電子科技大學(xué)《微電子器件》課程重點與難點

1、重點與難點第1章半導(dǎo)體器件基本方程一般來說要從原始形式的半導(dǎo)體器件基本方程出發(fā)來求解析解是極其困難的,通常需要先對方程在一定的具體條件下采用某些假設(shè)來加以簡化,然后再來求其近似解。隨著半導(dǎo)體器件的尺寸不斷縮小,建立新解析模型的工作也越來越困難,一些假設(shè)受到了更大的限制并變得更為復(fù)雜。簡化的原則是既要使計算變得容易,又要能保證達(dá)到足夠的精確度。如果把計算的容易度與精確度的乘積作為優(yōu)值的話,那么從某種意義上來說,對半導(dǎo)體器件的分析問題,就是不斷地尋找具有更高優(yōu)值的簡化方法。要向?qū)W生反復(fù)解釋,任何方法都是近似的,關(guān)鍵是看其精確程度和難易程度。此外,有些近似方法在某些條件下能夠采用,但在另外的條件下就

2、不能采用,這會在后面的內(nèi)容中具體體現(xiàn)出來。第2章PN結(jié)第2.1節(jié)PN結(jié)的平衡狀態(tài)本節(jié)的重點是PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成、內(nèi)建電勢的推導(dǎo)與計算、耗盡區(qū)寬度的推導(dǎo)與計算。本節(jié)的難點是對耗盡近似的理解。要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)多子濃度與少子濃度相差極其巨大,從而有助于理解耗盡近似的概念,即所謂耗盡,是指“耗盡區(qū)”中的載流子濃度與平衡多子濃度或摻雜濃度相比可以忽略。第2.2節(jié)PN結(jié)的直流電流電壓方程本節(jié)的重點是對PN結(jié)擴(kuò)散電流的推導(dǎo)。講課時應(yīng)該先作定性介紹,讓學(xué)生先在大腦中建立起物理圖象,然后再作定量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。當(dāng)PN結(jié)上無外加電壓時,多子的擴(kuò)散趨勢正好被高度為qV bi的勢壘所阻擋,電流為零。外加正向電壓時,降低了

3、的勢壘無法阻止載流子的擴(kuò)散,于是構(gòu)成了流過PN結(jié)的正向電流。正向電流的電荷來源是P區(qū)空穴和N區(qū)電子,它們都是多子,所以正向電流很大。外加反向電壓時,由于勢壘增高,多子的擴(kuò)散變得更困難。應(yīng)當(dāng)注意,“勢壘增高”是對多子而言的,對各區(qū)的少子來說,情況恰好相反,它們遇到了更深的勢阱,因此反而更容易被拉到對方區(qū)域去,從而構(gòu)成流過PN結(jié)的反向電流。反向電流的電荷來源是少子,所以反向電流很小。本節(jié)的難點是對有外加電壓時勢壘區(qū)兩旁載流子的運動方式的理解、以及電子(空穴電流向空穴(電子電流的轉(zhuǎn)化。第2.3節(jié)準(zhǔn)費米能級與大注入效應(yīng)本節(jié)的重點是PN結(jié)在外加正向電壓和反向電壓時的能帶圖、大注入條件及大注入條件下的PN

4、結(jié)電流公式。本節(jié)的難點是大注入條件下自建場的形成原因。要向?qū)W生說明,大注入自建場的推導(dǎo)與前面進(jìn)行過的非均勻摻雜內(nèi)建場的推導(dǎo)在本質(zhì)上是相同的,都是令多子電流密度方程為零而解出電場,這也是分析微電子器件時的一種常用方法。第2.4節(jié)PN結(jié)的擊穿本節(jié)的重點是利用雪崩擊穿臨界電場和通過查曲線來求得雪崩擊穿電壓的方法,以及PN結(jié)的實際結(jié)構(gòu)(高阻區(qū)的厚度和結(jié)深對擊穿電壓的影響,這些都是實際工程中的常見問題。本節(jié)的難點是雪崩倍增因子與碰撞電離率之間關(guān)系的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。在講課時可以將對碰撞電離率的簡化移到推導(dǎo)過程的較前處,這樣既顯著簡化了推導(dǎo)過程,又不會影響所得的結(jié)果。對于有能力的學(xué)生可以鼓勵他們看懂教材上的推導(dǎo)過

5、程。本節(jié)的另一個難點是對雪崩擊穿條件的理解。根據(jù)雪崩擊穿條件,當(dāng)電離率積分趨于1時雪崩倍增因子趨于無窮大,此時發(fā)生雪崩擊穿。但是電離率積分趨于1意味著每個載流子通過耗盡區(qū)時只產(chǎn)生一對電子空穴對,這怎么會使電流趨于無窮大呢?答案是每對新的電子空穴對在通過耗盡區(qū)時又會產(chǎn)生一對電子空穴對,從而使載流子無限地增加下去。本節(jié)的第三個難點是對雪崩擊穿臨界電場的理解。這個臨界電場并不是從物理概念推導(dǎo)出來的,而是根據(jù)碰撞電離率強(qiáng)烈地依賴于電場強(qiáng)度的事實而引入的。第2.5節(jié)PN結(jié)的勢壘電容本節(jié)的重點是PN結(jié)勢壘電容的物理意義、勢壘電容的定義和突變結(jié)與線性緩變結(jié)勢壘電容的計算。要特別說明的是,雖然PN結(jié)勢壘電容有

6、與平行板電容器相同的計算公式,但由于勢壘區(qū)的厚度是隨偏壓而變的,所以勢壘電容的值也將隨偏壓而變,是偏壓的函數(shù)。本節(jié)的難點是對實際擴(kuò)散結(jié)的勢壘電容的計算。第2.6節(jié)PN結(jié)的交流小信號特性與擴(kuò)散電容本節(jié)的重點是PN結(jié)擴(kuò)散電容的物理意義、小信號電導(dǎo)和擴(kuò)散電容的計算。應(yīng)該通過將勢壘電容和擴(kuò)散電容在各個方面進(jìn)行比較,特別是這兩種電容的物理意義的比較,使學(xué)生充分理解這兩種電容的本質(zhì)區(qū)別。擴(kuò)散電容上的電荷是儲存在中性區(qū)的非平衡載流子電荷,這一點是容易理解的。但是學(xué)生常常誤認(rèn)為擴(kuò)散電容上的成對的正負(fù)電荷是位于PN結(jié)兩側(cè)的非平衡少子電荷。實際上成對的正負(fù)電荷應(yīng)該是位于PN結(jié)同側(cè)的非平衡少子電荷和非平衡多子電荷。

7、本節(jié)的難點是PN結(jié)小信號交流電流的推導(dǎo)過程,一定要在推導(dǎo)之前先將推導(dǎo)的思路清晰地告訴學(xué)生。第2.7節(jié)PN結(jié)的開關(guān)特性本節(jié)的重點是PN結(jié)的瞬態(tài)開關(guān)特性,其中最重要的知識點是為什么在反向恢復(fù)期間會出現(xiàn)一個很大的反向電流。已知PN結(jié)反向電流的電荷來源是少子,所以反向電流應(yīng)該極其微小。但在反向恢復(fù)過程中,卻會出現(xiàn)一個很大的反向電流。這是因為正向期間存儲在中性區(qū)內(nèi)的大量非平衡少子電荷充當(dāng)了反向電流的電荷來源。本節(jié)的另一個重要的知識點是,反向恢復(fù)期間少子存儲電荷的下降有兩個途徑,一個是反向電流的抽取,一個是少子自身的復(fù)合。由此可以得到反映少子存儲電荷下降規(guī)律的微分方程。本節(jié)的難點是在反向恢復(fù)過程的各階段,

8、對PN結(jié)的電荷和電壓的變化情形的理解,以及對反映少子存儲電荷下降規(guī)律的微分方程的求解。第3章雙極結(jié)型晶體管第3.1節(jié)雙極結(jié)型晶體管基礎(chǔ)本節(jié)的第一個重點是共基極放大區(qū)晶體管中的電流傳輸過程。輸入電流I E流過晶體管成為輸出電流I C時將發(fā)生兩部分虧損,要講清楚發(fā)生這兩部分虧損的原因,以及為提高晶體管的電流傳輸效率和減少這兩部分虧損應(yīng)采取的具體措施。第二個重點是基區(qū)輸運系數(shù)和發(fā)射結(jié)注入效率的定義。第三個重點是各種電流放大系數(shù)的定義及相互關(guān)系。短路電流放大系數(shù)的定義是集電結(jié)零偏時的輸出輸入電流之比,而晶體管放大區(qū)的定義卻是集電結(jié)反偏。要向?qū)W生說明,集電結(jié)零偏可以得到最大輸出電流,可以使對電流放大系數(shù)

9、和電流電壓方程的推導(dǎo)得到簡化。實際上集電結(jié)零偏仍在放大區(qū)的邊緣上,與集電結(jié)反偏相比,集電結(jié)零偏對電流放大系數(shù)引起的差別是微乎其微的。本節(jié)的難點是對共基極電流放大系數(shù)的理解。在共基極接法下,電流放大系數(shù)是小于1的,這意味著電流經(jīng)過晶體管后反而變小了,那么晶體管還有放大能力嗎?實際上,共基極電路中的晶體管是通過輸入端到輸出端電阻的變大而電流基本不變來實現(xiàn)功率放大功能的。第3.2節(jié)均勻基區(qū)晶體管的電流放大系數(shù)本節(jié)的重點是對基區(qū)輸運系數(shù)的推導(dǎo)和基區(qū)渡越時間的概念。基區(qū)渡越時間是一個很重要的概念。利用基區(qū)渡越時間,可以通過物理意義直接而方便地推導(dǎo)出基區(qū)輸運系數(shù)。此外,基區(qū)渡越時間對晶體管的頻率特性也有十

10、分重要的作用。本節(jié)的難點是,若利用將基區(qū)少子濃度分布代入電流密度方程的方法來推導(dǎo)基區(qū)輸運系數(shù),則必須采用薄基區(qū)二極管的少子濃度分布的精確公式。如果采用薄基區(qū)二極管的少子濃度分布的近似公式,就會得到基區(qū)輸運系數(shù)等于1的結(jié)果。出現(xiàn)這種情況的原因是,基區(qū)輸運系數(shù)是用來衡量少子在基區(qū)中復(fù)合的大小的,而少子濃度分布的近似公式的近似之處恰恰就是忽略了基區(qū)中的少子復(fù)合。另一方面,若利用電荷控制法來推導(dǎo)基區(qū)輸運系數(shù),則可以采用薄基區(qū)二極管的電流密度的近似公式。這個例子說明,同樣的近似公式,在解決同一個問題的時候,在有的條件下可以使用,在另外的條件下則不能使用。第3.3節(jié)緩變基區(qū)晶體管的電流放大系數(shù)本節(jié)的重點是

11、緩變基區(qū)晶體管中的基區(qū)內(nèi)建電場極其對基區(qū)渡越時間和基區(qū)輸運系數(shù)的作用,和發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng)。本節(jié)的難點是對緩變基區(qū)晶體管電流放大系數(shù)的推導(dǎo)和對異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的理解。本節(jié)涉及的數(shù)學(xué)推導(dǎo)比較多,在教學(xué)中仍應(yīng)遵循先作定性的物理概念的介紹,再作定量的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)的順序。在進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)時,也應(yīng)先交代清楚推導(dǎo)的思路和步驟。求基區(qū)輸運系數(shù)的步驟是:首先,令多子電流密度為零解出基區(qū)內(nèi)建電場(這個方法已經(jīng)用過多次;然后,將內(nèi)建電場代入基區(qū)少子電流密度方程求出注入基區(qū)的少子電流密度;第三,將基區(qū)少子電流密度公式中的積分下限由零改為基區(qū)中的任意位置x,即可解出基區(qū)少子濃度分布;第四,對基區(qū)少子濃度作積分求得基區(qū)少

12、子電荷;最后,將基區(qū)少子電荷除以基區(qū)少子電流密度,就可得到基區(qū)輸運系數(shù)。第3.4節(jié)雙極晶體管的直流電流電壓方程本節(jié)的重點是埃伯斯-莫爾(Ebers-Moll方程、共發(fā)射極輸出特性曲線和基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)。注意埃伯斯-莫爾方程并不是僅僅用來已知兩個結(jié)上的電壓后求兩個極上的電流。實際上,在I E、I C、V BE、V BC四個變量中已知任意兩個變量,就可以利用埃伯斯-莫爾方程求出另外兩個變量。輸出特性方程就是利用埃伯斯-莫爾方程推導(dǎo)出來的。下一節(jié)要介紹的浮空電勢以及飽和壓降等也可以利用埃伯斯-莫爾方程推導(dǎo)出來。本節(jié)的難點是對倒向晶體管的理解、有關(guān)基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和對厄爾利電壓的理解。為了幫

13、助學(xué)生對厄爾利電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式的記憶,可以將厄爾利電壓的物理意義歸結(jié)為:厄爾利電壓是基區(qū)寬度隨集電結(jié)電壓的相對變化率的倒數(shù)的相反數(shù)。第3.5節(jié)雙極晶體管的反向特性本節(jié)的重點是各種反向截止電流和各種擊穿電壓的測量方法、BV CBO與BV CEO之間的關(guān)系。這些內(nèi)容有很重要的工程實際意義,例如在設(shè)計用于共發(fā)射極接法的功率晶體管時,應(yīng)該先根據(jù)電源電壓確定BV CEO,再根據(jù)BV CBO與BV CEO之間的關(guān)系確定BV CBO,最后根據(jù)BV CBO確定集電區(qū)的摻雜濃度,而不應(yīng)根據(jù)電源電壓來直接確定集電區(qū)摻雜濃度。本節(jié)的難點是如何理解為什么雪崩倍增效應(yīng)對共發(fā)射極接法的影響要遠(yuǎn)大于對共基極接法的影響。在共

14、基極接法中,發(fā)射結(jié)上有一個反偏的浮空電勢,I CBO比單獨一個集電結(jié)的反向飽和電流I CS還要小,所以BV CBO比單獨一個集電結(jié)的擊穿電壓略大。但在共發(fā)射極接法中,集電極和發(fā)射極之間的電壓對集電結(jié)是反偏,對發(fā)射結(jié)則是一個很小的正偏,發(fā)射區(qū)的載流子可以源源不斷地穿過基區(qū)到達(dá)集電區(qū),使I CEO遠(yuǎn)大于單獨一個集電結(jié)的反向飽和電流I CS,所以BV CEO 顯著小于單獨一個集電結(jié)的擊穿電壓。這就使BV CEO顯著小于BV CBO。第3.6節(jié)基極電阻本節(jié)的重點是利用方塊電阻來計算基極電阻的方法和減小基極電阻的各項措施。本節(jié)的難點是對等效電阻的理解。在計算第(2和第(4部分電阻時有兩個困難:一是這個區(qū)

15、域的電流方向會發(fā)生變化;二是這個區(qū)域的電流大小會發(fā)生變化。解決第一個問題的辦法是,考慮到實際晶體管是很扁平的,垂直方向的電流比水平方向的電流短得多,所以可以忽略垂直方向的電流;解決第二個問題的辦法就是采用等效電阻的概念,以功率相等為標(biāo)準(zhǔn),將大小變化的電流遇到的分布電阻等效為大小固定的電流遇到的集中電阻。第3.8節(jié)電流放大系數(shù)與頻率的關(guān)系本節(jié)的重點是共發(fā)射極高頻小信號短路電流放大系數(shù)隨頻率的變化,特征頻率的定義和計算公式,以及提高特征頻率的措施。本節(jié)的難點是對超相移因子的理解。與直流情況不同,對于高頻小信號,當(dāng)發(fā)射結(jié)剛向基區(qū)注入少子時,集電結(jié)并不能立刻得到(q b/b的電流,即式(3-223是不

16、夠準(zhǔn)確的。詳細(xì)論證表明,雖然少子在基區(qū)內(nèi)逗留的平均時間是基區(qū)渡越時間b,可是在開始的被稱為延遲時間的一段時間內(nèi),它們并不能被集電結(jié)取走。它們被集電結(jié)取走的平均時間實質(zhì)上是基區(qū)渡越時間與延遲時間之差。這就是超相移因子的由來。第3.9節(jié)高頻小信號電流電壓方程與等效電路本節(jié)的重點是高頻小信號電流電壓方程、混合等效電路和共發(fā)射極T形等效電路。本節(jié)的難點是高頻小信號電流電壓方程的推導(dǎo)過程。由于該推導(dǎo)過程比較復(fù)雜,所以要在推導(dǎo)前先講清楚推導(dǎo)的思路與步驟:先找出晶體管中的各種高頻小信號電荷,總共有四種;然后根據(jù)電荷控制方程建立起晶體管三個電極上的高頻小信號電流與這些電荷之間的關(guān)系,即“電流電荷”方程;接著再

17、推導(dǎo)出這些電荷與晶體管兩個結(jié)上的高頻小信號電壓之間的關(guān)系,即“電荷電壓”方程;最后將“電荷電壓”方程代入“電流電荷”方程,即可得到晶體管的高頻小信號電流電壓方程。第3.10節(jié)功率增益和最高振蕩頻率本節(jié)的重點是最大功率增益和最高振蕩頻率的定義及計算、提高晶體管高頻優(yōu)值的措施。本節(jié)的難點是如何全面理解提高晶體管高頻優(yōu)值的各項措施,及其所帶來的負(fù)面影響。第五章絕緣柵場效應(yīng)晶體管第5.1節(jié)MOSFET基礎(chǔ)本節(jié)的重點是MOSFET的工作原理和MOSFET的輸出特性曲線圖。本節(jié)的難點是如何正確理解溝道電阻與漏源電壓V DS的關(guān)系。隨著V DS的增大,由漏極流向源極的溝道電流也相應(yīng)增大,使得沿著溝道由源極到

18、漏極的電勢由零逐漸增大。越向漏極靠近,溝道電勢越高,柵極與溝道之間的電勢差就越小。溝道中的電子濃度將隨柵極與溝道之間電勢差的減小而減小,因此溝道厚度將隨著向漏極靠近而逐漸減薄。溝道內(nèi)自由電子數(shù)的減少和溝道的減薄,將使溝道電阻增大。當(dāng)V DS增大到被稱為飽和漏源電壓V Dsat的值時,溝道厚度在漏極處減薄到零,溝道在漏極處消失,該處只剩下了耗盡層,這稱為溝道被夾斷。第5.2節(jié)MOSFET的閾電壓閾電壓是MOSFET的重要參數(shù)之一,所以關(guān)于閾電壓的定義及計算的問題和關(guān)于影響閾電壓的各種因素的問題不但是本節(jié)也是本章的重點。本節(jié)的難點之一是閾電壓的推導(dǎo)過程。另一個難點是如何理解為什么當(dāng)襯底表面開始發(fā)生

19、強(qiáng)反型時可以忽略反型層中的電子濃度。事實上,根據(jù)強(qiáng)反型的定義,當(dāng)襯底表面開始發(fā)生強(qiáng)反型時,雖然反型層中的表面電子濃度等于襯底的雜質(zhì)濃度,但是由于反型層的厚度遠(yuǎn)小于耗盡區(qū)的厚度,所以反型層中的電子面密度遠(yuǎn)小于耗盡區(qū)中的電離雜質(zhì)面密度。第5.3節(jié)MOSFET的輸出特性本節(jié)的重點是MOSFET非飽和區(qū)漏極電流的近似表達(dá)式、飽和漏源電壓與飽和漏極電流的近似表達(dá)式、有效溝道長度調(diào)制效應(yīng)。本節(jié)的難點是對緩變溝道近似的理解、非飽和區(qū)精確的直流電流電壓方程的推導(dǎo)過程、對溝道夾斷的理解、和MOSFET在飽和區(qū)的特性。緩變溝道近似是指假設(shè)垂直于溝道方向的電場梯度(E x/x遠(yuǎn)大于平行于溝道方向的電場梯度(E y/

20、y,這表示溝道厚度在沿溝道長度方向上的變化很小,故可采用一維分析。從泊松方程可知,緩變溝道近似實際上意味著認(rèn)為溝道內(nèi)的載流子電荷都是由柵極電壓V G產(chǎn)生的(E x/x所感應(yīng)出來的,而可忽略由漏極電壓V D產(chǎn)生的(E y/y的作用。第5.4節(jié)MOSFET的亞閾區(qū)導(dǎo)電本節(jié)的重點是亞閾區(qū)導(dǎo)電的性質(zhì)、MOSFET亞閾漏極電流的特點、閾電壓的測試方法。關(guān)于MOSFET亞閾漏極電流I Dsub的特點,可以作出如下簡單的歸納:當(dāng)V DS不變時,I Dsub與V GS呈指數(shù)關(guān)系,類似于PN結(jié)的正向伏安特性,但I(xiàn) Dsub隨V GS的增加要比PN結(jié)正向電流慢一些。當(dāng)V GS不變時,I Dsub隨V DS的增加而增加,但當(dāng)V DS大于(kT/q的若干倍時,I Dsub變得與V DS無關(guān),即I Dsub對V DS而言會發(fā)生飽和,這類似于PN結(jié)的反向伏安特性。本節(jié)的難點是對MOSFET亞閾漏極電流公式的推導(dǎo)過程。第5.5節(jié)MOSFET的直流參數(shù)與溫度特性本節(jié)的重點是MOSFET的通導(dǎo)電阻、MOSFET的溫度特性、MOSFET的漏源雪崩擊穿和漏源穿通。本節(jié)的難點是正確理解為什么MOSFET的