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第一章半导体物理基础1.主要半导体材料的晶体结构。简单立方(P/Mn)、体心立方(Na/W)、面心立方(Al/Au)金刚石结构：属立方晶系，由两个面心立方子晶格相互嵌套而成。SiGe闪锌矿结构（立方密堆积），两种元素，GaAs,GaP等主要是共价键纤锌矿结构（六方密堆积），CdS,ZnS闪锌矿和纤锌矿结构的异同点共同点：每个原子均处于另一种原子构成的四面体中心，配种原子构成的四面体中心，配位数4不同点：闪锌矿的次近邻，上下彼此错开60，而纤锌矿上下相对2.金属、半导体和绝缘体能带特点。1）绝缘体价电子与近邻原子形成强键，很难打破，没有电子参与导电。能带图上表现为大的禁带宽度，价带内能级被填满，导带空着，热能或外场不能把价带顶电子激发到导带。2）半导体近邻原子形成的键结合强度适中，热振动使一些键破裂，产生电子和空穴。能带图上表现为禁带宽度较小，价带内的能级被填满，一部分电子能够从价带跃迁到导带，在价带留下空穴。外加电场，导带电子和价带空穴都将获得动能，参与导电。3）导体导带或者被部分填充，或者与价带重叠。很容易产生电流3.Ge,Si，GaAs能带结构示意图及主要特点。1）直接、间接禁带半导体，导带底，价带顶所对应的k是否在一条竖直线上2）导带底电子有效质量为正，带顶有效质量为负3）有效质量与能带的曲率成反比，导带的曲率大于价带，因此电子的有效质量大；轻空穴带的曲率大，对应的有效质量小4.本征半导体的载流子浓度，本征费米能级。n=𝑁𝐶𝑒𝑥𝑝(−𝐸𝐶−𝐸𝐹𝑘𝑇)n=𝑛𝑖𝑒𝑥𝑝(𝐸𝐹−𝐸𝑖𝑘𝑇)p=𝑁𝑣𝑒𝑥𝑝(−𝐸𝐹−𝐸𝑉𝑘𝑇)p=𝑛𝑖𝑒𝑥𝑝(𝐸𝑖−𝐸𝐹𝑘𝑇)5.非本征半导体载流子浓度和费米能级。100K载流子主要由杂质电离提供杂质部分电离区(凝固区)。100~500K，杂质渐渐全部电离，在很大温度范围内本征激发的载流子数目小于杂质浓度，载流子主要由掺杂浓度决定。饱和电离区。500K，本征激发的载流子浓度大于掺杂浓度，载流子主要由本征激发决定。本征区。6.Hall效应，Hall迁移率。当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。Ey=RHJxBz霍尔系数RH=r(-1/qn)n型orRH=r(+1/qn)p型霍耳迁移率7.半导体中的复合过程。复合速率：带间复合：辐射、俄歇过程间接复合（单能级复合）：电子俘获发射、空穴俘获发射SRH复合理论，当Et=Ei时，复合率最大，因此最有效的复合中心是带隙中央附近的能级间接复合（多能级陷阱）表面复合:表面的各种缺陷作为复合中心8。半导体器件工作基本方程及用途。9*。载流子主要的散射机制A,晶格振动或声子散射：B,电离杂质散射：通常以这两种散射为主C,中性杂质散射：在杂质浓度不是很高时，可以忽略D,电子或空穴散射：在载流子浓度很高时要考虑E,晶格缺陷散射：对于多晶等缺陷较多的材料要考虑F,表面散射：载流子在表面区域(如反型层)运动时，受到表面因素(如粗糙度）引起的散射，主要是对薄膜材料要考虑.第二章半导体接触的物理机制——pn结1。突变结的电荷、电场、电势分布，耗尽区宽度和电容。电荷电场E(x)=or,电势耗尽区宽度电容2。Pn结的理想电流电压特性—肖克莱方程的推导。I=Xn处的电子漂移电流+Xn处的空穴扩散电流=Xp处的电子(少子)扩散电流+Xn处的空穴(少子)扩散电流归纳为求少子扩散电流a.准费米能级分裂，电子和空穴的电流密度正比于各自的费米能级梯度b.耗尽区边界处的少子浓度（边界条件），正偏时，边界处的少子浓度比平衡时大，反偏时小c.连续性方程的得到少子分布稳态、电中性、小注入、无电场d.耗尽区边界的少子扩散电流e.总电流（肖克莱方程）3。耗尽区产生复合、大注入、串联电阻效应等造成偏离理想情况的定性分析。1）产生复合Jgen/rec=q|U|Wa.反偏载流子发射产生电流（随偏压缓慢增加不饱和）室温下：若ni很大(例如Ge)，扩散电流为主，反向电流符合理想情况若ni很小(例如Si)，产生电流占优势高温下：（中性区）扩散电流为主b.正偏复合过程是耗尽区内的主要产生复合过程假定在大部分耗尽区内，有最大的复合率，用Umax给出复合电流复合电流占优势:n=2，扩散占优势:n=1,两种相当:1n2.2）大注入空穴电流密度大注入作用好像是使扩散系数加倍大注入时，结上的压降与外电压和n区少子浓度有关由于在结区以外的压降，大注入使电流-电压关系改变，由原来的exp(qV/kT)，变成exp(qV/2kT)3）串联电阻串联电阻使得中性区上有压降IR，降低了耗尽区的偏压.I理想电流降低一个因子，使电流随电压的上升而变慢。当电流足够大时，外加电压的增加主要降在串联电阻上，电流-电压近似线性关系。4。了解扩散电容的形成。**扩散电容与耗尽层电容（势垒电容）的比较势垒电容是p-n结空间电荷区（耗尽层，势垒区）的电容。其大小与结面积、半导体介电常数和外加电压有关，有：-n结正偏时，大量载流子通过势垒区，耗尽近似实际上不成立，计算公式也不再适用，一般近似认为正偏时的势垒电容等于0偏时的4倍。势垒电容在正偏和反偏时均不能忽略，在反偏时以势垒电容为主。是相应于多数载流子变化的电容效应，因此，在低频和高频下都将起作用，器件的最高工作频率往往决定于势垒电容。扩散电容结正偏时，非平衡少子在结两边中性区内的存储所造成的微分电容效应。随着直流偏压按指数增大，在正向偏压下比较大，所以pn结在较大正偏时表现出的电容，主要是扩散电容。反向偏置时，少子数目很少，可忽略扩散电容。相应于少子电荷变化，与少子寿命有关，在高频下不起作用，在低频时很重要。影响结的开关速度。5。各种击穿过程的基本原理与规律特点。1）热不稳定性高的反向电压下反向电流引起热损耗，若热量不能及时传递出去，结温增加，结温增加反过来增加了反向电流和热损耗的增加。恶性循环，直到结烧坏。禁带宽度小，易发生热击穿Eg小易击穿改善散热，温度较低2）隧道击穿（齐纳击穿）随着反向偏压的增加，势垒区电场不断加强，能带弯曲增加。势垒区内强大的电场使其中的电子获得相当大的附加静电势能，当反向偏压足够高时，附加的静电势能可以使一部分价带电子的能量达到甚至超过导带底电子的能量DeltaX减小，隧穿几率增加；两侧都是高掺杂,可得到高的电场，隧道效应迅速增加隧道电流随外加电压的增加而增加：外加反向偏压越大，电场越强，能带弯曲越陡，水平距离越小，隧穿几率越大。常用半导体材料的禁带宽度随温度增加而减小。隧道电流随Eg增大而减小：Eg增加，水平距离增加。So，由隧道效应决定的击穿电压具有负温度系数：击穿电压随着温度的增加而减小.3）雪崩击穿反向偏压的增加，结内电场增加，通过势垒区的电子和空穴在强电场作用下,获得的能量逐渐增加，当能量足够大时，通过与晶格原子的碰撞使价带电子激发到导带，形成新的电子空穴对-------碰撞电离。新生的电子和空穴在电场作用下和原有电子-空穴一起获得能量，与晶格碰撞产生第二代电子和空穴。如此循环，电子和空穴不断倍增，数目急剧增加，反向电流急剧增加，最终引起Pn结击穿。雪崩击穿电压:倍增因子M趋近无限大时的电压.击穿条件:M-无穷大击穿电压影响因素：a.掺杂浓度增加，击穿电压下降，N增加到一定程度后变成齐纳击穿；不同材料击穿时的击穿电场随掺杂浓度变化不大NB高而a小时，类似线性缓变结，有确定的VBa很大而NB很小时，类似突变结，VB由NB决定b.半导体外延层：穿通二級管有较低的击穿电压，对于确定的掺杂浓度，外延层越薄，越容易贯通。对于确定的外延层厚度，掺杂浓度足够低时，通常发生贯通。对于确定的外延层厚度，当掺杂浓度减少到对应外延层穿透时，击穿电压基本不随掺杂浓度变化，趋于恒定值。c.温度随着温度的增加，击穿电压增加。高温时，恒定电场下，行进单位距离的载流子有更多的能量通过散射过程损失给晶格(光学声子），使能量和电离率降低。d.结曲率效应（边缘效应）随曲率半径减小，击穿电压降低。对浅扩散结该现象特别显著。改善措施：1。深扩散结，增大曲率半径2。分压环，增加环结来分压。**隧道击穿与雪崩击穿的区别:1）掺杂浓度对二者的影响不同隧道击穿取决于穿透几率，与禁带的水平间距有关，掺杂浓度越高，空间电荷区的宽度越窄，水平间距越小，易击穿。因此隧道击穿通常只发生在两侧重掺杂的PN结中。雪崩击穿是碰撞电离，载流子能量的增加有一个过程，因此除了与电场强度有关之外，空间电荷区越宽，碰撞次数越多，所以要求空间电荷区有一定的范围，NB不能太高。因此，在掺杂浓度不太高时的击穿通常是雪崩击穿。2）外界作用对二者击穿机理的影响不同：雪崩击穿是碰撞电离的结果，所以光照和快速的离子轰击能够引起倍增效应；但这些外界作用对隧道击穿不会有明显的影响。3）温度对二者击穿机理的影响不同：隧道击穿的击穿电压具有负温度系数特性，主要是由于禁带宽度的温度特性。而对于雪崩击穿，由于碰撞电离率随温度增加而降低，所以击穿电压是正温度系数特性。4）击穿特性曲线不同:6。瞬态特性，形成原因，如何提高开关速度。瞬变时间(反向恢复时间)：电流达到起始电流IR的10%所经过的时间t1+t2反向恢复过程形成的原因：由电荷储存效应引起0tt1:由于加反向偏压，电流反向，由于电荷存储，空间电荷区边界空穴浓度平衡值。结电阻相对于外电阻可忽略,V,主要加在外电阻上,结电流：如何提高开关速度?关键因素是减少反向恢复时间由电荷储存效应决定。1。减小正向导通时的电荷储存量。减小正向电流，降低少数载流子寿命降低VF,硅中的复合中心杂质(金，铜，镍)，可有效降低非平衡载流子寿命。高速开关二极管，要掺金，掺金的反向恢复时间为原来的几十分之一2。加快储存电荷消失速度。储存电荷消失：扩散抽取+复合增大初始反向电流，即增加反向电压V，减小电阻R。减小载流子寿命，加快复合速率。第三章双极晶体管1。BJT的能带结构，基本放大原理。基区足够窄，发射区注入的电子穿过基区，扩散到集电区基区结的耗尽层边缘，之后漂入集电区。如果注入电子的大多数没有与基区内的空穴复合而能够达到集电区，则集电区的电子电流将基本等于发射极的电子电流。因此，从近处的发射结注入的载流子可以使得反向偏置的集电结有一个很大的电流——晶体管放大作用。2。静态特征：各电流的成分和关系。3。共基极，共发射极电流增益，发射效率，基区输运因子，及关系。4。Gummel数，集电极电流，发射极掺杂浓度，大注入效应等对电流增益的影响。Gummel数:对于一定的NE，共发射极电流增益反比于Gummel数集电极电流:集电极电流很小,发射效率很低，电流增益低,电流增益随集电极电流的增加而增加基极电流达到理想区时，hFE增加到一个较高平区集电极电流更高，大注入条件，注入的载流子有效地增加了基区电导(掺杂),增加了基区向发射区的注入电流,使发射效率降低发射极掺杂浓度：随着NE增加，能隙变窄，发射区少子增加，hFE减小；重掺杂的发射区中，俄歇复合迅速增强，发射区少子寿命缩短，减少了发射区扩散长度，发射效率降低，电流增益降低。大注入效应（Kirik效应）：大注入条件下高场区易位，大注入使有效基区宽度增加，增加了有效基区Gummel数，使hFE降低5。晶体管的四种工作模式，各模式下的少数载流子分布。基区少子分布与偏压的关系。++6。共基极组态和共发射极组态输出特性的差别。共基极组态：1、在放大区，α~1,IC=IE,IC与VCB无关2、即使VCB~0，过剩载流子仍被集电区手机，集电极电流保持恒定。3、是集电极电流=0，要对VBC加正压，处在饱和模式下4、发射极开路，得到集电极饱和电流ICO，远小于正常pn结的反向电流5、VCB超过VBCBO会发生雪崩击穿或击穿效应共发射极：1、电流IC随VCE的增加而增加,不饱和VCE增加，Early效应（基区宽度调制效应），中性区宽度W下降，β0升高2、当VCE很小时，集电极电流迅速降