工程硕士器件物理复习01doc.docx

工程硕士器件物理复习01doc.docx

《工程硕士器件物理复习01doc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程硕士器件物理复习01doc.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

工程硕士器件物理复习01doc

器件物理基础

1、晶体结构、密勒指数

2、晶格向量、倒格子晶格向量、布里渊区、二维晶格点阵布里渊区画法

3、统计规律：

费米分布和玻尔兹曼分布函数、简并半导体和非简并半导体

4、费米能级及其物理意义

5、准自由电子近似的能带结构、有效质量的概念、直接带隙半导体和间接带隙半导体

6、硅的能带结构特点

7、载流子统计：

平衡和非平衡载流子统计、准费米能级的概念

8、状态密度的概念及其和能带结构的关系、态密度有效质量

9、本征半导体和杂质半导体热平衡载流子浓度

10、浅能级杂质、施主和受主杂质

11、杂质补偿效应

12、准电中性条件及其应用

13、载流子空间分布的统计及其存在的问题

14、载流子的复合、产生，俄歇复合的概念、净复合率的概念

15、碰撞电离

MOS电容复习概要

一、MOS电容

　１、MOS电容结构，PMOS电容，NMOS电容。

　　MOS电容结构是在p-或n-型硅衬底上生长一层数十埃至数百埃的氧化层，再在氧化层上淀积一层金属电极（叫做栅极）而构成。

　２、MOS电容是一个微分电容概念，反映的是由金属－氧化层－半导体衬底构成的MOS结构的半导体表面空间电荷区电荷随外加栅－衬底偏压变化的特性。

　３、理想的MOS电容特性（什么是理想的MOS电容特性）

　４、影响MOS结构电容特性（C－V）的因素：

　　（１）栅－衬底功函数差

　　（２）Si-SiO2界面态

　　（３）氧化层中可动电荷

　　（４）氧化层中固定电荷

　　（５）电离陷阱

　　（６）晶向

　　（７）衬底掺杂浓度

　　（８）氧化层厚度

　　（９）多晶硅栅耗尽层

　５、微分电容的定义和物理意义

　６、表面势和空间电荷区

　７、平带电压和影响平带电压的因素

　８、本正德拜长度和非本正德拜长度及其物理意义

　９、什么叫有效氧化层电荷？

二、复习题

１、为什么当MOS电容加上栅－衬底偏置时整个MOS电容处于非热平衡状态，却认为半导体衬底自身处于热平衡状态？

２、功函数的定义和物理意义？

金属的功函数和半导体的功函数的表达式？

３、费米势的定义？

NMOS电容的衬底的费米势大于零还是小于零？

PMOS电容的衬底的费米势大于零还是小于零？

４、室温下Si的禁带宽度是多少？

SiO2的禁带宽度是多少？

处于衬底Si导带底的电子穿越SiO2到达金属栅电极，其穿越的势垒的高度是多少？

处于衬底Si价带顶的空穴穿越SiO2到达金属栅电极，其穿越的势垒的高度又是多少？

５、MOS电容处于热平衡的时候，半导体衬底表面可能存在空间电荷区，可能有哪些原因？

分别考虑NMOS和PMOS情况加以分析。

６、平带电压的定义和影响平带电压的因素？

７、分别就NMOS和PMOS电容的情形，给出费米势的定义式，以及积累区、耗尽区、弱反型区、强反型区表面势的范围。

８、分别就NMOS和PMOS电容的情形，给出半导体表面处电子和空穴浓度的表达式，假设衬底均匀掺杂，掺杂浓度为NB。

９、NMOS电容半导体衬底处于表面强反型（表面积累）时，表面电场强度的方向？

PNOS又如何？

１０、半导体表面电容的定义及其物理意义？

１１、弱反型时空间电荷区电荷主要由离化杂质的固定电荷构成，你认为对不对？

１２、MOS电容中为什么可以引入最大耗尽层概念？

１３、就MOS电容结构而言，其实际的高频C－V和低频C－V特性有什么不同？

原因是什么？

１４、什么是耗尽层电容？

什么是反型层电容？

定性画出这两种电容随外加栅偏压的变化曲线。

１５、分别画出金属栅电极和多晶硅栅MOS电容的等效电路。

１６、MOS电容阈值电压的定义式和物理意义？

SiO2厚度为５０纳米，衬底掺杂浓度为

的NMOS（PMOS）的阈值电压是多少？

１７、已知MOS电容表面电场强度为

，方向由表面指向半导体体内，则半导体表面电荷面密度等于多少？

是正电荷还是负电荷？

所加栅电压是正电压还是负电压？

１８、多晶硅栅对MOS电容会产生怎样的影响？

试定性说明。

１９、MOS电容中，半导体表面势大于衬底体内的电势，则半导体的能带（保持平带，向上弯曲、向下弯曲），处于半导体表面导带底的电子的能量（大于、等于、小于）处于半导体体内导带底的电子的能量，处于半导体表面价带顶的空穴的能量（大于、等于、小于）处于半导体体内价带顶的空穴的能量。

表面电场的方向是（由半导体表面指向体内，由体内指向半导体表面，无法确定）。

２０、分别定性画出NMOS电容积累区、耗尽区、弱反型区、强反型区纵向能带图。

２１、分别定性画出PMOS电容积累区、耗尽区、弱反型区、强反型区纵向能带图。

２２、金属铝栅NMOS电容的平带电压随着衬底掺杂浓度的提高（变小、不变、变大），金属铝栅NMOS电容的平带电容随着衬底掺杂浓度的提高（变小、不变、变大）。

金属铝栅PMOS电容的平带电压随着衬底掺杂浓度的提高（变小、不变、变大），金属铝栅PMOS电容的平带电容随着衬底掺杂浓度的提高（变小、不变、变大）。

２３、已知NMOS电容表面电场强度为

，方向由表面指向半导体体内，氧化层厚度为6纳米，衬底掺杂浓度为

，试计算此时的有效栅偏压等于多少？

２４、如图是两个MOS电容的测量曲线（横坐标从左至右为栅电压增加的方向）。

Curve1对应MOS电容记做MOS1，Curve2对应MOS电容记做MOS2，试回答以下各问题：

（1）测量曲线说明测量的是（NMOS，PMOS）电容；

（2）MOS1的氧化层厚度（大于，等于，小于）MOS2的氧化层厚度；

（3）MOS1的衬底掺杂浓度（大于，等于，小于）MOS2的衬底掺杂浓度；

（4）MOS1的阈值电压（大于，等于，小于）MOS2的阈值电压；

（5）MOS1的最大耗尽层宽度（大于，等于，小于）MOS2的最大耗尽层宽度。

２５、如图所示为某一个衬底均匀掺杂的多晶硅栅（假设其费米能级与导带底重合）MOS电容（氧化层厚度为１０纳米）的表面电荷密度随表面势的变化曲线。

（1）该MOS电容是（NMOS，PMOS）电容；

（2）计算衬底掺杂浓度；

（3）计算平带电压；

（4）计算阈值电压（忽略多晶硅栅的耗尽层影响）；

（5）从图中查得当表面势为0.9V时，表面电荷密度为

，其中q为电子电荷量，假设氧化层没有被击穿。

求此时栅偏压的大小和表面反型载流子面密度（单位取

）。

并计算绝缘层中电场强度的大小（忽略多晶硅栅的耗尽层影响）。

２６、氧化层中电荷对MOS电容的影响可以等效成分布在Si－SiO2界面的有效电荷，如果氧化层中的电荷浓度分布为

，氧化层厚度为

，试推导有效氧化层电荷面密度。

２７、设某一个NMOS电容的栅电极的功函数为

，衬底掺杂浓度为

，氧化层厚度为

，在氧化层的正中央存在面密度为

的固定正电荷。

求该NMOS电容的阈值电压。

２８、通常SiO2层中会存在固定正电荷的分布，这种正电荷的存在使NMOS电容的阈值电压（增大、不变、减小），使PMOS电容的阈值电压（增大、不变、减小）。

２９＊、试扼要论述半导体表面电容随表面势的变化特性（分别以NMOS电容和PMOS电容为例说明）。

３０＊、试扼要论述MOS电容结构中界面态对C－V特性的影响。

３１＊、定性讨论PMOS电容的C－V特性。

MOS电容

Problem1

若铝和本征硅之间的接触电势差–0.6V，即（WAl–WSi）/q=–0.6V,计算室温（T=300K）下铝和掺杂浓度为NA=1ⅹ1016cm-3的p-型硅之间的接触电势差。

已知本征载流子浓度ni=1ⅹ1010cm-3。

Problem2

一铝栅NMOS电容，衬底掺杂浓度为NA=5ⅹ1015cm-3，铝和本征硅之间的功函数差为（WAl–WSi）/q=–0.6V，SiO2厚度为tOX=0.042μm，有效氧化层电荷为0.1fC/μm2，计算室温下该NMOS电容的平带电压。

已知本征载流子浓度ni=1ⅹ1010cm-3，真空电容率为8.854ⅹ10-14F/cm，SiO2的相对介电常数为3.9。

Problem3

n+-polySi栅NMOS电容，多晶硅栅掺杂浓度为ND=1ⅹ1020cm-3，衬底掺杂浓度为NA=5ⅹ1015cm-3，SiO2厚度为tOX=0.042μm，有效氧化层电荷为0.1fC/μm2，计算室温下该NMOS电容的平带电压和阈值电压。

已知本征载流子浓度ni=1ⅹ1010cm-3，真空电容率为8.854ⅹ10-14F/cm，SiO2的相对介电常数为3.9。

Problem4

某NMOS电容，衬底掺杂浓度为NA=5ⅹ1015cm-3，SiO2厚度为tOX=0.05μm，平带电压为-1.05V，推断积累区、耗尽区、弱反型区和强反型区栅电压范围。

已知本征载流子浓度ni=1ⅹ1010cm-3，真空电容率为8.854ⅹ10-14F/cm，SiO2的相对介电常数为3.9。

Problem5

Consideranaluminum-SiO2-siliconMOScapacitor（Wm=4.1eV,εox=3.9,χ=4.05eVandNA=1017cm-3）withtOX=5nm.

a.Calculatetheflatbandvoltageandthresholdvoltage.

b.Repeatforann-typesiliconsubstratewithND=1016cm-3.

c.Repeatwithaneffectiveoxidechargeof10-7C/cm2

Problem6

Ahigh-frequencycapacitancevoltagemeasurementofasiliconMOSstructurewasfittedbythefollowingexpression:

C（VG）=6pF+12pF/（1+exp（VG））

a.Calculatetheoxidecapacitanceperunitareaandtheoxidethickness.Theareaofthecapacitoris100x100micronandtherelativedielectricconstantequals3.9.Fromtheminimumcapacitance,calculatethemaximumdepletionlayerwidthandthesubstratedopingdensity.

b.CalculatethesubstrateFermipotential.

c.Calculatetheflatbandcapacitanceandtheflatbandvoltage.

d.Calculatethethresholdvoltage.

【注】只列出求解衬底掺杂浓度的表示式即可，数字求解结果

。

Problem7

AnMOScapacitorwithanoxidethicknessof20nmhasanoxidecapacitance,whichisthreetimeslargerthantheminimumhigh-frequencycapacitanceininversion.Findthesubstratedopingdensity.

Problem8

ACMOSgaterequiresn-typeandp-typeMOScapacitorswithathresholdvoltageof2and-2Voltrespectively.Ifthegateoxideis50nmwhataretherequiredsubstratedopingdensities?

Assumethegateelectrodeisaluminum.Repeatforap+poly-silicongate.

Problem9

Considerap-MOScapacitor（withann-typesubstrate）andwithanaluminumgate.Findthedopingdensityforwhichthethresholdvoltageis3timeslargerthantheflatbandvoltage.tox=25nm.Repeatforacapacitorwith1011cm-2electronicchargesattheoxide-semiconductorinterface.

Problem10

Asiliconp-MOScapacitor.（Nd=4x1016cm-3,tox=40nm）isbiasedhalfwaybetweentheflatbandandthresholdvoltage.Calculatetheappliedvoltageandthecorrespondingcapacitance.

MOSFET基本特性

MOSFET基本特性一章，主要讨论长沟道MOSFET的I—V特性。

应当掌握的内容包括：

1、MOSFET的基本结构和分类

2、增强型和耗尽型MOSFET概念

3、金属栅工艺和多晶硅栅自对准工艺的区别，了解多晶硅栅工艺的优、缺点

4、了解LDD结构和LDD结构的目的，了解工艺上如何实现LDD结构

5、掌握MOSFET直流I—V特性以及跨导、漏电导、（表面）有效迁移率等概念及其物理意义

6、掌握影响长沟道MOSFET阈值电压的工艺参数以及和MOS电容阈值电压的区别

7、会画MOSFET横向和纵向两个方向的能带示意图，并比较与双极型晶体管的异同点

8、掌握DDmodel的含义及其对推导MOSFET　I—V特性有什么影响

9、什么是缓变沟道近似？

为什么引入缓变沟道近似？

10、MOSFET线性区和饱和区的漏端电流的主要成分是什么（产生／复合电流，电子电流，空穴电流，扩散电流／漂移电流）？

11、为什么缓变沟道近似不适用于饱和区？

12、NMOSFET的沟道电流可以表示为：

　　　试说明该表达式的物理意义。

13、试写出PMOSFET沟道区内任意点的反型载流子浓度表达式，并说明表达式中各项的物理含义。

14、什么是电荷薄层近似？

为什么引入电荷薄层近似，其基本要点是什么？

15、MOSFET的I—V特性的线性区和饱和区是如何划分的？

这样划分的依据是电流传输原理的不同还是现象的不同？

什么是沟道夹断概念？

16、什么是体效应系数？

如果提高衬底的掺杂浓度，体效应系数是增大还是减小？

如果氧化层厚度变薄，体效应系数又如何变化？

17、MOSFET阈值电压的表达式。

在物理上如何定义MOSFET阈值电压？

有哪些因素会影响长沟道MOSFET的阈值电压？

是怎样影响的？

若检测发现NMOSFET的阈值电压较设计值偏小，如何采取工艺措施？

为什么可以采取这样的措施？

18、给出计算长沟道MOSFET夹断电压的计算公式。

夹断电压和栅偏置电压有关么？

是怎样的关系？

19、长沟道MOSFET饱和区电流－电压特性有什么特点？

为什么会有这样的特点？

20、缓变沟道近似能否应用到MOSFET饱和区？

如果可以，应该怎样做？

21、简要说明沟道区准费米能级的变化特性。

22、什么是亚阈值特性？

亚阈值特性影响MOSFET的什么特性？

什么是亚阈值区的电压摆幅？

如何改善亚阈值特性？

温度如何影响MOSFET的亚阈值特性？

亚阈值电流主要是由扩散电流还是漂移电流构成？

线性区和饱和区电流主要是扩散电流还是漂移电流？

23、什么是MOSFET的开启电流和关断电流？

是如何定义的？

24、什么是体效应？

衬底偏置电压如何影响MOSFET的I—V特性？

25、NMOSFET的衬底电流使空穴电流还是电子电流？

衬底电流对MOSFET的性能有什么不良影响？

26、给出MOSFET跨导的计算公式（考虑衬底偏置）。

27、为什么MOSFET线性区跨导会随栅偏压变化？

如何从物理上进一步定性解释这一现象？

28、MOSFET饱和区跨导随栅偏压如何变化？

为什么？

29、什么是MOSFET的漏电导？

对理想MOSFET，画出不同栅偏压下漏电导随漏电压得变化曲线。

30、试简要说明有效迁移率和体迁移率的异同点。

为什么通常说MOSFET的速度不如双极型晶体管？

31、测量MOSFET通常都有哪些方法？

简要说明各种方法的优缺点。

32、某长沟道NMOSFET经测量发现其阈值电压小于设计值，分析各种可能的原因。

33、试简要说明阈值电压测量的linear-extrapolationmethod的原理。

34、在VD—VG平面画出MOSFET　I—V特性分区图。

35、试推导亚阈值区反型载流子密度公式。

36、亚阈值区栅电压和半导体表面势的关系可近似看成是线性关系，试推导之。

37、试导出LEmethod的VTH计算公式?

38、什么是测量阈值电压的SDmethod?

MOSFET

Problem1

考虑一NMOSFET，VTH=2V，m=1。

推断（即简要说明理由）下列偏置各工作在什么区域（线性区、饱和区或亚阈值区）：

（1）VGS=1V，VDS=5V.

（2）VGS=3V，VDS=0.5V.

（3）VGS=3V，VDS=5V.

（4）VGS=5V，VDS=6V.

Problem2

CalculatethedraincurrentofasiliconNMOSFETwithVTH=1V,W=10μm,L=1μmandtox=20nm.ThedeviceisbiasedwithVGS=3VandVDS=5V.Usethequadraticmodel,asurfacemobilityof300cm2/V-sandsetVBS=0V.

AlsocalculatethetransconductanceatVGS=3VandVDS=5VandcompareittotheoutputconductanceatVGS=3VandVDS=0V.

Problem3

CalculatethethresholdvoltageofasiliconNMOSFETwhenapplyingasubstratevoltage,VBS=0,-2.5,-5,-7.5and-10V.ThecapacitorhasasubstratedopingNa=1017cm-3,a20nmthickoxide（εox=3.9e0）andanaluminumgate（ΦM=4.1eV）.Assumethereisnofixedchargeintheoxideorattheoxide-siliconinterface.

Problem4

ConsideranNMOSFET,whichconsistsofa10nmthickoxide（εOX=3.9）andhasagatelengthof1micron,agatewidthof20micronandathresholdvoltageof1.5Volt.CalculatetheresistanceoftheMOSFETinthelinearregionasmeasuredbetweensourceanddrainwhenapplyingagate-sourcevoltageof3Volt.Whatshouldthegate-sourcevoltagebetodoubletheresistance?

Thesurfacemobilityoftheelectronsis300cm2/V-sec.

Problem5

ConsideranNMOSFETwithanoxidethicknesstox=20nm（er=3.9）andagatelength,L=1micron,agatewidth,W=10micronandathresholdvoltage,VT=1Volt.Calculatethecapacitanceperunitareaoftheoxide,COX.Calculatethedraincurrent,ID,atagate-sourcevoltage,VGS=3Voltandadrain-sourcevoltage,VDS=0.05Volt.Thesurfacemobilityoftheelectronsμn=300cm2/V-sec.

Problem6

AMOSFET（L=1mm,tox=15nm,VT=1Vandmn=300cm2/V-sec）mustprovideacurrentof20mAatadrain-sourcevoltageof0.5Voltandagate-sourcevoltageof5Volt.Howwideshouldthegatebe?

Problem7

Considerap-channelsiliconMOSFETwithanaluminumgate.

a）.DrawtheenergybanddiagramoftheMOSstructureforVG=VFB.Indicatetheworkfunctionofthemetalandthesemiconductor,aswellastheelectronaffinity.

b）.DrawthefielddistributionforVG=VT（onsetofinversion）.

c）.Calculatethedepletionlayerwidthandthefieldintheoxideattheonsetofinversion.（Nd=1016cm-3,tox=100nm,VFB=-0.5V）

Problem8

AsiliconMOSFET（ni=1010cm-3,εs/ε0=11.9andεox/ε0=3.9）isscaledbyreducingalldimensionsbyafactorof2andbyincreasingthedopingdensityofthesubstra