半导体物理和半导体器件学习总结3

这次开始整理内容最多的一部分，也是最重点的两部分之一，也就是pn结和双极型晶体管。另一个重点的部分是金半接触和mos管原理。。。

 

1、pn结的制作

合金法：突变结

扩散法：缓变结（高表面浓度的浅扩散结也可以看做突变结）

 

2、能带图和费米能级

形成pn结后能带会弯曲。

通过推导可以发现，费米能级是不随位置变化的，内建电场的形成造成了漂移运动，以抵消扩散。电势决定浓度，电势梯度即电场决定浓度梯度即扩散。

 

3、pn结的电流电压特性，即各种参数

 

①接触电势差：即弯曲的势垒高度，推导得出只与两边掺杂浓度有关。

 

②结定律：可以直接通过载流子浓度公式推出。

 

③外加电压时能带图的变化：这里是最不明白的一个点，为什么可以看做是电压降在了空间电荷区？在加电压之前两端有没有电势差？为什么加在空间电荷区就会减小空间电荷区长度？个人认为不能这么理解。。。要深入学习之后再来解决这个问题

 

④外加电压时的电流：

要记住n、p区各自的多子和少子表达式

然后对非平衡少子做扩散方程，得到随坐标衰减的浓度分布。最后得到肖克莱方程式

 

4、实验结果与计算结果不符合的原因

 

①势垒区产生和复合电流：比较繁琐，先略

②大注入情况：大注入会显著影响多子分布，使得初始条件为n=p，进而使得载流子浓度与V/2有关，解释了大电压下斜率的变化

 

5、pn结电容

 

分为势垒电容和扩散电容

都是可变电容，利用微分电容来表示

 

①势垒电容

利用泊松方程求出电势和电场，再求出势垒宽度（与外加电压有关），然后求出总电量，总电量对电压求微分，可以得到电容。

可以发现形式类似平行板电容（这里不太懂。。。再看）。

 

减小势垒电容的途径：降低低掺杂一侧的浓度，减小截面积。

 

以上推导一般适用于反向电压。

 

②扩散电容

对载流子在空间上积分，得到与e^V有关的电荷量，然后对V微分，得到电容。

大的正向偏压时，扩散电容起主要作用。

 

 

6、pn结击穿

雪崩击穿，隧道击穿，热电击穿

①雪崩击穿：反向电压很大时

②隧道击穿（齐纳击穿）：浓度高，反向偏压不太大时

③热电击穿：反向偏压时的温度正反馈，禁带宽度比较小的半导体，反向饱和电流较大，易发生

 

7、隧道效应

 

略了，真不太懂。。。、

 

8、研究pn结时用到的近似

 

耗尽近似和中性区近似

 

9、大注入效应

 

大注入效应主要是修改了边界条件，即n=p，再利用np等于n0p0乘以e^V，得到载流子的边界条件。

然后考虑内建场，少子仍然有扩散运动，但多子也行成了一定的浓度梯度，所以会有一个电场来抑制多子的扩散。电场形成的原因就是左边少子比多子多，右边多子比少子多。

形成了令多子不流动的内建场。

然后利用多子电流为0，近似的电中性条件，得到少子的运动方程。由于电场抑制多子的扩散，于是它必定促进多子的扩散。这叫做韦伯斯托效应

 

促进扩散意味着增大扩散长度，电流增大更加平缓？（这里还没搞清楚）

 

10、pn结击穿

 

击穿好像挺复杂的，遇到再看

 

11、小信号特性

 

主要看一下推导过程。。。

以及这种方法推导出的扩散电容和半导体中的推导什什么不同。

 

12、开关特性

 

这里好像也没有考过，先记几个概念，详细推导再说。

首先是对脉冲电压的响应，会出现反向恢复过程，原因是少子电荷的耗尽需要时间。具体的计算先略了。。。

 

13、双极性晶体管的能带图和载流子分布

 

载流子的浓度遵循结定律，能带图也比较简单，不记了

 

14、放大系数

这里是比较难的地方

α：发射结正偏，集电结零偏

h1：发射结正偏，集电结反偏

 

β：发射结正偏，集电结零偏

h2：发射结正偏，集电结反偏

 

区别在于？

 

 

15、放大系数

 

放大系数=注入效率×基区输运系数

注入效率主要由两边浓度决定，也可以写成方块电阻的形式。

输运系数需要求解扩散方程，结果可以适当近似。

 

还引入了其他概念：电荷控制法、基区渡越时间 等等

 

 

16、放大系数的变化

 

小电流时，放大系数会减小，原因是势垒区负荷电流占发射极电流的比例增大。

 

大电流时，放大系数也会减小，原因是大注入效应和基区扩展效应。

 

17、发射区重掺杂的影响：

①发射区重掺杂效应：

发射区禁带变窄，导致本征载流子浓度变化，降低了注入效率

俄歇复合增强，寿命下降，导致扩散长度减小，集区注入发射区的电流增大，降低注入效率

 

②基区陷落效应：

产生原因是磷和硅半径不一致，导致更多的位错，产生更多空位。

此时基区的厚度会变得难以控制。

为了避免这一效应，发射区可以用砷As掺杂代替磷掺杂

 

18、异质结

前面说发射区禁带宽度变窄会导致注入效率下降，由此可知基区禁带宽度变窄则会导致注入效率上升。

由此可以利用异质结。具体略了。。。

 

19、双极结型晶体管的直流电流电压方程

 

这里书上提到了集电结短路相当于没有集电结，基区右边的边界条件是少子等于平衡少子浓度。还是不太懂。。。

但由于扩散方程是线性常系数方程，解有线性叠加性。

由此可以得到埃博斯-莫尔方程。

 

此外还有一个互易关系，虽然不知道怎么证明吧。

 

20、输出特性、反向截止电流和浮空电势

 

这里可以说是真正的难点。。。先略了，具体遇到再说

记住几个概念：

ICBO：代表发射极开路，集电结反偏时的集电极电流。

ICEO：代表基极开路，集电结反偏时的 从发射极到集电极的电流

具体的意义再补充

 

基区宽度调变效应：集电结反向电压增大导致基区宽度减小，增大了电流和放大系数。

 

避免此效应只能增大基区宽度，或者增大基区掺杂浓度。然而这些都和提高电流放大系数矛盾。

 

发射结开路意味着浮空电势的产生，此时的边界条件是边界少子等于0。而短路时边界条件是少子等于平衡少子。

 

 

21、基区穿通效应

即集电结反偏导致势垒区变宽，然后把基区挤没了。

但在实际中，横向晶体管容易发生，纵向晶体管不容易发生。

 

有时会有局部穿通。

 

基区穿通的影响是，电流会急剧增大。

 

22、基极电阻

 

这里需要了解一个方块电阻的概念。

 

以及工作基区的电阻要怎么求。

 

 

23、功率特性

 

①大注入效应

 

这里推导了任意注入下的电流，引入了葛谋数的概念

还推导了任意注入下的基区渡越时间和基区输运系数

 

以及任意注入下的发射结注入效率，电流放大倍数

 

②基区扩展效应

 

和基区宽度调变效应相区分。。。

 

原因是大电流导致的电场分布变化，具体就先略了。。。

 

③发射结电流集边效应

也叫基极电阻自偏压效应。。。详细推导就略了。。。

 

④热学性质

注意热击穿可能会有正反馈。。

 

 

⑤二次击穿

即击穿后的负阻现象

电流集中型：正反馈形成细丝电流。避免的方法是在梳状结构晶体管上加限流电阻

雪崩注入型：略、、、

 

 

⑥晶体管的安全工作区

 

集电极最大电流

最大耗散功率

正向二次击穿的临界功率线

反向二次击穿的临界功率线

发射极集电极击穿电压

 

 

24、频率特性&开关特性

 

略了先。。。遇到再看