微电子器件基础 思考题和习题答案汇总 王颖 第5、6章 现代半导体器件、表征与测量

相比于以SiO2为绝缘栅材料的MOSFET，高K栅MOSFET具有哪些优势？

答：

（1）更高的介电常数：高-k材料的介电常数通常在10以上，比二氧化硅高出数倍甚至数十倍，这意味着在维持相同性能的情况下，可以大大减小栅极绝缘体的物理厚度。

（2）更小的漏电流：高-k材料的漏电流比二氧化硅小，这有助于提高晶体管的开关速度和可靠性。

（3）更好的热稳定性：高-k材料的热稳定性比二氧化硅更好，可以在更高的温度下使用。

简述SOIMOSFET的阈值电压与硅层厚度之间的关系。

答：

阈值电压根据硅层厚度与耗尽区宽度分为三种不同情况。

（1）。对于这类厚膜器件，在任何正、背栅电压下，硅层都不能达到全耗尽，正、背栅之间不存在电荷耦合，此时的阈值电压与体硅器件的阈值电压完全相同

（2）。这种情形下，无论背栅电压如何取值，整个硅层全耗尽，正栅与背栅存在电荷耦合，阈值电压由前面的分析给出，如图5-8所示。注意当背栅电压较小时，阈值电压可以超过体硅器件的阈值电压，这与体硅器件衬底偏置效应相似，是由于背栅电场与正栅电场方向一致，等效的耗尽区宽度增大，在相同正栅电压情况下沟道电荷减少，阈值电压增大。

（3）。对于这种硅层厚度，其耗尽情况取决于背栅电压。假定在正面反型，背栅电压达到时硅层刚好全耗尽，此时背面耗尽区宽度为，由一维泊松方程可以得到背面耗尽区的电压降为，由高斯定律可得背面氧化层电压降为，故刚好达到全耗尽时的背栅电压为

当时，属于部分耗尽器件，阈值电压按照

给出。当时，阈值电压可按照前面的全耗尽器件的情形得到，即当时，阈值电压满足式

当时，阈值电压由式

确定。

单鳍FinFET和三鳍FinFET各自的优势与劣势是什么？

答：

多栅MOSFET是基于几何结构来增强栅对沟道电势的控制能力，其优点是:

（1）器件截止时沟道耗尽，亚阈值斜率接近理想;

（2）通过几何结构加强了对短沟道效应的抑制，使沟道区掺杂浓度无需按比例增加，可以轻掺杂甚至不掺杂，避免了迁移率退化及沟道区杂质涨落，提高了器件参数的一致性;

（3）器件导通时，被栅覆盖的多个表面参与导电，增大了电流驱动能力。

简述功率MOSFET器件的结构与特性。

答：

沟槽栅功率MOSFET的主要结构特点包括以下几点:

（1）沟槽栅极结构:沟槽栅功率MOSFET的栅极采用沟槽结构，这种结构可以大大提高棚极的电导率，降低栅极的阻抗，从而提高器件的开关速度和导通电流。

（2）源极和漏极:沟槽栅功率MOSFET的源极和漏极通常采用掺杂浓度较高的区域，以提高器件的导通电流和承受电压能力。

（3）衬底:沟槽栅功率MOSFET的衬底可以是n型或p型半导体材料，根据具体的应用需求进行选择。

沟槽栅功率MOSFET具有以下优势:

（1）开关速度快:由于沟槽栅极结构的特点，使得沟槽栅功率MOSFET具有较高的开关速度，可以满足高速开关应用的需求。

（2）导通电流大:沟槽栅功率MOSFET具有较大的导通电流，可以满足高功率应用的需求。

（3）损耗低:沟槽栅功率MOSFET具有较低的导通电阻和栅极阻抗，可以降低器件的损耗，提高器件的工作效率。

功率UMOSFET导通电阻的组成是什么？影响因素有哪些？

答：

总导通电阻由源极接触电阻、沟道电阻、累积区电阻、漂移区电阻、n+衬底电阻、漏极接触电阻组成，影响因素略。

简述超结MOSFET的工作原理与优势。

答：

超结MOSFET的工作原理

超级结MOSFET是由P型基底和N型漏极组成的PN结，源极和栅极都连接在N型区域上。当栅源电压为正值时，栅极形成一个N沟道，使得漏极上的电子流动到源极。当栅源电压为负值时，栅极不再形成N沟道，漏极和源极之间形成一个反向偏置PN结。在这种情况下，由于P型基底中存在一个大量的正向偏置PN结（即超级结)，所以可以实现快速开关。

超结MOSFET的优点

（1）低开关损耗:由于超级结MOSFET具有低导通电阻和高反向击穿电压，因此可以实现低开关损耗。

（2）高电压容忍度:由于超级结MOSFET具有高反向击穿电压，因此可以承受高电压。

（3）快速开关速度:由于超级结MOSFET具有低导通电阻和快速反向截止特性，因此可以实现快速开关。

与Si相比，SiC、GaN等第三代半导体材料的优势是什么？

答：

（1）更高的电子迁移率

第三代半导体材料如氢化锽、氢化铝锭等材料具有更高的电子迁移率，也就是电子导电速度更快。这意味着其功率消耗更低，且可在更高频率下运行，从而使电器设备更加高效。

（2）更高的顺应电场强度

第三代半导体材料在高电场下也能维持高电子迁移率，这使得其设备在更高电压下工作时相对更加稳定。这使得第三代半导体设备在高压条件下具有更好的工作性能。

（3）更高的耐热性

第三代半导体材料相对于传统的硅材料有更高的耐热性，能够在更高的温度条件下工作

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