半导体器件中的low-k技术（精选五篇）

第一篇：半导体器件中的low-k技术

半导体集成电路中的low-k技术

摘要：随着芯片集成度的不断提高，RC时延、串扰噪声和功耗等越来越成为严重的问题。low-k(低介电常数)技术在这样的背景下产生并逐渐应用到集成电路工艺中。low-k材料代替SiO2能够进一步提高芯片的速度，但在low-k材料带来巨大技术优势的同时，也带来了一些技术性难题。研究新型low-k材料并提升其相应的性能，将极大的促进集成电路的发展。关键词: 集成电路 low-k技术 低介电常数 多孔材料 前言

随着超大规模集成电路(Very Large Scale Integration,VLSI)的高速发展，芯片的集成度不断提高，特征尺寸不断减小。金属互连的多层布线导致金属导线的电阻、线间电容和层间电容增大，从而使RC延迟时间、串扰噪声和功耗等增加，这些问题成为集成电路进一步发展的制约因素[1,2]。为了解决上述问题，提高芯片的速度，一方面用采用Cu金属互连线代替Al金属，减少电阻(Cu电阻率为1.75 ×10-8Ω·m，Al电阻率2.83 ×10-8Ω·m)。另一方面用low-k电介质(k<3)代替SiO2(k=3.9~4.2)，降低金属互连层间绝缘层的介电常数k[3,4]。90 nm工艺要求k = 3.0～2.9；65 nm工艺要求k = 2.8～2.7；45 nm 工艺要求k = 2.6～2.5[3]；32nm及以下工艺要求k值在2.4之下[5]。因此，low-k技术已经成为集成电路领域的重点研究内容之一。low-k技术的优势

图1 分布电容示意图

low-k技术就是就是寻找介电常数(k)较小的材料作为芯片内部电路层之间的绝缘介质ILD(Inter Layer Dielectrics，层间电介质)，防止各层电路的相互干扰，以提升芯片的稳定性和工作频率。集成电路的速度由晶体管的栅延时和信号的传播延时共同决定，使用high-k材料可以有效地降低栅延时。RC时延由金属导线的电阻R和内部电介质形成的电容C决定

[6]

。由于ILD的存在，导线之间就不可

避免的存在分布电容。在集成电路内，RC时延决定于电阻R与电容C的乘积值，其值越小，速度越快。R值由材料的性质决定，因此降低电容值就可改善线路的传输速度。电容值与与ILD的介电常数K相关，K值越小，电容值越小。所以，low-k技术的实质就是寻找k值尽量小的材料以降低R ×C的值，减小延迟，进而提升芯片速度。

在另一方面，low-k技术还可以降低线路串扰。当一条传输线传送信号

时，通过互感作用在另一条传输线上产生感应信号，或者通过电容产生耦合信号，这两种现象统称为串扰。串扰可使相邻传输线中出现异常的信号脉冲，造成逻辑电路的误动作。耦合干扰是由导线间的寄生电容引起的，根据容抗表达式XC=1/2nfC可知：电容的容量C越大，XC越小，信号越容易从一根导线穿越电介质到达另一根导线，线路间的串扰就越严重；信号的频率f越高，脉冲的上升、下降时间越短，串扰也越严重[6]。

由上面可以看出，使用low-k材料作为ILD，可以降低分布电容，进而缩短了RC时延，提高了芯片的速度；另外，分布电容的降低可以降低信号串扰，允许互连线之间的距离更近，可进一步提高芯片的集成度。low-k材料

3.1 低介电性能

材料的介电性能主要取决于构成材料微观成分的分子极化率，其宏观量相对介电常数εr，和微观量极化率α之问的关系为

(εr－1)/(εr+2)=Ｎα／3ε

０

上式又称为Clausius－Mossotti 方程，其中，Ｎ为介质单位体积内极化质点数[8]。电介质的介电常数与其分子在电场中的极化强度大小和单位体积内分子数目有关，分子的极化强度越高，材料单位体积内的分子数越多，介电常数越大。因此可以通过两种途径降低材料的介电常数：一是降低自身的极性和极化率，包括降低材料中电子极化率，离子极化率以及分子极

化率，通常是掺入强电负性的元素，能将电子牢牢地束缚住，使Si-O-Si网络结构由四面体Sp3轨道转为极性较弱的sp2轨道；二是降低单位体积内极化分子的密度。由于通过降低分子的极化率来降低材料的介电常数是有限的，目前降低材料介电常数多是通过引入介电常数约等于1.0的空气孔隙来实现的，这主要是由于通过引入孔隙，降低了材料单位体积内极化分子的数目[8,9]。

3.2 几种low-k材料的介绍

下面将介绍几种low-k材料。3.2.1 无机多空材料

(1)氧化硅多孔材料 氧化硅材料具有良好的化学稳定性和热稳定性，与硅基板具有良好的相容性，因此在众多低介电常数材料中是最具发展前景的．氧化硅多孔材料因具有更低的介电常数，在目前集成电路高度密集化的发展过程中，获得了广泛关注，其介电常数在1.99~2.45之间。

(2)氮化硅多孔材料 氮化硅材料具有耐腐蚀、机械强度高、耐高温、介电常数低(5.6)和介电损耗小的特点。采用浆料注人法和硅胶循环渗透法，在750。C反应条件下制备出熔融石英纤维增强多孔氮化硅低介电常数陶瓷材料，在高测试频率下材料的介电常数为2.8-3.1。

(3)多孔a—C：F薄膜 尽管a—C：F薄膜作为低介电材料的应用受到人们质疑(热稳定性和力学性能较差)，但对它的研究探索却一直未停止。多孔a-C：F薄膜的出现使得a-C：F薄膜

开始迈向超低k材料领域。其介电常数值在2.1~2.7之间。3.2.2 有机多孔材料

(1)聚酰亚胺多孔材料 聚酰亚胺是以酰亚胺环为结构特征的高分子聚合物，利用聚酰亚胺制备的薄膜具有耐高低温特性、耐辐射性、优良的黏接性、电气绝缘性和机械性能。其薄膜介电常数可降至1.8左右[12]。

(2)聚乙烯多空材料 聚乙烯是一种非极性高分子材料，且具有无毒、耐化学腐蚀、吸水性小、电绝缘性能优良和价格低廉的优点，非常适合用作低介电常数材料。介电常数主要受孔隙率的影响．当孔隙率为62.9%时，薄膜的介电常数可降低至1.56。

(3)含氟聚合物多孔材料 聚四氟乙烯(PTFE)因具有良好的机械强度、低的介电常数和较高的玻璃化转变温度，被认为是一种理想的低介电常数材料。介电常数可达1.5，在400℃ 以下不发生分解反应。

(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匀的薄膜结构，介电常数低至2.2，这种材料已经被应用于集成电路制备过程中。

3.2.3 有机／无机复合多孔低介电常数材料

(1)倍半硅氧烷基多孔复合材料 倍半硅氧烷材料具有低的介电常数，其中甲基倍半硅氧烷(MSQ)的介电常数为2.6~2.8，已经被广泛应用于微电子领域。通过在这种基体材料中引入孔隙的方法可以进一步降低介电常

数。

(2)沸石聚酰亚胺多孔复合材料 沸石是具有微孔结构的铝硅酸盐化合物，具有窄分布分子尺寸的孔隙以及低的介电常数．将沸石与低介电常数的聚合物混合，采用旋涂法可以获得无机／有机复合多孔薄膜，孔隙来自于沸石本身，这种薄膜材料具备低的介电常数且综合了无机、有机材料的优点，具备良好的机械性能和热稳定性。采用旋涂法制备出的无机／有机复合多孔薄膜，薄膜的介电常数为2.00~2.56 [9,10]。

对低介电常数材料的研究已经从无空低介电常数材料发展到多孔低介电常数材料，从单一组分的多孔低介电常数材料发展到多组分的复合多孔低介电常数材料。low-k技术面临的挑战

尽管low-k材料有许多的技术优势，但除了低介电常数的特性以外，还需要具备以下性质：在电学性能方面，要有高击穿电压、低损耗、低漏电流和非等向特征；在力学方面，要有高附着力、高硬度、搞机械强度和低残余应力；在化学性能方面，要符合低的释气量、不与金属反应、高的憎水性等特性[7]

；在热学方面，要有高热稳定性、低热膨胀率和高热导率

[2,10]。

与SiO2相比，low-k材料密度较低，这样带来两个问题，一是热传导性能较差，不利于芯片内热量的散发，由此导致芯片热稳定性变坏；二是铜更容易扩散进入绝缘层材料的孔隙

中，不仅影响了互连的可靠性，如果不采取适当防扩散工艺措施，情况严重时会因电解质中铜含量过高而带来漏电和功耗升高问题。在制造工艺上，由于low-k材料的松软结构和易渗透性，使得CMP(Chemical Mechanical Polishing,化学机械抛光)和清洁工序变得更为艰难，并导致成品率下降和生产成本的提高[6]。结束语

2011年国际半导体技术蓝图(International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS)指出，low-k材料的空气隙结构被认为是ILD潜在解决方案的主流，因为它在逐渐成熟。ITRS团队坚定地认为，除了使用空气隙结构，对任何多孔超低k值(k<2)材料的进一步改进都不可能引起k值大幅减小。对低k值，这是材料解决方案的结束，也是结构解决方案的开始[11]。除了降低k值，low-k技术在其他方面也要解决一些关键性问题，如多孔材料的化学抵抗能力和机械强度，ALD的阻挡效率以及互连结构的电学稳定性等问题。

参考文献：

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[10] 殷桂琴,袁强华.旋转涂覆法制备硅基多孔低k薄膜材料的研究进展.材料导报.2010,24(4):40-43 [11] 周润玺 译，黄庆红 校.国际半导体技术发晨路线图(IRS)2011版综

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第二篇：说课稿-半导体器件

尊敬的各位领导、各位老师下午好，我今天说课的题目是：平衡PN结

一、分析教材

首先我对本节的教材内容进行分析：

《半导体器件物理》是应用物理学专业的一门重要专业方向课程。通过本课程的学习，使学生能够结合各种半导体的物理效应掌握常用和特殊半导体器件的工作原理，从物理角度深入了解各种半导体器件的基本规律。PN结是构成各类半导体器件的基础，如双极型晶体管、结型场效应晶体管、可控硅等，都是由PN结构成的。PN结的性质集中反映了半导体导电性能的特点，如存在两种载流子、载流子有漂移运动、扩散运动、产生与复合三种基本运动形式等。获得在本课程领域内分析和处理一些最基本问题的初步能力，为进一步深入学习和独立解决实际工作中的有关问题奠定一定的基础。

根据以上分析，结合本节教学要求，再联系学生实际，我确立了以下教学目标：

1、知识目标

(1)了解PN结的结构、制备方法；

(2)掌握平衡PN结的空间电荷区和能带图；

(3)掌握平衡PN结的载流子浓度分布。

2、能力目标

(1)通过典型图例，指导学生进行观察和认识PN结，培养学生的观察现象、分析问题以及理论联系实际的能力；

(2)指导学生自己分析，借助教材和图例，培养学生的动手能力以及通过实验研究问题的习惯；

3、情感目标

(1)培养学生学习半导体器件物理的兴趣，进而激发学生对本专业热爱的激情；

(2)培养学生科学严谨的学习态度。

考虑到一方面学生的文化基础比较薄弱，综合解决问题的能力有待提高，另一方面，对于高职类学校的学生而言，要求有较强的动手能力，我把教学的重点和难点设置如下：

1、教学重点

平衡p–n结空间电荷区的形成；平衡p–n结的能带图

2、教学难点

平衡p–n结中载流子的分布

二、说教法

兴趣是推动学生求知欲的强大动力，在教学中把握学生好奇心的特点至关重要。另一方面，在教学课堂中，不仅要求传授书本的理论知识，更要注重培养学生的思维判断能力、依据理论解决实际问题的能力以及自学探索的能力。据此，我准备以演示法和引导式教学为主，遵循学生为学生为主体，教师为主导的原则，通过讲授理论知识，使学生获得必要的感性认识，让疑问激起他们的学习研究兴趣，然后再引导学生掌握必要的基础知识，最后在开放的课堂上提供学生进一步研究的机会，满足他们的好奇心，开发他们的创新潜力。

三、说学法

学生是教学活动的主体，教学活动中要注意学生学法的指导，使学生从“学会”转化为“会学”。根据教学内容，本节采用观察、分析的学习方法，在做好演示图例的同时，引导学生合作讨论，进而获取知识。

另外，在教学过程中，我还会鼓励学生运用探究性的学习方法，培养他们发现、探究、解决问题的能力。

四、说教学过程

为了完成教学目标，解决教学重点，突破教学难点，课堂教学我准备按以下几个环节展开：

1、新课导入

通过半导体物理基础的学习，分析了P型和N型半导体中的载流子浓度分布和运动情况，如果将P型和N型半导体结合在一起，在二者的交界处就形成了PN结。首先学习PN结。引出问题：什么是PN结？

设计意图：通过问题的提出，引导学生形成对所学事物的轮廓，丰富他们的感性认识，吸引学生的注意力和好奇心。

2、讲解新课

通过讲解在本征半导体中参入不同杂质，引出半导体的一个特殊结构：PN结。

(1)讲解PN结

用图示演示PN结的基本结构，两种不同类型的半导体：P型半导体和N型半导体。为了加深学生的理解，可以采用情景教学的方式，让学生在轻松有趣的互动游戏中掌握枯燥的概念。

(2)平衡PN结的空间电荷区和能带图

通过图例展示，教师讲解平衡PN结空间电荷区的形成和能带图，然后让学生复述，倾听学生自己的理解，在此基础上进一步分析，讲解各名词的概念：扩散、漂移、空间电荷区、自建电场、势垒、势垒区。

(3)平衡PN结的接触电势差

由此，也进一步引出N区和P区之间存在电势差，称为PN结的接触电势差。给出n区电子浓度、p区空穴浓度的公式，引导学生推导接触电势差。

(4)平衡PN结的载流子浓度分布

通过图示回顾上课过程中提到的空间电荷区、自建电场、扩散、漂移、载流子的耗尽等概念，总结平衡PN结的载流子浓度分布并给出示意图。

3、归纳总结，布置作业

设计问题，由学生回答问题,通过设问回答补充的方式小结，学生自主回答三个问题，教师关注全体学生对本节课知识的掌握程度，学生是否愿意表达自己的观点。

(1)什么是PN结？

(2)PN结的制备方法有哪些？

(3)平衡PN结的空间电荷区是如何形成的？

(4)平衡PN结的能带图中费米能级的作用？

(5)平衡PN结接触电势差的推导过程？

设计意图：通过提问方式引导学生进行小结，养成学习——总结——再学习的良好习惯，发挥自我评价作用，同时可培养学生的语言表达能力。作业分层要求，做到面向全体学生，给基础好的学生充分的空间，满足他们的求知欲。

五、板书设计

采用三栏式

以上，我从教材、教法、学法、教学过程和板书设计五个方面对本课进行了说明，我的说课到此结束，谢谢各位评委老师。

第三篇：常用半导体器件教案

第一章

常用半导体器件

1.1 半导体基础知识

1.1.1 本征半导体

一、半导体

1． 概念：导电能力介于导体和绝缘体之间。2． 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。

二、本征半导体的晶体结构（图1.1.1）

1． 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。2． 共价键

三、本征半导体中的两种载流子（图1.1.2）

1． 本征激发：在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。2． 空穴：讲解其导电方式； 3． 自由电子

4． 复合：自由电子与空穴相遇，相互消失。5． 载流子：运载电荷的粒子。

四、本征半导体中载流子的浓度

1． 动态平衡：载流子浓度在一定温度下，保持一定。2． 载流子浓度公式：

nipiK1T3/2eEGO/(2kT)

自由电子、空穴浓度（cm5－

3），T为热力学温度，k为波耳兹曼常数（8.6310eV/K），EGO为热力学零度时破坏共价键所需的能量（eV），又称禁带宽度，K1是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。

1.1.2 杂质半导体

一、概念：通过扩散工艺，掺入了少量合适的杂质元素的半导体。

二、N型半导体（图1.1.3）

1． 形成：掺入少量的磷。2． 多数载流子：自由电子 3． 少数载流子：空穴

4． 施主原子：提供电子的杂质原子。

三、P型半导体（图1.1.4）

1． 形成：掺入少量的硼。2． 多数载流子：空穴 3． 少数载流子：自由电子

4． 受主原子：杂质原子中的空穴吸收电子。

5． 浓度：多子浓度近似等于所掺杂原子的浓度，而少子的浓度低，由本征激发形成，对温度敏感，影响半导体的性能。

1.1.3 PN结

一、PN结的形成（图1.1.5）

1． 扩散运动：多子从浓度高的地方向浓度低的地方运动。2． 空间电荷区、耗尽层（忽视其中载流子的存在）3． 漂移运动：少子在电场力的作用下的运动。在一定条件下，其与扩散运动动态平衡。4． 对称结、不对称结：外部特性相同。

二、PN结的单向导电性

1． PN结外加正向电压：导通状态（图1.1.6）正向接法、正向偏置，电阻R的作用。（解释为什么Uho与PN结导通时所表现的外部电压相反：PN结的外部电压为U即平时的0.7V，而内电场的电压并不对PN结的外部电压产生影响。）

2． PN结外加反向电压：截止状态（图1.1.7）反向电压、反向偏置、反向接法。形成漂移电流。

三、PN结的电流方程

1． 方程（表明PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系）：

iIS(euUT1)

UTkT

q为电子的电量。q2．平衡状态下载流子浓度与内电场场强的关系： 3． PN结电流方程分析中的条件：

4． 外加电压时PN结电流与电压的关系：

四、PN结的伏安特性（图1.1.10）

1． 正向特性、反向特性

2． 反向击穿：齐纳击穿（高掺杂、耗尽层薄、形成很强电场、直接破坏共价键）、雪崩击穿（低掺杂、耗尽层较宽、少子加速漂移、碰撞）。

五、PN结的电容效应

1． 势垒电容：（图1.1.11）耗尽层宽窄变化所等效的电容，Cb（电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充放电过程相同）。与结面积、耗尽层宽度、半导体介电常数及外加电压有关。2． 扩散电容：（图1.1.12）

（1）平衡少子：PN结处于平衡状态时的少子。

（2）非平衡少子：PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子。

（3）浓度梯度形成扩散电流，外加正向电压增大，浓度梯度增大，正向电流增大。

（4）扩散电容：扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同。i越大、τ越大、UT越小，Cd就越大。

（5）结电容CjCbCd

pF级，对于低频忽略不计。

1.2 半导体二极管

（几种外形）（图1.2.1）

1.2.1 半导体二极管的几种常见结构（图1.2.2）

一、点接触型：电流小、结电容小、工作频率高。

二、面接触型：合金工艺，结电容大、电流大、工作频率低，整流管。

三、平面型：扩散工艺，结面积可大可小。

四、符号

1.2.2 二极管的伏安特性 一、二极管的伏安特性

1． 二极管和PN结伏安特性的区别：存在体电阻及引线电阻，相同端电压下，电流小；存在表面漏电流，反向电流大。

2． 伏安特性：开启电压（使二极管开始导通的临界电压）（图1.2.3）

二、温度对二极管方案特性的影响

1． 温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。

2． 室温时，每升高1度，正向压降减小2～2.5mV；每升高10度，反向电流增大一倍。

1.2.3 二极管的主要参数

一、最大整流电流IF：长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。

二、最高反向工作电压UR：工作时，所允许外加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。

三、反向电流IR：未击穿时的反向电流。越小，单向导电性越好；此值对温度敏感。

四、最高工作频率fM：上限频率，超过此值，结电容不能忽略。

1.2.4 二极管的等效电路 一、二极管的等效电路：在一定条件下，能够模拟二极管特性的由线性元件所构成的电路。一种建立在器件物理原理的基础上（复杂、适用范围宽），另一种根据器件外特性而构造（简单、用于近似分析）。

二、由伏安特性折线化得到的等效电路：（图1.2.4）

1． 理想二极管：注意符号 2． 正向导通时端电压为常量

3． 正向导通时端电压与电流成线性关系 4． 例1（图1.2.5）三种不同等效分析：（1）V远远大于UD，（2）UD变化范围很小，(3)接近实际情况。5． 例2（图1.2.6）三、二极管的微变等效电路（图1.2.7）（图1.2.8）（图1.2.9）

动态电阻的公式推倒：

1.2.5 稳压二极管

一、概念：一种由硅材料制成的面接触型晶体二极管，其可以工作在反向击穿状态，在一定电流范围内，端电压几乎不变。

二、稳压管的伏安特性：（图1.2.10）

三、稳压管的主要参数

1． 稳定电压UZ：反向击穿电压，具有分散性。2． 稳定电流IZ：稳压工作的最小电流。

3． 额定功耗PZM：稳定电压与最大稳定电流的乘积。4． 动态电阻rZ：稳压区的动态等效电阻。

5． 温度系数α：温度每变化1度，稳压值的变化量。小于4V为齐纳击穿，负温度系数；大于7V为雪崩击穿，正温度系数。

四、例（图1.2.11）

1.2.6 其他类型二极管

一、发光二极管（图1.2.12）可见光、不可见光、激光；红、绿、黄、橙等；开启电压大。

二、光电二极管（图1.2.13）远红外接受管，伏安特性（图1.2.14）光电流（光电二极管在反压下，受到光照而产生的电流）与光照度成线性关系。

三、例（图1.2.15）

1.3 双极型晶体管

双极型晶体管（BJT: Bipolar Junction Transistor）几种晶体管的常见外形（图1.3.1）

1.3.1 晶体管的结构及类型（图1.3.2）

一、构成方式：同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结。

二、结构：

1． 三个区域：基区（薄且掺杂浓度很低）、发射区（掺杂浓度很高）、集电区（结面积大）；

2． 三个电极：基极、发射极、集电极； 3． 两个PN结：集电结、发射结。

三、分类及符号：PNP、NPN 1.3.2 晶体管的电流放大作用

一、放大：把微弱信号进行能量的放大，晶体管是放大电路的核心元件，控制能量的转换，将输入的微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。

二、基本共射放大电路（图1.3.3）

1． 输入回路：输入信号所接入的基极－发射极回路；

2． 输出回路：放大后的输出信号所在的集电极－发射极回路； 3． 共射放大电路：发射极是两个回路的公共端； 4． 放大条件：发射结正偏且集电结反偏；

5． 放大作用：小的基极电流控制大的集电极电流。

三、晶体管内部载流子的运动（图1.3.4）分析条件uI0

1． 发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE，空穴电流IEP由于基区掺杂浓度很低，可以忽略不计；IEIENIEP

2． 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成电流IBN；

3． 集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流IC，其中非平衡少子的漂移形成ICN，平衡少子形成ICBO。

ICBO4． 晶体管的电流分配关系：ICICNICBO，IBIBNIEPICBOIB，IEIBIC

四、晶体管的共射电流放大系数

1． 共射直流电流放大系数：ICNICICBO IBIBICBO2． 穿透电流ICEO：ICIB(1)ICBOIBICEO

基极开路时，集电极与发射极之间的电流；

3． 集电结反向饱和电流ICBO：发射极开路时的IB电流； 4．近似公式：ICIB，IE(1)IB

5． 共射交流电流放大系数：当有输入动态信号时，ic iB6． 交直流放大系数之间的近似：若在动态信号作用时，交流放大系数基本不变，则有iCICiCIBICEOiB(IBiB)ICEO因为直流放大系数在线性区几乎不变，可以把动态部分看成是直流大小的变化，忽略穿透电流，有：，放大系数一般取几十至一百多倍的管子，太小放大能力不强，太大性能不稳定；

7． 共基直流电流放大系数：ICN，，

1IE1iC， iE8． 共基交流电流放大系数：

1.3.3 晶体管的共射特性曲线

一、输入特性曲线（图1.3.5）iBf(uBE)u的能力有关。

二、输出特性曲线（图1.3.6）iCf(uCE)IB常数CE常数，解释曲线右移原因，与集电区收集电子

（解释放大区曲线几乎平行于横轴的原因）

1． 截止区：发射结电压小于开启电压，集电结反偏，穿透电流硅1uA，锗几十uA；

2． 放大区：发射结正偏，集电结反偏，iB和iC成比例；

3． 饱和区：双结正偏，iB和iC不成比例，临界饱和或临界放大状态（uCB0）。

1.3.4 晶体管的主要参数

一、直流参数

1． 共射直流电流系数 2． 共基直流电流放大系数 3． 极间反向电流ICBO

二、交流参数 1． 共射交流电流放大系数 2． 共基交流电流放大系数

3． 特征频率fT：使下降到1的信号频率。

三、极限参数（图1.3.7）

1． 最大集电极耗散功率PCM；

2． 最大集电极电流ICM：使明显减小的集电极电流值；

3． 极间反向击穿电压：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压，UCBO几十伏到上千伏、UCEO、UEBO几伏以下。

UCBOUCEXUCESUCERUCEO

1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响

一、温度对ICBO影响：每升高10度，电流增加一倍，硅管的ICBO要小一些。

二、温度对输入特性的影响：（图1.3.8）与二极管伏安特性相似。温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移，室温时，每升高1度，发射结正向压降减小2～2.5mV。

三、温度对输出特性的影响：（图1.3.9）温度升高变大。

四、两个例题

1.3.6 光电三极管

一、构造：（图1.3.10）

二、光电三极管的输出特性曲线与普通三极管类似（图1.3.11）

三、暗电流：ICEO无光照时的集电极电流，比光电二极管的大，且每上升25度，电流上升10倍；

四、光电流：有光照时的集电极电流。

1.4 场效应管

1.4.1 结型场效应管 1.4.2 绝缘栅型场效应管

一、N沟道增强型MOS管（图1.4.7）

1． 结构：衬底低掺杂P，扩散高掺杂N区，金属铝作为栅极； 2． 工作原理：

(1)栅源不加电压，不会有电流；

(2)（图1.4.8）uDS0且uGS0时，栅极电流为零，形成耗尽层；加大电压，形成反型层（导电沟道）；开启电压UGS(th)；

(3)（图1.4.9）uGSUGS(th)为一定值时，加大uDS，iD线性增大；但uDS的压降均匀地降落在沟道上，使得沟道沿源－漏方向逐渐变窄；当uGD＝UGS(th)时，为预夹断；之后，uDS增大的部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，此时，对应不同的uGS就有不同的iD，从而可以将iD看为电压uGSiD出现恒流。控制的电流源。

3． 特性曲线与电流方程：(1)特性曲线：（图1.4.10）转移特性、输出特性；

u(2)电流方程：iDIDOGS1

UGS(th)

二、N沟道耗尽型MOS管（图1.4.10）

1． 结构：绝缘层加入大量的正离子，直接形成反型层； 2． 符号

三、P沟道MOS管：漏源之间加负压

四、VMOS管

21.4.3 场效应管的主要参数

一、直流参数

1． 开启电压UGS(th)：是UDS一定时，使iD大于零所需的最小UGS值；

2． 夹断电压UGS(off)：是UDS一定时，使iD为规定的微小电流时的uGS；

3． 饱和漏极电流IDSS：对于耗尽型管，在UGS＝0情况下，产生预夹断时的漏极电流； 4． 直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压与栅极电流之比，MOS管大于10。

二、交流参数

1． 低频跨导：gm9iDuGS

UDS常数2． 极间电容：栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd、1～3pF，漏源电容Cds0.1～1pF

三、极限参数

1． 最大漏极电流IDM：管子正常工作时，漏极电流的上限值； 2． 击穿电压：漏源击穿电压U(BR)DS，栅源击穿电压U(BR)GS。3． 最大耗散功率PDM：

4． 安全注意：栅源电容很小，容易产生高压，避免栅极空悬、保证栅源之间的直流通路。

四、例

1.4.4 场效应管与晶体管的比较

一、场效应管为电压控制、输入电阻高、基本不需要输入电流，晶体管电流控制、需要信号源提供一定的电流；

二、场效应管只有多子参与导电、稳定性好，晶体管因为有少子参与导电，受温度、辐射等因素影响大；

三、场效应管噪声系数很小；

四、场效应管漏极、源极可以互换，而晶体管很少这样；

五、场效应管比晶体管种类多，灵活性高；

六、场效应管应用更多。

1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件

第四篇：半导体器件物理实验报告格式

微电子学院

《半导体器件实验》

实验报告

实验名称：作者姓名：作者学号：同 作 者：实验日期：

实验报告应包含以下相关内容：

实验名称：

一、实验目的二、实验原理

三、实验内容

四、实验方法

五、实验器材及注意事项

六、实验数据与结果

七、数据分析

八、回答问题

实验报告要求：

1.使用实验报告用纸；

2.每份报告不少于3页手写体，不含封皮和签字后的实验原始数据部分；

3.必须加装实验报告封皮，本文中第一页内容，打印后填写相关信息。

4.实验报告格式为：封皮、内容和实验原始数据。

第五篇：半导体器件原理课程复习提纲

《半导体器件原理》课程复习提纲

基础：半导体物理基本概念、物理效应，p－n结。重点：双极型晶体管、JFET、GaAs MESFET、MOSFET。了解：材料物理参数、器件直流参数和频率参数的意义。

根据物理效应、重要方程、实验修正，理解半导体器件工作原理和特性，进行器件设计、优化、仿真与建模。

第一章：半导体物理基础

主要内容包括半导体材料、半导体能带、本征载流子浓度、非本征载流子、本征与掺杂半导体、施主与受主、漂移扩散模型、载流子输运现象、平衡与非平衡载流子。

半导体物理有关的基本概念，质量作用定律，热平衡与非平衡、漂移、扩散，载流子的注入、产生和复合过程，描述载流子输运现象的连续性方程和泊松方程。（红色部分不作考试要求）第二章：p－n结

主要内容包括热平衡下的p－n结，空间电荷区、耗尽区（耗尽层）、内建电场等概念，p－n结的瞬态特性，结击穿，异质结与高低结。

耗尽近似条件，空间电荷区、耗尽区（耗尽层）、内建电势等概念，讨论pn结主要以突变结（包括单边突变结）和线性缓变结为例，电荷分布和电场分布，耗尽区宽度，势垒电容和扩散电容的概念、定义，直流特性：理想二极管IV方程的推导

对于考虑产生复合效应、大注入效应、温度效应对直流伏安特性的简单修正。PN的瞬态特性，利用电荷控制模型近似计算瞬变时间。结击穿机制主要包括热电击穿、隧道击穿和雪崩击穿。要求掌握隧道效应和碰撞电离雪崩倍增的概念，雪崩击穿条件，雪崩击穿电压、临界击穿电场及穿通电压的概念，异质结的结构及概念，异质结的输运电流模型。高低结的特性。（红色部分不作考试要求）

第三章：双极型晶体管

主要内容包括基本原理，直流特性，频率响应，开关特性，异质结晶体管。

晶体管放大原理，端电流的组成，电流增益的概念以及提高电流增益的原则和方法。理性晶体管的伏安特性，工作状态的判定，输入输出特性曲线分析，对理想特性的简单修正，缓变基区的少子分布计算，基区扩展电阻和发射极电流集边效应，基区宽度调制，基区展宽效应，雪崩倍增效应，基区穿通效应，产生复合电流和大注入效应，晶体管的物理模型E－M模型和电路模型G－P模型。跨导和输入电导参数，低频小信号等效电路和高频等效电路，频率参数，包括共基极截止频率fα和共射极截止频率fβ的定义，特征频率fT的定义，频率功率的限制，其中少子渡越基区时间，提高频率特性的主要措施。开关特性的参数定义，开关时间的定义和开关过程的描述，利用电荷控制方程简单计算开关时间。开关晶体管中最重要的参数是少子寿命。异质结双极型晶体管的结构及优点。（红色部分不作考试要求）第四章：结型场效应晶体管

主要内容包括金半接触，肖特基势垒二极管，结型场效应晶体管，肖特基栅场效应晶体管，异质结MESFET。

金半接触包括肖特基势垒接触和欧姆接触，肖特基势垒高度，及它与内建电势的关系，可以把它看成单边突变结进行计算，肖特基效应，肖特基势垒二极管SBD的伏安特性。欧姆接触以及影响接触电阻的因素。结型场效应晶体管（JFET）的工作原理，伏安特性，使用缓变沟道近似模型等理想条件，伏安特性分为线性区和饱和区，分别定义了沟道电导（漏电导）和跨导。输出特性和转移特性曲线，直流参数，包括夹断电压VP，饱和漏极电流IDSS，沟道电阻，漏源击穿电压BVDS的定义及计算。简单理论的修正，利用电荷控制法分析沟道杂质任意分布对器件伏安特性的影响，高场迁移率对器件伏安特性的影响。交流小信号等效电路和高频等效电路，频率参数，特征（截止）频率fT的定义及计算，最高振荡频率fm的定义。肖特基栅场效应晶体管（MESFET）的工作原理与JFET相同，只不过用肖特基势垒代替pn结，MESFET的分类，伏安特性，沟道电导（漏电导）和跨导的概念，夹断电压和阈值电压的概念和计算。交流小信号等效电路，特征截止频率的定义，提高MESFET输出功率的一些主要措施，MESFET的建模，包括I－V、C－V、SPICE模型。异质结MESFET。（红色部分不作考试要求）

第五章：MOS器件

主要内容包括MOS结构，MOS二极管，MOS场效应晶体管

MOS器件与双极晶体管的比较。

MOS结构基本理论，平带电压VFB，表面势，费米势的定义，表面状态出现平带、积累、耗尽反型情况。MOS器件表面强反型的判定条件。MOSFET的基本结构和工作原理，分类。阈值电压的定义及计算。直流伏安特性方程，弱反型（亚阈值）区的伏安特性，输出特性和转移特性曲线，直流参数，包括饱和漏源电流IDSS，截止漏电流，导通电阻，导电因子。交流小信号等效电路和高频等效电路，低频小信号参数，包括栅跨导的定义，以及栅源电压、漏源电压和串联电阻RS、RD对跨导的影响，提高跨导（增大β因子）的方法；衬底跨导，非饱和区漏电导，饱和区漏电导不为零主要由于沟道长度调制效应和漏感应源势垒降低效应（DIBL效应）。频率特性主要掌握跨导截止频率ωgm和特征截止频率fT的定义，以及提高频率特性的途径。了解MOSFET的功率特性（高频功率增益、输出功率和耗散功率）和功率结构，以及击穿特性的主要击穿机理：漏源击穿（漏衬底雪崩击穿、沟道雪崩击穿和势垒穿通）和栅绝缘层击穿。

开关特性，主要以CMOS倒相器为例，开关时间的定义及简单计算，包括截止关闭时间和导通开启时间，开关过程的简单描述。温度特性主要掌握迁移率和阈值电压与温度的关系。

短沟道效应（SCE）和窄沟道效应（NWE）。速度饱和效应对漏特

性及跨导的影响。热载流子效应（HCE），造成器件的长期可靠性问题。短沟道MOSFET，MOS保持长沟道特性的两个判定标准。具有长沟道特性的最小沟道长度的经验公式。器件小型化的规则，以及按比例缩小存在一定的限制。第六章：新型半导体器件简介

主要内容包括现代MOS器件，CCD器件，存储器件，纳米器件，功率器件，微波器件，光电子器件，量子器件等。（红色部分不作考试要求）