第一篇：半導體器件中的low-k技術

半導體集成電路中的low-k技術

摘要：隨著芯片集成度的不斷提高，RC時延、串擾噪聲和功耗等越來越成為嚴重的問題。low-k(低介電常數)技術在這樣的背景下產生并逐漸應用到集成電路工藝中。low-k材料代替SiO2能夠進一步提高芯片的速度，但在low-k材料帶來巨大技術優勢的同時，也帶來了一些技術性難題。研究新型low-k材料并提升其相應的性能，將極大的促進集成電路的發展。關鍵詞: 集成電路 low-k技術 低介電常數 多孔材料 前言

隨著超大規模集成電路(Very Large Scale Integration,VLSI)的高速發展，芯片的集成度不斷提高，特征尺寸不斷減小。金屬互連的多層布線導致金屬導線的電阻、線間電容和層間電容增大，從而使RC延遲時間、串擾噪聲和功耗等增加，這些問題成為集成電路進一步發展的制約因素[1,2]。為了解決上述問題，提高芯片的速度，一方面用采用Cu金屬互連線代替Al金屬，減少電阻(Cu電阻率為1.75 ×10-8Ω·m，Al電阻率2.83 ×10-8Ω·m)。另一方面用low-k電介質(k<3)代替SiO2(k=3.9~4.2)，降低金屬互連層間絕緣層的介電常數k[3,4]。90 nm工藝要求k = 3.0～2.9；65 nm工藝要求k = 2.8～2.7；45 nm 工藝要求k = 2.6～2.5[3]；32nm及以下工藝要求k值在2.4之下[5]。因此，low-k技術已經成為集成電路領域的重點研究內容之一。low-k技術的優勢

圖1 分布電容示意圖

low-k技術就是就是尋找介電常數(k)較小的材料作為芯片內部電路層之間的絕緣介質ILD(Inter Layer Dielectrics，層間電介質)，防止各層電路的相互干擾，以提升芯片的穩定性和工作頻率。集成電路的速度由晶體管的柵延時和信號的傳播延時共同決定，使用high-k材料可以有效地降低柵延時。RC時延由金屬導線的電阻R和內部電介質形成的電容C決定

[6]

。由于ILD的存在，導線之間就不可

避免的存在分布電容。在集成電路內，RC時延決定于電阻R與電容C的乘積值，其值越小，速度越快。R值由材料的性質決定，因此降低電容值就可改善線路的傳輸速度。電容值與與ILD的介電常數K相關，K值越小，電容值越小。所以，low-k技術的實質就是尋找k值盡量小的材料以降低R ×C的值，減小延遲，進而提升芯片速度。

在另一方面，low-k技術還可以降低線路串擾。當一條傳輸線傳送信號

時，通過互感作用在另一條傳輸線上產生感應信號，或者通過電容產生耦合信號，這兩種現象統稱為串擾。串擾可使相鄰傳輸線中出現異常的信號脈沖，造成邏輯電路的誤動作。耦合干擾是由導線間的寄生電容引起的，根據容抗表達式XC=1/2nfC可知：電容的容量C越大，XC越小，信號越容易從一根導線穿越電介質到達另一根導線，線路間的串擾就越嚴重；信號的頻率f越高，脈沖的上升、下降時間越短，串擾也越嚴重[6]。

由上面可以看出，使用low-k材料作為ILD，可以降低分布電容，進而縮短了RC時延，提高了芯片的速度；另外，分布電容的降低可以降低信號串擾，允許互連線之間的距離更近，可進一步提高芯片的集成度。low-k材料

3.1 低介電性能

材料的介電性能主要取決于構成材料微觀成分的分子極化率，其宏觀量相對介電常數εr，和微觀量極化率α之問的關系為

(εr－1)/(εr+2)=Ｎα／3ε

０

上式又稱為Clausius－Mossotti 方程，其中，Ｎ為介質單位體積內極化質點數[8]。電介質的介電常數與其分子在電場中的極化強度大小和單位體積內分子數目有關，分子的極化強度越高，材料單位體積內的分子數越多，介電常數越大。因此可以通過兩種途徑降低材料的介電常數：一是降低自身的極性和極化率，包括降低材料中電子極化率，離子極化率以及分子極

化率，通常是摻入強電負性的元素，能將電子牢牢地束縛住，使Si-O-Si網絡結構由四面體Sp3軌道轉為極性較弱的sp2軌道；二是降低單位體積內極化分子的密度。由于通過降低分子的極化率來降低材料的介電常數是有限的，目前降低材料介電常數多是通過引入介電常數約等于1.0的空氣孔隙來實現的，這主要是由于通過引入孔隙，降低了材料單位體積內極化分子的數目[8,9]。

3.2 幾種low-k材料的介紹

下面將介紹幾種low-k材料。3.2.1 無機多空材料

(1)氧化硅多孔材料 氧化硅材料具有良好的化學穩定性和熱穩定性，與硅基板具有良好的相容性，因此在眾多低介電常數材料中是最具發展前景的．氧化硅多孔材料因具有更低的介電常數，在目前集成電路高度密集化的發展過程中，獲得了廣泛關注，其介電常數在1.99~2.45之間。

(2)氮化硅多孔材料 氮化硅材料具有耐腐蝕、機械強度高、耐高溫、介電常數低(5.6)和介電損耗小的特點。采用漿料注人法和硅膠循環滲透法，在750。C反應條件下制備出熔融石英纖維增強多孔氮化硅低介電常數陶瓷材料，在高測試頻率下材料的介電常數為2.8-3.1。

(3)多孔a—C：F薄膜 盡管a—C：F薄膜作為低介電材料的應用受到人們質疑(熱穩定性和力學性能較差)，但對它的研究探索卻一直未停止。多孔a-C：F薄膜的出現使得a-C：F薄膜

開始邁向超低k材料領域。其介電常數值在2.1~2.7之間。3.2.2 有機多孔材料

(1)聚酰亞胺多孔材料 聚酰亞胺是以酰亞胺環為結構特征的高分子聚合物，利用聚酰亞胺制備的薄膜具有耐高低溫特性、耐輻射性、優良的黏接性、電氣絕緣性和機械性能。其薄膜介電常數可降至1.8左右[12]。

(2)聚乙烯多空材料 聚乙烯是一種非極性高分子材料，且具有無毒、耐化學腐蝕、吸水性小、電絕緣性能優良和價格低廉的優點，非常適合用作低介電常數材料。介電常數主要受孔隙率的影響．當孔隙率為62.9%時，薄膜的介電常數可降低至1.56。

(3)含氟聚合物多孔材料 聚四氟乙烯(PTFE)因具有良好的機械強度、低的介電常數和較高的玻璃化轉變溫度，被認為是一種理想的低介電常數材料。介電常數可達1.5，在400℃ 以下不發生分解反應。

(4)聚硅氮烷多孔材料 多孔聚硅氮烷薄膜由于高的孔隙率和均勻的薄膜結構，介電常數低至2.2，這種材料已經被應用于集成電路制備過程中。

3.2.3 有機／無機復合多孔低介電常數材料

(1)倍半硅氧烷基多孔復合材料 倍半硅氧烷材料具有低的介電常數，其中甲基倍半硅氧烷(MSQ)的介電常數為2.6~2.8，已經被廣泛應用于微電子領域。通過在這種基體材料中引入孔隙的方法可以進一步降低介電常

數。

(2)沸石聚酰亞胺多孔復合材料 沸石是具有微孔結構的鋁硅酸鹽化合物，具有窄分布分子尺寸的孔隙以及低的介電常數．將沸石與低介電常數的聚合物混合，采用旋涂法可以獲得無機／有機復合多孔薄膜，孔隙來自于沸石本身，這種薄膜材料具備低的介電常數且綜合了無機、有機材料的優點，具備良好的機械性能和熱穩定性。采用旋涂法制備出的無機／有機復合多孔薄膜，薄膜的介電常數為2.00~2.56 [9,10]。

對低介電常數材料的研究已經從無空低介電常數材料發展到多孔低介電常數材料，從單一組分的多孔低介電常數材料發展到多組分的復合多孔低介電常數材料。low-k技術面臨的挑戰

盡管low-k材料有許多的技術優勢，但除了低介電常數的特性以外，還需要具備以下性質：在電學性能方面，要有高擊穿電壓、低損耗、低漏電流和非等向特征；在力學方面，要有高附著力、高硬度、搞機械強度和低殘余應力；在化學性能方面，要符合低的釋氣量、不與金屬反應、高的憎水性等特性[7]

；在熱學方面，要有高熱穩定性、低熱膨脹率和高熱導率

[2,10]。

與SiO2相比，low-k材料密度較低，這樣帶來兩個問題，一是熱傳導性能較差，不利于芯片內熱量的散發，由此導致芯片熱穩定性變壞；二是銅更容易擴散進入絕緣層材料的孔隙

中，不僅影響了互連的可靠性，如果不采取適當防擴散工藝措施，情況嚴重時會因電解質中銅含量過高而帶來漏電和功耗升高問題。在制造工藝上，由于low-k材料的松軟結構和易滲透性，使得CMP(Chemical Mechanical Polishing,化學機械拋光)和清潔工序變得更為艱難，并導致成品率下降和生產成本的提高[6]。結束語

2011年國際半導體技術藍圖(International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS)指出，low-k材料的空氣隙結構被認為是ILD潛在解決方案的主流，因為它在逐漸成熟。ITRS團隊堅定地認為，除了使用空氣隙結構，對任何多孔超低k值(k<2)材料的進一步改進都不可能引起k值大幅減小。對低k值，這是材料解決方案的結束，也是結構解決方案的開始[11]。除了降低k值，low-k技術在其他方面也要解決一些關鍵性問題，如多孔材料的化學抵抗能力和機械強度，ALD的阻擋效率以及互連結構的電學穩定性等問題。

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第二篇：說課稿-半導體器件

尊敬的各位領導、各位老師下午好，我今天說課的題目是：平衡PN結

一、分析教材

首先我對本節的教材內容進行分析：

《半導體器件物理》是應用物理學專業的一門重要專業方向課程。通過本課程的學習，使學生能夠結合各種半導體的物理效應掌握常用和特殊半導體器件的工作原理，從物理角度深入了解各種半導體器件的基本規律。PN結是構成各類半導體器件的基礎，如雙極型晶體管、結型場效應晶體管、可控硅等，都是由PN結構成的。PN結的性質集中反映了半導體導電性能的特點，如存在兩種載流子、載流子有漂移運動、擴散運動、產生與復合三種基本運動形式等。獲得在本課程領域內分析和處理一些最基本問題的初步能力，為進一步深入學習和獨立解決實際工作中的有關問題奠定一定的基礎。

根據以上分析，結合本節教學要求，再聯系學生實際，我確立了以下教學目標：

1、知識目標

(1)了解PN結的結構、制備方法；

(2)掌握平衡PN結的空間電荷區和能帶圖；

(3)掌握平衡PN結的載流子濃度分布。

2、能力目標

(1)通過典型圖例，指導學生進行觀察和認識PN結，培養學生的觀察現象、分析問題以及理論聯系實際的能力；

(2)指導學生自己分析，借助教材和圖例，培養學生的動手能力以及通過實驗研究問題的習慣；

3、情感目標

(1)培養學生學習半導體器件物理的興趣，進而激發學生對本專業熱愛的激情；

(2)培養學生科學嚴謹的學習態度。

考慮到一方面學生的文化基礎比較薄弱，綜合解決問題的能力有待提高，另一方面，對于高職類學校的學生而言，要求有較強的動手能力，我把教學的重點和難點設置如下：

1、教學重點

平衡p–n結空間電荷區的形成；平衡p–n結的能帶圖

2、教學難點

平衡p–n結中載流子的分布

二、說教法

興趣是推動學生求知欲的強大動力，在教學中把握學生好奇心的特點至關重要。另一方面，在教學課堂中，不僅要求傳授書本的理論知識，更要注重培養學生的思維判斷能力、依據理論解決實際問題的能力以及自學探索的能力。據此，我準備以演示法和引導式教學為主，遵循學生為學生為主體，教師為主導的原則，通過講授理論知識，使學生獲得必要的感性認識，讓疑問激起他們的學習研究興趣，然后再引導學生掌握必要的基礎知識，最后在開放的課堂上提供學生進一步研究的機會，滿足他們的好奇心，開發他們的創新潛力。

三、說學法

學生是教學活動的主體，教學活動中要注意學生學法的指導，使學生從“學會”轉化為“會學”。根據教學內容，本節采用觀察、分析的學習方法，在做好演示圖例的同時，引導學生合作討論，進而獲取知識。

另外，在教學過程中，我還會鼓勵學生運用探究性的學習方法，培養他們發現、探究、解決問題的能力。

四、說教學過程

為了完成教學目標，解決教學重點，突破教學難點，課堂教學我準備按以下幾個環節展開：

1、新課導入

通過半導體物理基礎的學習，分析了P型和N型半導體中的載流子濃度分布和運動情況，如果將P型和N型半導體結合在一起，在二者的交界處就形成了PN結。首先學習PN結。引出問題：什么是PN結？

設計意圖：通過問題的提出，引導學生形成對所學事物的輪廓，豐富他們的感性認識，吸引學生的注意力和好奇心。

2、講解新課

通過講解在本征半導體中參入不同雜質，引出半導體的一個特殊結構：PN結。

(1)講解PN結

用圖示演示PN結的基本結構，兩種不同類型的半導體：P型半導體和N型半導體。為了加深學生的理解，可以采用情景教學的方式，讓學生在輕松有趣的互動游戲中掌握枯燥的概念。

(2)平衡PN結的空間電荷區和能帶圖

通過圖例展示，教師講解平衡PN結空間電荷區的形成和能帶圖，然后讓學生復述，傾聽學生自己的理解，在此基礎上進一步分析，講解各名詞的概念：擴散、漂移、空間電荷區、自建電場、勢壘、勢壘區。

(3)平衡PN結的接觸電勢差

由此，也進一步引出N區和P區之間存在電勢差，稱為PN結的接觸電勢差。給出n區電子濃度、p區空穴濃度的公式，引導學生推導接觸電勢差。

(4)平衡PN結的載流子濃度分布

通過圖示回顧上課過程中提到的空間電荷區、自建電場、擴散、漂移、載流子的耗盡等概念，總結平衡PN結的載流子濃度分布并給出示意圖。

3、歸納總結，布置作業

設計問題，由學生回答問題,通過設問回答補充的方式小結，學生自主回答三個問題，教師關注全體學生對本節課知識的掌握程度，學生是否愿意表達自己的觀點。

(1)什么是PN結？

(2)PN結的制備方法有哪些？

(3)平衡PN結的空間電荷區是如何形成的？

(4)平衡PN結的能帶圖中費米能級的作用？

(5)平衡PN結接觸電勢差的推導過程？

設計意圖：通過提問方式引導學生進行小結，養成學習——總結——再學習的良好習慣，發揮自我評價作用，同時可培養學生的語言表達能力。作業分層要求，做到面向全體學生，給基礎好的學生充分的空間，滿足他們的求知欲。

五、板書設計

采用三欄式

以上，我從教材、教法、學法、教學過程和板書設計五個方面對本課進行了說明，我的說課到此結束，謝謝各位評委老師。

第三篇：常用半導體器件教案

第一章

常用半導體器件

1.1 半導體基礎知識

1.1.1 本征半導體

一、半導體

1． 概念：導電能力介于導體和絕緣體之間。2． 本征半導體：純凈的具有晶體結構的半導體。

二、本征半導體的晶體結構（圖1.1.1）

1． 晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣。2． 共價鍵

三、本征半導體中的兩種載流子（圖1.1.2）

1． 本征激發：在熱激發下產生自由電子和空穴對的現象。2． 空穴：講解其導電方式； 3． 自由電子

4． 復合：自由電子與空穴相遇，相互消失。5． 載流子：運載電荷的粒子。

四、本征半導體中載流子的濃度

1． 動態平衡：載流子濃度在一定溫度下，保持一定。2． 載流子濃度公式：

ni?pi?K1T3/2e?EGO/(2kT)

自由電子、空穴濃度（cm?5－

3），T為熱力學溫度，k為波耳茲曼常數（8.63?10eV/K），EGO為熱力學零度時破壞共價鍵所需的能量（eV），又稱禁帶寬度，K1是與半導體材料載流子有效質量、有效能級密度有關的常量。

1.1.2 雜質半導體

一、概念：通過擴散工藝，摻入了少量合適的雜質元素的半導體。

二、N型半導體（圖1.1.3）

1． 形成：摻入少量的磷。2． 多數載流子：自由電子 3． 少數載流子：空穴

4． 施主原子：提供電子的雜質原子。

三、P型半導體（圖1.1.4）

1． 形成：摻入少量的硼。2． 多數載流子：空穴 3． 少數載流子：自由電子

4． 受主原子：雜質原子中的空穴吸收電子。

5． 濃度：多子濃度近似等于所摻雜原子的濃度，而少子的濃度低，由本征激發形成，對溫度敏感，影響半導體的性能。

1.1.3 PN結

一、PN結的形成（圖1.1.5）

1． 擴散運動：多子從濃度高的地方向濃度低的地方運動。2． 空間電荷區、耗盡層（忽視其中載流子的存在）3． 漂移運動：少子在電場力的作用下的運動。在一定條件下，其與擴散運動動態平衡。4． 對稱結、不對稱結：外部特性相同。

二、PN結的單向導電性

1． PN結外加正向電壓：導通狀態（圖1.1.6）正向接法、正向偏置，電阻R的作用。（解釋為什么Uho與PN結導通時所表現的外部電壓相反：PN結的外部電壓為U即平時的0.7V，而內電場的電壓并不對PN結的外部電壓產生影響。）

2． PN結外加反向電壓：截止狀態（圖1.1.7）反向電壓、反向偏置、反向接法。形成漂移電流。

三、PN結的電流方程

1． 方程（表明PN結所加端電壓u與流過它的電流i的關系）：

i?IS(euUT?1)

UT?kT

q為電子的電量。q2．平衡狀態下載流子濃度與內電場場強的關系： 3． PN結電流方程分析中的條件：

4． 外加電壓時PN結電流與電壓的關系：

四、PN結的伏安特性（圖1.1.10）

1． 正向特性、反向特性

2． 反向擊穿：齊納擊穿（高摻雜、耗盡層薄、形成很強電場、直接破壞共價鍵）、雪崩擊穿（低摻雜、耗盡層較寬、少子加速漂移、碰撞）。

五、PN結的電容效應

1． 勢壘電容：（圖1.1.11）耗盡層寬窄變化所等效的電容，Cb（電荷量隨外加電壓而增多或減少，這種現象與電容器的充放電過程相同）。與結面積、耗盡層寬度、半導體介電常數及外加電壓有關。2． 擴散電容：（圖1.1.12）

（1）平衡少子：PN結處于平衡狀態時的少子。

（2）非平衡少子：PN結處于正向偏置時，從P區擴散到N區的空穴和從N區擴散到P區的自由電子。

（3）濃度梯度形成擴散電流，外加正向電壓增大，濃度梯度增大，正向電流增大。

（4）擴散電容：擴散區內，電荷的積累和釋放過程與電容器充放電過程相同。i越大、τ越大、UT越小，Cd就越大。

（5）結電容Cj?Cb?Cd

pF級，對于低頻忽略不計。

1.2 半導體二極管

（幾種外形）（圖1.2.1）

1.2.1 半導體二極管的幾種常見結構（圖1.2.2）

一、點接觸型：電流小、結電容小、工作頻率高。

二、面接觸型：合金工藝，結電容大、電流大、工作頻率低，整流管。

三、平面型：擴散工藝，結面積可大可小。

四、符號

1.2.2 二極管的伏安特性 一、二極管的伏安特性

1． 二極管和PN結伏安特性的區別：存在體電阻及引線電阻，相同端電壓下，電流小；存在表面漏電流，反向電流大。

2． 伏安特性：開啟電壓（使二極管開始導通的臨界電壓）（圖1.2.3）

二、溫度對二極管方案特性的影響

1． 溫度升高時，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。

2． 室溫時，每升高1度，正向壓降減小2～2.5mV；每升高10度，反向電流增大一倍。

1.2.3 二極管的主要參數

一、最大整流電流IF：長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。

二、最高反向工作電壓UR：工作時，所允許外加的最大反向電壓，通常為擊穿電壓的一半。

三、反向電流IR：未擊穿時的反向電流。越小，單向導電性越好；此值對溫度敏感。

四、最高工作頻率fM：上限頻率，超過此值，結電容不能忽略。

1.2.4 二極管的等效電路 一、二極管的等效電路：在一定條件下，能夠模擬二極管特性的由線性元件所構成的電路。一種建立在器件物理原理的基礎上（復雜、適用范圍寬），另一種根據器件外特性而構造（簡單、用于近似分析）。

二、由伏安特性折線化得到的等效電路：（圖1.2.4）

1． 理想二極管：注意符號 2． 正向導通時端電壓為常量

3． 正向導通時端電壓與電流成線性關系 4． 例1（圖1.2.5）三種不同等效分析：（1）V遠遠大于UD，（2）UD變化范圍很小，(3)接近實際情況。5． 例2（圖1.2.6）三、二極管的微變等效電路（圖1.2.7）（圖1.2.8）（圖1.2.9）

動態電阻的公式推倒：

1.2.5 穩壓二極管

一、概念：一種由硅材料制成的面接觸型晶體二極管，其可以工作在反向擊穿狀態，在一定電流范圍內，端電壓幾乎不變。

二、穩壓管的伏安特性：（圖1.2.10）

三、穩壓管的主要參數

1． 穩定電壓UZ：反向擊穿電壓，具有分散性。2． 穩定電流IZ：穩壓工作的最小電流。

3． 額定功耗PZM：穩定電壓與最大穩定電流的乘積。4． 動態電阻rZ：穩壓區的動態等效電阻。

5． 溫度系數α：溫度每變化1度，穩壓值的變化量。小于4V為齊納擊穿，負溫度系數；大于7V為雪崩擊穿，正溫度系數。

四、例（圖1.2.11）

1.2.6 其他類型二極管

一、發光二極管（圖1.2.12）可見光、不可見光、激光；紅、綠、黃、橙等；開啟電壓大。

二、光電二極管（圖1.2.13）遠紅外接受管，伏安特性（圖1.2.14）光電流（光電二極管在反壓下，受到光照而產生的電流）與光照度成線性關系。

三、例（圖1.2.15）

1.3 雙極型晶體管

雙極型晶體管（BJT: Bipolar Junction Transistor）幾種晶體管的常見外形（圖1.3.1）

1.3.1 晶體管的結構及類型（圖1.3.2）

一、構成方式：同一個硅片上制造出三個摻雜區域，并形成兩個PN結。

二、結構：

1． 三個區域：基區（薄且摻雜濃度很低）、發射區（摻雜濃度很高）、集電區（結面積大）；

2． 三個電極：基極、發射極、集電極； 3． 兩個PN結：集電結、發射結。

三、分類及符號：PNP、NPN 1.3.2 晶體管的電流放大作用

一、放大：把微弱信號進行能量的放大，晶體管是放大電路的核心元件，控制能量的轉換，將輸入的微小變化不失真地放大輸出，放大的對象是變化量。

二、基本共射放大電路（圖1.3.3）

1． 輸入回路：輸入信號所接入的基極－發射極回路；

2． 輸出回路：放大后的輸出信號所在的集電極－發射極回路； 3． 共射放大電路：發射極是兩個回路的公共端； 4． 放大條件：發射結正偏且集電結反偏；

5． 放大作用：小的基極電流控制大的集電極電流。

三、晶體管內部載流子的運動（圖1.3.4）分析條件?uI?0

1． 發射結加正向電壓，擴散運動形成發射極電流IE，空穴電流IEP由于基區摻雜濃度很低，可以忽略不計；IE?IEN?IEP

2． 擴散到基區的自由電子與空穴的復合運動形成電流IBN；

3． 集電結加反向電壓，漂移運動形成集電極電流IC，其中非平衡少子的漂移形成ICN，平衡少子形成ICBO。

??ICBO4． 晶體管的電流分配關系：IC?ICN?ICBO，IB?IBN?IEP?ICBO?IB，IE?IB?IC

四、晶體管的共射電流放大系數

1． 共射直流電流放大系數：??ICNIC?ICBO ??IBIB?ICBO2． 穿透電流ICEO：IC??IB?(1??)ICBO??IB?ICEO

基極開路時，集電極與發射極之間的電流；

3． 集電結反向飽和電流ICBO：發射極開路時的IB電流； 4．近似公式：IC??IB，IE?(1??)IB

5． 共射交流電流放大系數：當有輸入動態信號時，???ic ?iB6． 交直流放大系數之間的近似：若在動態信號作用時，交流放大系數基本不變，則有iC?IC??iC??IB?ICEO???iB??(IB??iB)?ICEO因為直流放大系數在線性區幾乎不變，可以把動態部分看成是直流大小的變化，忽略穿透電流，有：???，放大系數一般取幾十至一百多倍的管子，太小放大能力不強，太大性能不穩定；

7． 共基直流電流放大系數：??ICN??，??，??

1??IE1???iC，??? ?iE8． 共基交流電流放大系數：??

1.3.3 晶體管的共射特性曲線

一、輸入特性曲線（圖1.3.5）iB?f(uBE)u的能力有關。

二、輸出特性曲線（圖1.3.6）iC?f(uCE)IB?常數CE?常數，解釋曲線右移原因，與集電區收集電子

（解釋放大區曲線幾乎平行于橫軸的原因）

1． 截止區：發射結電壓小于開啟電壓，集電結反偏，穿透電流硅1uA，鍺幾十uA；

2． 放大區：發射結正偏，集電結反偏，iB和iC成比例；

3． 飽和區：雙結正偏，iB和iC不成比例，臨界飽和或臨界放大狀態（uCB?0）。

1.3.4 晶體管的主要參數

一、直流參數

1． 共射直流電流系數? 2． 共基直流電流放大系數? 3． 極間反向電流ICBO

二、交流參數 1． 共射交流電流放大系數? 2． 共基交流電流放大系數?

3． 特征頻率fT：使?下降到1的信號頻率。

三、極限參數（圖1.3.7）

1． 最大集電極耗散功率PCM；

2． 最大集電極電流ICM：使?明顯減小的集電極電流值；

3． 極間反向擊穿電壓：晶體管的某一電極開路時，另外兩個電極間所允許加的最高反向電壓，UCBO幾十伏到上千伏、UCEO、UEBO幾伏以下。

UCBO?UCEX?UCES?UCER?UCEO

1.3.5 溫度對晶體管特性及參數的影響

一、溫度對ICBO影響：每升高10度，電流增加一倍，硅管的ICBO要小一些。

二、溫度對輸入特性的影響：（圖1.3.8）與二極管伏安特性相似。溫度升高時，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移，室溫時，每升高1度，發射結正向壓降減小2～2.5mV。

三、溫度對輸出特性的影響：（圖1.3.9）溫度升高?變大。

四、兩個例題

1.3.6 光電三極管

一、構造：（圖1.3.10）

二、光電三極管的輸出特性曲線與普通三極管類似（圖1.3.11）

三、暗電流：ICEO無光照時的集電極電流，比光電二極管的大，且每上升25度，電流上升10倍；

四、光電流：有光照時的集電極電流。

1.4 場效應管

1.4.1 結型場效應管 1.4.2 絕緣柵型場效應管

一、N溝道增強型MOS管（圖1.4.7）

1． 結構：襯底低摻雜P，擴散高摻雜N區，金屬鋁作為柵極； 2． 工作原理：

(1)柵源不加電壓，不會有電流；

(2)（圖1.4.8）uDS?0且uGS?0時，柵極電流為零，形成耗盡層；加大電壓，形成反型層（導電溝道）；開啟電壓UGS(th)；

(3)（圖1.4.9）uGS?UGS(th)為一定值時，加大uDS，iD線性增大；但uDS的壓降均勻地降落在溝道上，使得溝道沿源－漏方向逐漸變窄；當uGD＝UGS(th)時，為預夾斷；之后，uDS增大的部分幾乎全部用于克服夾斷區對漏極電流的阻力，此時，對應不同的uGS就有不同的iD，從而可以將iD看為電壓uGSiD出現恒流。控制的電流源。

3． 特性曲線與電流方程：(1)特性曲線：（圖1.4.10）轉移特性、輸出特性；

?u?(2)電流方程：iD?IDO?GS?1?

?U??GS(th)?

二、N溝道耗盡型MOS管（圖1.4.10）

1． 結構：絕緣層加入大量的正離子，直接形成反型層； 2． 符號

三、P溝道MOS管：漏源之間加負壓

四、VMOS管

21.4.3 場效應管的主要參數

一、直流參數

1． 開啟電壓UGS(th)：是UDS一定時，使iD大于零所需的最小UGS值；

2． 夾斷電壓UGS(off)：是UDS一定時，使iD為規定的微小電流時的uGS；

3． 飽和漏極電流IDSS：對于耗盡型管，在UGS＝0情況下，產生預夾斷時的漏極電流； 4． 直流輸入電阻RGS(DC)：柵源電壓與柵極電流之比，MOS管大于10?。

二、交流參數

1． 低頻跨導：gm?9?iD?uGS

UDS?常數2． 極間電容：柵源電容Cgs、柵漏電容Cgd、1～3pF，漏源電容Cds0.1～1pF

三、極限參數

1． 最大漏極電流IDM：管子正常工作時，漏極電流的上限值； 2． 擊穿電壓：漏源擊穿電壓U(BR)DS，柵源擊穿電壓U(BR)GS。3． 最大耗散功率PDM：

4． 安全注意：柵源電容很小，容易產生高壓，避免柵極空懸、保證柵源之間的直流通路。

四、例

1.4.4 場效應管與晶體管的比較

一、場效應管為電壓控制、輸入電阻高、基本不需要輸入電流，晶體管電流控制、需要信號源提供一定的電流；

二、場效應管只有多子參與導電、穩定性好，晶體管因為有少子參與導電，受溫度、輻射等因素影響大；

三、場效應管噪聲系數很小；

四、場效應管漏極、源極可以互換，而晶體管很少這樣；

五、場效應管比晶體管種類多，靈活性高；

六、場效應管應用更多。

1.5 單結晶體管和晶閘管 1.6 集成電路中的元件

第四篇：半導體器件物理實驗報告格式

微電子學院

《半導體器件實驗》

實驗報告

實驗名稱：作者姓名：作者學號：同 作 者：實驗日期：

實驗報告應包含以下相關內容：

實驗名稱：

一、實驗目的二、實驗原理

三、實驗內容

四、實驗方法

五、實驗器材及注意事項

六、實驗數據與結果

七、數據分析

八、回答問題

實驗報告要求：

1.使用實驗報告用紙；

2.每份報告不少于3頁手寫體，不含封皮和簽字后的實驗原始數據部分；

3.必須加裝實驗報告封皮，本文中第一頁內容，打印后填寫相關信息。

4.實驗報告格式為：封皮、內容和實驗原始數據。

第五篇：半導體器件原理課程復習提綱

《半導體器件原理》課程復習提綱

基礎：半導體物理基本概念、物理效應，p－n結。重點：雙極型晶體管、JFET、GaAs MESFET、MOSFET。了解：材料物理參數、器件直流參數和頻率參數的意義。

根據物理效應、重要方程、實驗修正，理解半導體器件工作原理和特性，進行器件設計、優化、仿真與建模。

第一章：半導體物理基礎

主要內容包括半導體材料、半導體能帶、本征載流子濃度、非本征載流子、本征與摻雜半導體、施主與受主、漂移擴散模型、載流子輸運現象、平衡與非平衡載流子。

半導體物理有關的基本概念，質量作用定律，熱平衡與非平衡、漂移、擴散，載流子的注入、產生和復合過程，描述載流子輸運現象的連續性方程和泊松方程。（紅色部分不作考試要求）第二章：p－n結

主要內容包括熱平衡下的p－n結，空間電荷區、耗盡區（耗盡層）、內建電場等概念，p－n結的瞬態特性，結擊穿，異質結與高低結。

耗盡近似條件，空間電荷區、耗盡區（耗盡層）、內建電勢等概念，討論pn結主要以突變結（包括單邊突變結）和線性緩變結為例，電荷分布和電場分布，耗盡區寬度，勢壘電容和擴散電容的概念、定義，直流特性：理想二極管IV方程的推導

對于考慮產生復合效應、大注入效應、溫度效應對直流伏安特性的簡單修正。PN的瞬態特性，利用電荷控制模型近似計算瞬變時間。結擊穿機制主要包括熱電擊穿、隧道擊穿和雪崩擊穿。要求掌握隧道效應和碰撞電離雪崩倍增的概念，雪崩擊穿條件，雪崩擊穿電壓、臨界擊穿電場及穿通電壓的概念，異質結的結構及概念，異質結的輸運電流模型。高低結的特性。（紅色部分不作考試要求）

第三章：雙極型晶體管

主要內容包括基本原理，直流特性，頻率響應，開關特性，異質結晶體管。

晶體管放大原理，端電流的組成，電流增益的概念以及提高電流增益的原則和方法。理性晶體管的伏安特性，工作狀態的判定，輸入輸出特性曲線分析，對理想特性的簡單修正，緩變基區的少子分布計算，基區擴展電阻和發射極電流集邊效應，基區寬度調制，基區展寬效應，雪崩倍增效應，基區穿通效應，產生復合電流和大注入效應，晶體管的物理模型E－M模型和電路模型G－P模型。跨導和輸入電導參數，低頻小信號等效電路和高頻等效電路，頻率參數，包括共基極截止頻率fα和共射極截止頻率fβ的定義，特征頻率fT的定義，頻率功率的限制，其中少子渡越基區時間，提高頻率特性的主要措施。開關特性的參數定義，開關時間的定義和開關過程的描述，利用電荷控制方程簡單計算開關時間。開關晶體管中最重要的參數是少子壽命。異質結雙極型晶體管的結構及優點。（紅色部分不作考試要求）第四章：結型場效應晶體管

主要內容包括金半接觸，肖特基勢壘二極管，結型場效應晶體管，肖特基柵場效應晶體管，異質結MESFET。

金半接觸包括肖特基勢壘接觸和歐姆接觸，肖特基勢壘高度，及它與內建電勢的關系，可以把它看成單邊突變結進行計算，肖特基效應，肖特基勢壘二極管SBD的伏安特性。歐姆接觸以及影響接觸電阻的因素。結型場效應晶體管（JFET）的工作原理，伏安特性，使用緩變溝道近似模型等理想條件，伏安特性分為線性區和飽和區，分別定義了溝道電導（漏電導）和跨導。輸出特性和轉移特性曲線，直流參數，包括夾斷電壓VP，飽和漏極電流IDSS，溝道電阻，漏源擊穿電壓BVDS的定義及計算。簡單理論的修正，利用電荷控制法分析溝道雜質任意分布對器件伏安特性的影響，高場遷移率對器件伏安特性的影響。交流小信號等效電路和高頻等效電路，頻率參數，特征（截止）頻率fT的定義及計算，最高振蕩頻率fm的定義。肖特基柵場效應晶體管（MESFET）的工作原理與JFET相同，只不過用肖特基勢壘代替pn結，MESFET的分類，伏安特性，溝道電導（漏電導）和跨導的概念，夾斷電壓和閾值電壓的概念和計算。交流小信號等效電路，特征截止頻率的定義，提高MESFET輸出功率的一些主要措施，MESFET的建模，包括I－V、C－V、SPICE模型。異質結MESFET。（紅色部分不作考試要求）

第五章：MOS器件

主要內容包括MOS結構，MOS二極管，MOS場效應晶體管

MOS器件與雙極晶體管的比較。

MOS結構基本理論，平帶電壓VFB，表面勢，費米勢的定義，表面狀態出現平帶、積累、耗盡反型情況。MOS器件表面強反型的判定條件。MOSFET的基本結構和工作原理，分類。閾值電壓的定義及計算。直流伏安特性方程，弱反型（亞閾值）區的伏安特性，輸出特性和轉移特性曲線，直流參數，包括飽和漏源電流IDSS，截止漏電流，導通電阻，導電因子。交流小信號等效電路和高頻等效電路，低頻小信號參數，包括柵跨導的定義，以及柵源電壓、漏源電壓和串聯電阻RS、RD對跨導的影響，提高跨導（增大β因子）的方法；襯底跨導，非飽和區漏電導，飽和區漏電導不為零主要由于溝道長度調制效應和漏感應源勢壘降低效應（DIBL效應）。頻率特性主要掌握跨導截止頻率ωgm和特征截止頻率fT的定義，以及提高頻率特性的途徑。了解MOSFET的功率特性（高頻功率增益、輸出功率和耗散功率）和功率結構，以及擊穿特性的主要擊穿機理：漏源擊穿（漏襯底雪崩擊穿、溝道雪崩擊穿和勢壘穿通）和柵絕緣層擊穿。

開關特性，主要以CMOS倒相器為例，開關時間的定義及簡單計算，包括截止關閉時間和導通開啟時間，開關過程的簡單描述。溫度特性主要掌握遷移率和閾值電壓與溫度的關系。

短溝道效應（SCE）和窄溝道效應（NWE）。速度飽和效應對漏特

性及跨導的影響。熱載流子效應（HCE），造成器件的長期可靠性問題。短溝道MOSFET，MOS保持長溝道特性的兩個判定標準。具有長溝道特性的最小溝道長度的經驗公式。器件小型化的規則，以及按比例縮小存在一定的限制。第六章：新型半導體器件簡介

主要內容包括現代MOS器件，CCD器件，存儲器件，納米器件，功率器件，微波器件，光電子器件，量子器件等。（紅色部分不作考試要求）