半导体器件理论基础

注意

本章不考主观题。

1. 如何理解本征半导体和掺杂半导体材料的导电机理？

   参考答案

   本征半导体就是一块没有杂质和缺陷的半导体，其晶格结构是完美的，在其内部除了硅原子外没有其它任何原子，因此是纯净的。在绝对零度附近，本征半导体的共价键是完整的、饱和的，无本征激发，自然没有电子和空穴；当温度升高时，本征激发过程产生了电子和空穴，这些本征载流子的浓度虽然很低，但仍然可以导电。

   在杂质半导体材料中，由于掺入杂质的数量远大于硅的本征载流子浓度，因此这些半导体材料的导电性不是由本征激发产生的载流子决定，而是受控于材料中所掺入的杂质（包括杂质的数量和类型），即杂质电离为主。在半导体中可以掺入各种各样的杂质，但为了更好的控制半导体材料的导电性，通常掺入元素周期表中的 Ⅲ、Ⅴ 族元素。杂质半导体的导电能力通常高于本征半导体。

2. PN 结电容主要包括（势垒电容）和（扩散电容）两部分。

3. 简述 MOS 场效应晶体管的结构。

   参考答案

   按照导电类型的不同，MOS 管可分为 NMOS 管和 PMOS 管，二者的剖面结构如下图所示。

   

   NMOS 管制作在 P 型硅衬底上（或 P 阱中），有两个重掺杂的 N⁺ 区，分别称为源区 S 和漏区 D，源区和漏区的物理结构是相同的，二者的区别在于电位不同。在源和漏之间 P 型硅上有二氧化硅薄层，该二氧化硅薄层起到绝缘的作用，称为栅氧化层。在二氧化硅上有一导电层，称为栅极 G。源区和漏区之间的区域称为导电沟道（简称沟道）。

   PMOS 管制作在 N 型硅衬底上（或 N 阱中），有两个重掺杂的 P⁺ 区，同样分别称为源区 S 和漏区 D，源区和漏区也是靠电位来区别的。在 PMOS 管的源漏之问加偏压后，将电位高的一端称为源，而电位低的一端称为漏，空穴由源区经过沟道流向漏区，而电流方向也是由源区流向漏区。综合 NMOS 与 PMOS 管可知，源区和漏区的定义为：载流子从源区流出，流入漏区。

   在上图中，PMOS 管和 NMOS 管还分别存在一个重掺杂的 N⁺ 区和 P⁺ 区，这两个区分别称为 PMOS 管和 NMOS 管的体区或衬底 B，其作用为控制 MOS 管的衬底电位。通过上图可知，MOS 管为四端器件，存在源极（S）、漏极（D）、栅极（G）和衬底（B）共四个电极。

4. MOS 场效应晶体管可分为（增强型 NMOS）、（增强型 PMOS）、（耗尽型 NMOS）和（耗尽型 PMOS）共四类。

5. 简述 MOS 场效应晶体管的电流电压特性。

   参考答案

   MOS 管的电流电压特性指的是在不同的栅源电压 $V_\text{GS}$ 条件下 MOS 管的源漏电流 $I_\text{DS}$ 和源漏电压 $V_\text{DS}$ 之间的关系。

   根据不同的栅源电压和不同的源漏电压，MOS 管的工作区域可分为：截止区、线性区、饱和区。以 NMOS 为例，MOS 管在不同工作区域下的电流电压公式为：

   $$I_{\text{DS}} = \begin{cases} 0, & V_{\text{GS}}-V_{\text{TH}}<0 & \text{截止区}\\ \mu_{\text{n}}C_{\text{ox}}\dfrac{W}{L}\left[ \left( V_{\text{GS}}-V_{\text{TH}} \right) V_{\text{DS}}-\dfrac{1}{2}V_{\text{DS}}^{2} \right], & V_{\text{GS}}-V_{\text{TH}}>V_{\text{DS}} & \text{线性区}\\ \dfrac{1}{2}\mu_{\text{n}}C_{\text{ox}}\dfrac{W}{L}\left[ \left( V_{\text{GS}}-V_{\text{TH}} \right) ^2\left( 1+\lambda V_{\text{DS}} \right) \right], & 0<V_{\text{GS}}-V_{\text{TH}}\leq V_{\text{DS}} & \text{饱和区} \end{cases}$$

6. MOS 场效应晶体管的电容主要包括（薄氧化物电容）、（PN 结电容）、（交叠电容）和（耗尽层电容）等四种。

7. 简述双极型晶体管的机构与工作原理。

   参考答案

   双极型晶体管的基本结构是由两个相距非常近的 PN 结构成。双极型晶体管可分为 NPN 和 PNP 型两种，如下图所示。在 NPN 型晶体管的结构示意图中，第一个 N 区为发射区，一般是重掺杂的，用 N⁺ 表示，由该区引出的电极称为发射极 e；中间的 P 区称为基区，基区通常非常薄，由基区引出的电极称为基极 b；第二个 N 区为集电区，由集电区引出的电极称为集电极。在发射区和基区之间的 PN 结称为发射结，如图中虚线所示；在集电区和基区之间的 PN 结称为集电结，如图中虚线所示。在 PNP 型晶体管示意图中，PNP 晶体管 3 个电极和 2 个 PN 结与 NPN 晶体管是完全对应的，而 3 个区的掺杂情况与 NPN 型晶体管刚好相反。

   

   我们以 NPN 型晶体管为例来说明双极型晶体管的工作原理。双极型晶体管有两个 PN 结，为了使双极型晶体管能正常工作，发电结必须正偏，由于 PN 结的正向导通电压约为 $0.7\text{V}$，所以发射结的正向偏压大约需要 $0.8\text{V}$，而在集电结上施加一数值较大的反向偏压，例如 $5-0.8=4.2\text{V}$，如下图所示。

   

   在上图中，由于发射极正向偏置，电子开始从发射区漂移至基区。由于基区非常薄，小于少子（电子）的扩散长度，所以漂移至基区内的电子不会停止运动，而是依靠扩散运动至集电结附近，并被反向偏置的集电结空间电荷区的电场拉至集电区内，最后从集电极流出。由于在整个器件上跨接了更高的电压，所以那些流进正向偏置发射结的电流大部分都流入了顶部的集电区，而其它一小部分电流将从发射区流至基区，并从基极流出。这时输出电流受基极输入电流的控制，具有放大作用。

   对于双极型晶体管来说，基区必须制作得非常薄，小于少子的扩散长度。如果基区的宽度远大于少子的扩散长度，那么从发射区进入到基区的电子将不再向集电区流动，而只是从基极流出，这时双极型晶体管的作用等效于二极管，不再起到电流放大的作用。同样，如果发射结的正向偏置电压小于 $0.8\text{V}$ 的话，双极型晶体管也不会工作。

8. 双极型晶体管的基本性能参数主要包括（共基极直流电流增益）、（共射极直流电流增益）、（发射效率）和（基区输运系数）。