7MESFET 及相关器件(半导体器件物理)

半导体行业内相关名词
1. 微处理器（Microprocessor）: 是一种集成电路，用于执行计算机的指令和操作。

2. 芯片（Chip）: 是半导体材料上制造的集成电路，可以执行特定的功能。

3. 功率半导体（Power semiconductor）: 用于控制和调节电流和电压的半导体器件，常用于电力电子系统和功率放大器等应用。

4. 二极管（Diode）: 是一个具有两个电极的电子器件，主要用于限制电流的方向。

5. 晶体管（Transistor）: 是一种用于放大和开关电路的半导体器件，常用于电子设备中。

6. MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）: 是一种常用的功率半导体器件，被广泛应用于电子电路中。

7. LED（Light-emitting diode）: 是一种能将电能转化为光能的半导体器件，常用于照明、显示和指示等应用。

8. MEMS（Microelectromechanical systems）: 是一种微型机械器件，由微芯片上的微电子器件和微机械系统组成。

9. IC（Integrated circuit）: 是一种通过集成电路制造技术将多个电子器件集成在一起制成的器件。

10. Wafer（晶圆）：也称为半导体晶圆，是用来制造集成电路和微电子器件的基础材料之一。

以上只是半导体行业内的一些常见名词，还有许多其他名词和专业术语与该行业相关。

半导体器件物理课后作业第二章对发光二极管（LED）、光电二极管（PD）、隧道二极管、齐纳二极管、变容管、快恢复二极管和电荷存储二极管这7个二端器件，请选择其中的4个器件，简述它们的工作原理和应用场合。

解：发光二极管它是半导体二极管的一种，是一种固态的半导体器件，可以把电能转化成光能；常简写为LED。

工作原理：发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。

当电子和空穴复合时释放出的能量多少是不同的，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短；反之，则发出的光的波长越长。

应用场合：常用的是发红光、绿光或黄光的二极管，它们主要用于各种LED显示屏、彩灯、工作（交通）指示灯以及居家LED节能灯。

光电二极管光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性，但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。

工作原理：普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光，而电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子—空穴对，称为光生载流子。

它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流迅速增大到几十微安，光的强度越大，反向电流也越大。

这种特性称为“光电导”。

光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。

如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

《半导体器件物理》课程教学大纲课程名称：半导体器件物理课程代码：ELST3202英文名称：Semiconductor Device Physics课程性质：专业必修课学分/学时：3.0 / 63开课学期：第*学期适用专业：微电子科学与工程、电子科学与技术、集成电路设计与集成系统先修课程：半导体物理及固体物理基础后续课程：器件模拟与工艺模拟、模拟集成电路课程设计、大规模集成电路制造工艺开课单位：课程负责人：大纲执笔人：大纲审核人：一、课程性质和教学目标课程性质：《半导体器件物理》课程是微电子科学与工程、电子科学与技术以及集成电路设计与集成系统专业的一门专业必修课，也是三个专业的必修主干课程，是器件模拟与工艺模拟、模拟集成电路课程设计等课程的前导课程，本课程旨在使学生掌握典型的半导体器件的工作机制和特性表征方法，为设计和制造集成电路奠定知识基础。

教学目标：本课程的教学目的是使学生掌握半导体材料特性的物理机制以及典型半导体器件的作用原理。

通过本课程的学习，要求学生能基于半导体物理知识，分析BJT、MOSFET、LED以及Solar Cell等半导体器件的工作原理、器件特性以及影响器件特性的关键参数。

本课程的具体教学目标如下：1、掌握牢固的半导体基础知识，理解半导体器件工作的物理机制。

2、掌握影响半导体器件电学特性的关键因素，能够从半导体器件的电学特性曲线提取半导体器件的关键参数。

3、能够根据给定的器件特性要求，设计和优化器件参数和器件结构。

4、能够对半导体器件的特性进行测量，对测量结果进行研究，并得到合理有效的结论。

二、课程目标与毕业要求的对应关系（一）半导体的晶体结构与能带理论（支持教学目标1）课时：1周，共3课时1. 晶体结构与硅工艺1.1 晶体的结构★1.2 硅工艺简介2. 基本能带理论2.1 能带理论2.2 统计分布的特点2.3 本征与掺杂半导体★（二）载流子输运（支持教学目标1）课时：1周，共3课时1. 传统输运机制★1.1 漂移运动1.2 扩散运动2. 产生复合机制与连续性方程2.1 几种产生复合假设2.2 连续性方程及其基本应用（三）PN结二极管课时：1周，共3课时1. 热平衡状态下的PN结（支持教学目标1）1.1 PN结的形成与能带特点★1.2 突变PN结耗尽近似的基本方程与参数分布★2. 直流偏压下的PN结（支持教学目标1）2.1 载流子与能带分析★2.2 电流电压方程★2.3 异质结（四）双极晶体管课时：4周，共12课时1. 晶体管的工作原理（支持教学目标1）1.1 器件结构特点和工作模式（支持教学目标1）2.1 电流增益（支持教学目标2）★3.1非理想效应（支持教学目标3）★2. 电路模型（支持教学目标1）3. 频率响应（支持教学目标2）★4. 特殊结构晶体管（支持教学目标3）◆（五）MOSFET基础（支持教学目标1）课时：2周，共6课时1. MOS的基本结构与能带分析1.1 能带分析（支持教学目标1）★1.2 阈值电压（支持教学目标2）★2. MOSFET的基本原理2.1 MOSFET结构（支持教学目标1）2.2 电流电压特性（支持教学目标2）★2.3 小信号模型（支持教学目标2）◆（六）MOSFET概念深入课时：3周，共9课时1. 亚阈值特性（支持教学目标1）1.1亚阈值电流机制★1.2亚阈值摆幅2. 非理想效应（支持教学目标1）★2.1沟道长度调制效应2.2表面散射效应2.3速度饱和效应2.4弹道输运3. MOSFET按比例缩小理论（支持教学目标3）3.1按比例缩小理论★3.2阈值电压修正◆4. 击穿级热载流子效应（支持教学目标3）4.1击穿及轻掺杂漏★4.2辐射及热载流子效应思考题：1、Bipolar与MOSFET的比较（七）结型场效应晶体管和功率器件课时：2周，共6课时1. 结型场效应晶体管（支持教学目标1）1.1 JFET工作原理及器件特性1.2 MESFET工作原理及器件特性★1.3 MODFET◆2. 功率器件2.1 功率双极晶体管2.2 功率MOSFET2.3 半导体闸流管（八）光电器件课时：4周，共12课时1. 光谱及光吸收（支持教学目标2）1.1光谱1.2光吸收系数2. 太阳能电池（支持教学目标2）2.1pn结太阳能电池★2.2异质结太阳能电池2.3非晶硅太阳能电池3. 光电探测器（支持教学目标2）◆3.1光导体3.2光电二极管3.3光电晶体管4. LED和激光（支持教学目标3）4.1电致发光4.2发光二极管★4.3激光二极管（九）实验（支持教学目标4）★课时：3周，共9课时1）显微镜下观察MOSFET器件并测量MOSFET器件的尺寸2）MOSFET CV特性测量3）MOSFET 转移、输出特性曲线测量四、教学方法授课方式：A、理论课（讲授核心内容、总结、按顺序提示今后内容、答疑、公布习题和课外拓展学习等）；B、课后练习（按照理论内容进行）；C、实验环节（根据理论课教学内容，要求学生学会简单操作、四探针仪以及探针台并完成实验任务）；D、办公室时间（每周安排固定的办公室时间，学生无需预约，可来教师办公室就课程内、外内容进行讨论）；E、答疑（全部理论课程和实验课程完成后安排1～2次集中答疑，答疑时间不包括在课程学时内，答疑内容包括讲授内容、习题、实验等）；F、期中和期末闭卷考试。

mesfet工作原理MESFET工作原理简介本文将从浅入深的角度解释MESFET（金属-半导体场效应晶体管）的工作原理。

MESFET是一种用于高频和微波应用的半导体器件。

相比于其他晶体管结构，MESFET具有更高的频率响应和更好的线性度。

以下是MESFET工作原理的详细解释：1. MESFET的结构MESFET的基本结构由一个金属门极、一个维持恒定电位的半导体衬底，以及中间位置的半导体通道组成。

半导体通道可以是正负型材料，其中形成的电子浓度决定了电流的大小。

2. 门极控制电流MESFET的工作原理类似于MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管），但不同的是MESFET中没有氧化物层。

当门极上施加一个正电压时，与门极相连的金属电荷会改变半导体通道中的电子浓度，从而影响导电特性。

3. 电流通过通道当金属门极施加一个正电压时，半导体通道中的电子浓度增加，形成一个电子通道，电流可以通过通道流动。

与MOSFET类似，MESFET的导电特性是通过改变通道电子浓度来控制电流。

4. 高频响应特性由于MESFET没有氧化物层的限制，其导电速度更快，因此更适合高频和微波应用。

此外，由于没有氧化物层，MESFET在高温环境下也更加稳定。

5. MESFET的优势•高频响应：MESFET具有出色的高频响应特性，适用于射频放大器、微波发射器等应用。

•线性度：相比其他晶体管结构，MESFET具有更好的线性度，可以实现更准确的信号放大和放大器设计。

•稳定性：由于没有氧化物层，MESFET在高温和恶劣环境下的使用也更加稳定。

6. MESFET的应用MESFET广泛应用于无线通信、雷达、微波天线等领域。

由于其优越的功耗特性和高频响应，MESFET在现代通信系统和雷达技术中扮演着重要的角色。

结论MESFET是一种高频和微波应用的半导体器件，其工作原理基于金属-半导体场效应晶体管结构。

通过控制金属门极的电压，可以改变半导体通道中的电子浓度，从而实现电流的控制和放大。

习题7.1 金属-半导体接触1．当外加偏压为零时，求出金属—半导体二极管的势垒高度和内建电势的理论值。

假设金属的功函数为4.55eV，电子亲和力为4.01eV，且温度为300K时。

2．(a)求出图6.6中，钨-砷化镓肖特基势垒二极管的施主浓度与势垒高度。

(b)比较由图6.8所示饱和电流密度为所得的势垒高度。

(c)反向偏压为 -1V时，计算出耗尽区宽度W、最大电场以及电容。

3．将铜淀积于细心准备的n型硅衬底上，形成一理想的肖特基二极管，若=4.65eV，电子亲和力为4.01eV，,而T＝300K。

计算出零偏压时的势垒高度、内建电势、耗尽区宽度以及最大电场。

4.已知一金属p-n型砷化镓肖特基势垒二极管的电容满足关系式，其中C的单位为，而单位为V。

若二极管面积为，计算出内建电势、势垒高度、掺杂浓度以及其功函数。

5．计算出理想金属-硅肖特基势垒接触的与的值。

假设势全高度为0.8eV，而＝4.01eV。

6．对一金属-硅肖特基势垒接触而言，若势垒高度为0.75eV，而。

计算出在300K时所注入的空穴电流与电子电流问的比，假设，，而。

7.2金半场效应晶体管[MESFET]7．若＝0.9eV且，求出使GaAs MESFET成为一耗尽模式器件(也就是＜0＝的最小外延层厚度为多少？8．若一砷化镓MESFET的掺杂浓度。

尺寸为＝，L＝，，又／(V·s)，而此＝0.89V。

计算出当＝0而＝1V时，的理想值。

9．若图6.10所示的n沟道砷化稼MESFET的势全高度＝0.9V ，，，L ＝1，且Z＝10。

(a)此为增强还是耗尽模式器件?(b)求出阈值电压。

(增强模式表示＞0，而耗尽模式表示＜0＝)10．一n沟道砷化镕MESFET的沟道掺杂浓度，又=0.8V，，L＝1／(V·s)，且Z＝50。

求出当＝0时夹断电压、阈值电压以及饱和电流。

11．若两砷化嫁n沟道MESFET的势垒高度皆为0.85V。

器件1的沟道掺杂浓度，而器件2的计算出阈值电压为零时，两器件分别所需的沟道厚度。

《半导体器件》博士入学考试大纲
1半导体器件物理基础
半导体物理基础，半导体工艺技术。

2 P-N结
工艺步骤，热平衡，势垒电容，电流-电压特性，电荷储存与暂态响应，击穿，异质结。

3 双极型晶体管及相关器件
双极型晶体管工作原理，静态特性，频率响应与开关特性，异质结双极型晶体管，可控硅器件及相关功率器件。

4 MOSFET及相关器件
基本原理，按比例缩小，CMOS与双极型CMOS（BICMOS，绝缘层上MOSFET（SOI），功率MOSFET。

5MESFET及相关器件
金属-半导体接触，金属场效应晶体管（MESFET），调制摻杂场效应晶体管。

6微波二极管、量子效应和热电子器件光电器件
微波技术，隧道二极管，碰撞电离雪崩渡越时间二极管，转移电子器件，量子效应器件，热电子器件。

7 光电器件
辐射跃迁与光的吸收，发光二极管，半导体激光器，光探测器，太阳能电池。

《半导体器件物理》教学大纲课程名称: 半导体器件物理学分: 4 总学时:64 实验学时:（单独设课）其它实践环节：半导体技术课程设计适用专业:集成电路设计与集成系统一、本课程的性质和任务本课程是高等学校本科集成电路设计与集成系统、微电子技术专业必修的一门专业主干课，是研究集成电路设计和微电子技术的基础课程。

本课程是本专业必修课和学位课。

本课程的任务是：通过本课程的学习，掌握半导体物理基础、半导体器件基本原理和基本设计技能，为学习后续的集成电路原理、CMOS模拟集成电路设计等课程以及为从事与本专业有关的集成电路设计、制造等工作打下一定的基础。

二、本课程的教学内容和基本要求一、半导体器件简介1．掌握半导体的四种基础结构；2．了解主要的半导体器件；3．了解微电子学历史、现状和发展趋势。

二、热平衡时的能带和载流子浓度1．了解主要半导体材料，掌握硅、锗、砷化镓晶体结构；2．了解基本晶体生长技术；3．掌握半导体、绝缘体、金属的能带理论；4．掌握本征载流子、施主、受主的概念。

三、载流子输运现象１．了解半导体中两个散射机制；掌握迁移率与浓度、温度的关系；２．了解霍耳效应；３．掌握电流密度方程式、爱因斯坦关系式；４．掌握非平衡状态概念；了解直接复合、间接复合过程；５．掌握连续性方程式；６．了解热电子发射过程、隧穿过程和强电场效应。

四、p-n结１．了解基本工艺步骤：了解氧化、图形曝光、扩散和离子注入和金属化等概念；２．掌握热平衡态、空间电荷区的概念；掌握突变结和线性缓变结的耗尽区的电场和电势分布、势垒电容计算；３．了解理想p-n结的电流-电压方程的推导过程；４．掌握电荷储存与暂态响应、扩散电容的概念；５．掌握p-n结的三种击穿机制。

６．了解异质结的能带图。

五、双极型晶体管及相关器件１．晶体管的工作原理：掌握四种工作模式、电流增益、发射效率、基区输运系数；２．双极型晶体管的静态特性：掌握各区域的载流子分布；了解放大模式下的理想晶体管的电流-电压方程；掌握基区宽度调制效应；3．双极型晶体管的频率响应与开关特性：掌握跨导、截止频率、特征频率、最高振荡频率的概念；4．了解异质结双极型晶体管HBT的结构及电流增益；5．了解可控硅器件基本特性及相关器件。

半导体器件物理II必背公式+考点摘要半⼆复习笔记1.1MOS结构1.费⽶势：禁带中⼼能级(EFi)与费⽶能级(EF)之差的电势表⽰2.表⾯势：半导体表⾯电势与体内电势之差，体内EFi和表⾯EFi之差的电势表⽰3.⾦半功函数差4.P沟道阈值电压注意faifn是个负值1.3 MOS原理1.MOSFET⾮饱和区IV公式2. 跨导定义：VDS⼀定时，漏电流ID随VGS变化率，反映了VGS 对ID 的控制能⼒3. 提⾼饱和区跨导途径4.衬底偏置电压VSB>0，其影响5. 背栅定义：衬底能起到栅极的作⽤。

VSB变化，使耗尽层宽度变化，耗尽层电荷变化；若VGS不变，则反型沟道电荷变化，漏电流变化1.4 频率特性1. MOSFET频率限制因素：①沟道载流⼦的沟道运输时间（通常不是主要的限制因素）②栅电容充放电需要时间2. 截⽌频率：器件电流增益为1时的频率⾼频等效模型如下：栅极总电容CG看题⽬所给条件。

若为理想，CgdT为0，CgsT约等于Cox，即CG=Cox；⾮理想情况即栅源、栅漏之间有交叠，产⽣寄⽣电容：①CgdT的L为交叠部分长度②CgsT的L为L+交叠部分长度（CgsT=Cgs+Cgsp）。

3. 提⾼截⽌频率途径1.5 CMOS1.开关特性2.闩锁效应过程2.1 ⾮理想效应1. MOSFET亚阈特性①亚阈值电流：弱反型态：势垒较低→电⼦有⼀定⼏率越过势垒→形成亚阈值电流②关系式：③注：若VDS>4（kT/e），最后括号部分≈1，IDsub近似与VDS⽆关④亚阈值摆幅S：漏电流减⼩⼀个数量级所需的栅压变化量，S是量化MOS管能否随栅压快速关断的参数。

⑤快速关断：电流降低到Ioff所需VGS变化量⼩。

因此S越⼩越好⑥亚阈特性的影响：开关特性变差：VGS=0时不能理想关断；静态功耗增加⑦措施：提⾼关断/待机状态下器件的阈值电压VT（如通过衬底和源之间加反偏压，使VT增加）、减⼩亚阈值摆幅2. 沟长调制效应（VDS↑?ID↑）①机理理想长沟：L`≈L，导电沟道区的等效电阻近似不变，饱和区电流饱和；实际器件(短沟)：L`②夹断区长度③修正后的漏源电流④影响因素衬底掺杂浓度N 越⼩?ΔL的绝对值越⼤?沟道长度调制效应越显著；沟道长度L越⼩?ΔL的相对值越⼤?沟道长度调制效应越显著3. 迁移率变化①概念：MOSFET载流⼦的迁移率理想情况下：近似为常数；实际受沟道内电场的影响，迁移率⾮常数。