效率系数、基区输运系数和复合系数。发

射极注入效率考虑了从基区注入到发射区的载流子，基区输运系数反映了载流子在基区中的复

合，复合系数反映了载流子在正偏发射结内部的复合。

双极晶体管需要考虑的六个非理想效应：

（1）基区宽度调制效应，或者说是厄尔利效应一一中性基区宽度随B-C结电压变化而发

生变化，于是集电极电流随B-C结或C-E结电压变化而变化。

（2）大注入效应使得集电极电流C-E结电压增加而以低速率增加。

（3）发射区禁带变窄效应使得发射区掺杂浓度非常高时发射效率变小。

（4）电流集边效应使得发射极边界的电流密度大于中心位置的电流密度。

（5）基区非均匀掺杂在基区中感生出静电场，有助于少子渡越基区。

（6）两种击穿机理-穿通和雪崩击穿。

晶体管的三种等效电路或数学模型。E-M模型和等效电路对于晶体管的所有工作模式均适

用。基区为非均匀掺杂时，应用G-P模型很方便。小信号H-P模型应用于线性放大电路中的正向有源晶体管。

晶体管的截止频率是表征晶体管品质的一个重要参数，它是共发射极电流增益的幅值变为1

时的频率。频率响应是E-B结电容充电时间、基区渡越时间、集电结耗尽区渡越时间和集电结电容充电时间的函数。

双极晶体管不是对称的器件，晶体管有两个N型惨杂区或是两个P型惨杂区，发射区和

集电区的掺杂浓度是不一样的，而且这些区域的集合形状可能有很大的不同。

双极晶体管中的电流由少子的扩散决定，我们必须确定在稳态下晶体管的三个区中少子的梯度分布。

双极晶体管的工作原理是用B-E结电压控制集电极电流，集电极电流是从发射区跃过B-E 结注入到基区，最后到达集电区的多子数量的函数。

理想效应晶体管的条件：①均匀掺杂；②小注入；③发射区和基区宽度恒定；④禁带宽

度为定值；⑤电流密度为均匀值；⑥所有的结都在非击穿区。

造成双极晶体管实际结构复杂的原因：①各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须有重掺杂的N+型掩埋层；②由于在一片半导体材料上要制造很多双极晶体管，晶体管彼此之间必须隔离起来，因为并不是所有的集电极都在同一个电位上。

双极扩散（双极输运）是带负电的电子和带正电的空穴以同一个迁移率或扩散系数一起