半导体器件物理习题集.pdf.pdf

第二章 一 分别采用费米能级和载流子扩散与漂移的观点分析结空间电荷区的形成 答 假设在形成结之前 n 型和 p 型材料在实体上是分离的 在 n 型材料中费米能级靠 近导带边缘 在 p 型材料中费米能级靠近价带边缘 当 p 型材料和 n 型材料被连接在 一起时 费米能级在热平衡时必定恒等 否则 就要流过电流 恒定费米能级的条件 是由电子从 n 型一边转移至 p 型一边 空穴则沿相反方向转移实现的 电子和空穴的 转移在 n 型和 p 型各边分别留下未被补偿的施主离子和受主离子 和 结果建 立了两个电荷层即空间电荷区 d n a n 另一方面 也可以通过考虑载流子的扩散和漂移得到这种电荷分布 当把 n 型和 p 型材料放在一起时 由于在 p 型材料中有多得多的空穴 它们将向 n 型一边扩散 与此同时 在 n 型一边的电子将沿着相反的方向扩散 即由 n 型区向 p 型区扩散 由 电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和受主离子建立了一个电场 这一电场是沿着 抵消载流子扩散趋势的方向在热平衡时 载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动 相平衡 电子和空穴的扩散与漂移在n型和p型各边分别留下未被补偿的施主离子 和受主离子 结果建立了两个电荷层即空间电荷区 d n a n 二 pn 结有哪些主要的击穿机制 并简述其击穿机理 答 齐纳击穿 齐纳提出在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴 即有些价 电子通过量子力学的隧道效应从价带转移到导带 从而形成反向隧道电流 齐纳击穿 发生在低电压情况下 比如硅 pn 结低于 4 伏特情况下发生的击穿 雪崩击穿 在高电压形成的高电强作用下 加速后的电子 空穴会与其它电子空 穴碰撞电离 从而不断产生更多的电子空穴对 对于高电压击穿的结 例如 在硅中 大于 6v 的击穿 雪崩机制是产生击穿的原因 三 利用中性区电中性条件导出 pn 结空间电荷区内建电势差公式 四 简述隧道二极管的产生条件及其特点 答 产生隧道电流的条件 1 费米能级位于导带或价带的内部 2 空间电荷层的宽度很窄 因而有高的隧道穿透几率 3 在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态 当结的两边均为重掺杂 从而成为简并半导体时 1 2 条件满足 外加偏压 可使条件 3 满足 隧道二极管的特点 1 隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的 由于单位时间内通过结的多数 载流子的数目起伏较小 因此隧道二极管具有较低的噪声 2 隧道结是用重掺杂的简并半导体制成 由于温度对多子的影响小 使隧道二 级 管的工作温度范围大 3 由于隧道效应的本质是量子跃迁过程 电子穿越势垒极其迅速 不受电子渡越时 间的限制 因此可以在极高频率下工作 这种优越的性能 使隧道二级管能够应 用于振荡器 双稳态触发器和单稳多谐振荡器 高速逻辑电路以及低噪音微波放 大器 五 推导单边突变 pn 结 空间电荷区耗尽层宽度表达式 da nn 解 在 n 侧和 p 侧的泊松方程分别为 0 0 0 2 2 0 2 2 xx k qn dx d xx k qn dx d p a n d 1 2 空间电荷的电中性要求 ndpa xnxn 耗尽层宽度 np xxw 若令 npnda xwxxnn 则 对 1 式积分一次 得 n xxn d dx d xx k qn dx d 0 0 边界条件 3 dx d e 因为 3 式可改写为 0 1 k xqn e x x ee nd m n m 式中 利用边界条件0 n x 对 3 再积分可推导出电势 2 0 2 1 2 n nd x x k xqn 则内建电势差 0 2 0 2 0 k xqn xxx nd npn 耗尽层宽度 2 100 2 d n qn k xw 六 画出理想 pn 结正 反 向偏压情况下少数载流子分布和少数载流子电流分布 并 写出空间电荷区边缘少数载流子浓度大小 答 正偏 x 0 载流子浓度 p 型 n 型 n p p n 0n p 0n p 空间电荷层 n x p x x 0 少数载流子电流 p i n i n x p x a 少数载流子分布 b 少数载流子电流 空间电荷区边缘少数载流子浓度 t vv nn epp 0 t vv pp enn 0 答 反偏 x x 0 载流子浓度 p 型 n 型 n p p n 0n p 0p n 空间电荷层 n x p x x x 少数载流子电流 p i n i 0 n x p x a 少数载流子分布 b 少数载流子电流 空间电荷区边缘的少数载流子浓度均为 0 七 硅突变结二极管的掺杂浓度为 在室温下计算 315 10 cmnd 319 10 cmna a 自 建 电 势 b 耗 尽 层 宽 度 c 零 偏 压 下 的 最 大 内 建 电 场 cqmfkcmni 1912 0 310 106 1 1085 8 8 11 105 1 解 对于单边突变节 且 时 有 da nn 自建电势 v n nn v i ad t 82 0 1025 2 1010 ln026 0ln 20 1519 2 0 耗尽层宽度 cm qn k xw d n 4 2 1 1519 14 2 1 00 101 10106 1 82 01085 88 1122 零偏压下的最大内建电场 1042 1 4 0 cmv k xqn nd m 八 硅突变结二极管的掺杂浓度为 在室温下计算 a 自建电势 b 耗尽层宽度 c 零偏压下的最大内建电场 315 10 cmnd 319 102 cmna cqmfkcmni 1912 0 310 106 1 1085 8 8 11 105 1 解 对于单边突变节 且 时 有 da nn 自建电势 v n nn v i ad t 84 0 1025 2 10102 ln026 0ln 20 1519 2 0 耗尽层宽度 cm qn k xw d n 4 2 1 1519 14 2 1 00 1005 1 10106 1 84 0 1085 8 8 1122 零偏压下的最大内建电场 1061 1 4 0 cmv k xqn nd m 九 平衡 pn 结是指没有外加电压 光照 辐射等并且在温度恒定条件下的 pn 结 设 想下图为 p 型和 n 型区分离时的能带图 请绘出它们构成 pn 结后在没有外加电 压的平衡情况下相应的能带图 图内应标出势垒高度 费米能级 并从费米能级 和载流子扩散与漂移的观点分析结空间电荷区的形成 f e c e v e p n c e v e f e 答 假设在形成结之前 n 型和 p 型材料在实体上是分离的 在 n 型材料中费米能级靠 近导带边缘 在 p 型材料中费米能级靠近价带边缘 当 p 型材料和 n 型材料被连接在 一起时 费米能级在热平衡时必定恒等 否则 就要流过电流 恒定费米能级的条件 是由电子从 n 型一边转移至 p 型一边 空穴则沿相反方向转移实现的 电子和空穴的 转移在 n 型和 p 型各边分别留下未被补偿的施主离子和受主离子 和 结果建 立了两个电荷层即空间电荷区 d n a n w f e c e a 能量 e n p q 0 另一方面 也可以通过考虑载流子的扩散和漂移得到这种电荷分布 当把 n 型和 p 型材料放在一起时 由于在 p 型材料中有多得多的空穴 它们将向 n 型一边扩散 与此同时 在 n 型一边的电子将沿着相反的方向扩散 即由 n 型区向 p 型区扩散 由 电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和受主离子建立了一个电场 这一电场是沿着 抵消载流子扩散趋势的方向在热平衡时 载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动 相平衡 电子和空穴的扩散与漂移在n型和p型各边分别留下未被补偿的施主离子 和受主离子 和 结果建立了两个电荷层即空间电荷区 d n a n 十 依据下图中正偏 图 a b c d 和反偏 图 e 条件下隧道结的能带图 画出隧道 电流随偏置电压的变化曲线 i v 曲线 并作简要说明 答 i v e a b c d 江崎二极管电流 电压特性 a 平衡时的隧道结 此时电流为0 b 有一部分电子通过隧穿穿过隧道结形成电流 c 时隧穿电流最大 d 时导带中的电子对应的是禁带 因而无法形成隧道电流 e 为反 偏时的电流特性 十一 长结二极管处于正 反 偏压状态 列出求解其少子分布的扩散方程 并参照下图给出相应的边界条件 画出少子分布示意图 令 p 侧外部接触坐标为 pn xpn n w 0 xn x pn0 n p x pn x np0 xp 答 正偏 在 n 型中性区 有0 0 2 2 p nnn p pp dx pd d 1 令 n 侧边界坐标为外部接触坐标 n x n w 0 0 2 0 2 p nnnn p pp dx ppd d 2 正向偏压时边界条件 3 0 00 0 n vv nnn nnn xxeppp wxpp t x 0 载流子浓度 p 型 n 型 n p p n 0n p 0n p 空间电荷层 n x p x 少数载流子分布 反偏 在 n 型中性区 有0 0 2 2 p nnn p pp dx pd d 1 令 n 侧边界坐标为外部接触坐标 n x n w 0 0 2 0 2 p nnnn p pp dx ppd d 2 反向偏压时边界条件 0 0 0 nn nnn xxp wxpp 3 x x 0 载流子浓度 p 型 n 型 n p p n 0n p 0p n 空间电荷层 n x p x 少数载流子分布 第三章 一 解释双极结型晶体管的基区宽度调变效应 答 在共发射极电路中 在时 对于给定的基极电流 集电极电流应当与 无关 曲线斜率应为零 但却随增加而增加 这与增加时基区中 性区变窄有关 这种现象叫做晶体管的基区宽度调变效应 也称为 early 效应 0 ce v b i c i ce v cec vi c i ce v ce v 二 解释双极结型晶体管的电流集聚效应 答 基极电流是多数载流子电流 它的流动方向垂直于由发射极注入的少数载流子电 流 这种基极电流在无源和有源的基区都要产生横向的电位降 电位降减少了加在发 射结上的正向偏压 在靠近接触的边缘处正偏压比有源区中心处的大 结果是 少数 载流子的注入从基区边缘起随着向内的深度而下降 非均匀载流子的注入使得沿着发 射结出现非均匀的电流分布 造成在靠近边缘处有更高的电流密度 这种现象称为电 流集聚效应 三 解释双极结型晶体管的科尔克效应 答 当工作电流无限地增加时 截止频率终将要降低 这种现象称为科尔克 kirk 效应 科尔克 kirk 效应在平面型外延晶体管中最为明显 在这种晶体管中外延集 电区的掺杂浓度低于基区掺杂浓度 因而 集电结耗尽层大部分向集电区外延层内扩 展 由于耗尽层含有正电荷的固定离子 当发射极电流增加时 大量注入电子抵达集 电结 中和了这些荷正电的离子 形成一中性区 从而使集电结的位置离开发射结更 远 当发射极电流很高时 有效基区宽度变宽即移到 b x b x 在 b x 的区域之内 电场很 小 电子通过扩散机制输运 结果使 b 变得很大 引起 下降 在高频和大功率晶体 管中科尔克效应尤为重要 四 简述三极管的主要击穿机制 答 三极管的主要击穿机制是齐纳击穿 雪崩击穿和穿通机制 在一定的电压作用下 晶体管发射区和集电区被连接成好象一个连续的空间电荷区 使发射结处的势垒降低 了 结果使得大的发射极电流得以在晶体管当中流过并发生击穿 齐纳击穿 齐纳提出在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴 即有些价电子 通过量子力学的隧道效应从价带转移到导带 从而形成反向隧道电流 齐纳击穿发生 在低电压情况下 比如硅 pn 结低于 4 伏特情况下发生的击穿 雪崩击穿 在高电压形成的高电强作用下 加速后的电子 空穴会与其它电子空穴碰 撞电离 从而不断产生更多的电子空穴对 对于高电压击穿的结 例如 在硅中大于 6v 的击穿 雪崩机制是产生击穿的原因 五 说明晶体管 npn 放大工作原理 画图说明各个电流分量 写出各级电流 ie ib ic 表达式 答 a 当 npn 晶体管处于正向有源工作模式时 发射结在正偏电压作用下会有大量 电子从发射区注入基区 由于基区很薄 注入基区的电子大部分被反偏的集电结所收 集 形成集电极电流 因而在一个很小的基极电流作用下就能产生一个很大的发射极 电流 这就是晶体管的放大工作原理 各个电流分量 ne i是从发射区注入到基区中的电子流 nc i是到达集电结的电子流 ncne ii 是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流 pe i是从基区注入到发射区的空穴电流 rg i是发射结空间电荷区内的复合电流 0c i是集电结反向电流 它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流 各级电流表达式 rgpenee iiii 0cncnergpeb iiiiii 0cncc iii 0 bce iii 六 列出求解理想 npn 晶体管电流传输特性的基区 发射区和集电区少子扩散方程 并参照下图给出相应的边界条件 设发射结和集电结偏置电压分别为和 e v c v ad nn x e w 0 b x c x e x 答 中性基区 0 x 少子扩散方程与边界条件 b x 0 0 2 2 n ppp n nn dx nd d tc vv pbp enxn 0 te vv pp enn 0 0 发射区少子空穴扩散方程与边界条件 0 0 2 2 p nnn p pp dx pd d 0eee pxp 0 te vv eee epwp 发射区少子空穴扩散方程与边界条件 0 0 2 2 p nnn p pp dx pd d 0cc pp tc vv ccc epxp 0 七 已知 npn 晶体管正向有源模式下电流分量示意图 a 解释所有电流分量的含义 写出各级电流表达式 b 画出正向有源模式下晶体管发射区 基区 集电区少子分布示意图 答 a 是从发射区注入到基区中的电子流 ne i nc i是到达集电结的电子流 ncne ii 是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流 pe i是从基区注入到发射区的空穴电流 rg i是发射结空间电荷区内的复合电流 0c i是集电结反向电流 它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流 各级电流表达式 rgpenee iiii 0cncnergpeb iiiiii 0cncc iii 0 bce iii b 少子分布示意图如下 八 已知pnp晶体管正向有源模式下电流分量示意图 ie ic ib p p n 空穴流 电子流 ipe i pc ine ire ico a 解释所有电流分量的含义 写出各级电流表达式 b 画出正向有源模式下晶体管发射区 基区 集电区少子分布示意图 答 a ne i是从发射区注入到基区中的电子流 nc i是到达集电结的电子流 ncne ii 是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流 pe i是从基区注入到发射区的空穴电流 rg i是发射结空间电荷区内的复合电流 0c i是集电结反向电流 它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流 各级电流表达式 rgnepee iiii 0cpcpergneb iiiiii 0cpcc iii b 十二 下图为npn晶体管两种不同工作模式对应的少数载流子分布 请指出它们各 是什么工作模式 并给出两种模式下基区中性区边界少子浓度大小 设发射结和 集电结偏置电压分别为和 e v c v neo ne x pn 0 pn x pno x xe we 0 xb xc nco nc x 答 a 截止工作模式 基区中性区边界少子浓度 00 p n 0 bp xn b 饱和工作模式 基区中性区边界少子浓度 te vv pp enn 0 0 n tc vv pbp enx 0 十三 下图为npn晶体管两种不同工作模式对应的少数载流子分布 请指出它们各 是什么工作模式 并给出两种模式下基区中性区边界少子浓度大小 设发射结和 集电结偏置电压分别为和 e v c v 答 a 正向有源工作模式 基区中性区边界少子浓度 te vv pp enn 0 0 0 bp xn b 截止模式 基区中性区边界少子浓度 00 p n 0 bp xn 十四 画出下图中npn晶体管发射区 基区和集电区少子分布示意图 并说明晶体 管的工作模式和工作条件 设发射结和集电结偏置电压分别为和 e v c v 答 a 饱和工作模式 0 e v0 c v 相应的边界条件为 te vv pp enn 0 0 tc vv pbp enxn 0 b 正向有源工作模式 0 e v0 c v 基区少子满足的边界条件为 te vv pp enn 0 0 0 bp xn c 截止工作模式 0 e v0 c v 相应的边界条件为 0 0 bpp xnn d 反向有源工作模式 0 e v0 c v 相应的边界条件为 0 0 p n tc vv pbp enxn 0 十五 a 证明对于均匀掺杂的基区 式 bb xx x a an t dxdxn nl 0 2 1 1 1 简化为 2 2 2 1 1 n b t l x b 若基区杂质为指数分布 即 b xx a enn 0 推导出基区输运因子的表示式 答 a a nq是常数 2 0 n 11 1 bb xx ta x a n dx dx ln 2 0 n 1 1 b x b xx d l x 2 0 2 n 11 1 2 b x b x xx l 2 2 22 nn 11 11 22 b b x x ll b 若 0 b ax x a nn e 有 0 2 0 n 0 11 1 bb bb axax xx xx t x en edx ln dx 2 0 n 1 1 b bb axax x xxa b x eee la dx 2 0 n 1 1 1 b b ax x xa b x eed la x 22 222 nn 11 1 1 1 a a bb xxe ae laaaa l 1 十六 基区输运因子 bb xx x a an t dxdxn nl 0 2 1 1 1 若基区杂质为指数分布 即 0 x l a nn e 推导出基区输运因子的表示式 答 若 0 x l a nn e 0 2 0 n 0 11 1 bb xxxx ll t x en edx ln dx 2 0 n 1 1 b b x xxx lll el eed l x 2 0 n 1 1 1 b b xx x l led l x 2 n 1 b x l b l xlel l 第四章 一 与结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要特点是什么 答 肖特基势垒二极管是多子器件 p n结二极管是少子器件 1 在肖特基势垒中 由于没有少数载流子贮存 因此肖特基势垒二极管适于高频和 快速开关的应用 2 由于多数载流子电流远高于少数载流子电流 肖特基势垒二极管的饱和电流远高 于具有同样面积的pn结二极管饱和电流 3 肖特基势垒上的正向电压降要比p n结上的低得多 低的接通电压使得肖特基二 极管对于钳位和限辐的应用具有吸引力 4 肖特基势垒的温度特性优于p n结 二 什么是欧姆接触 怎样才能形成欧姆接触 答 欧姆接触定义为这样一种接触 它在所使用的结构上不会添加较大的寄生阻抗 且不足以改变半导体内的平衡载流子浓度使器件特性受到影响 金属和重掺杂半导体 之间形成欧姆接触 载流子可以隧道穿透而不是越过势垒 三 简述金属和半导体接触形成的两种效应及其特点 答 金属 半导体形成的冶金学接触叫做金属 半导体结 m s结 或金属 半导体 接触 把须状的金属触针压在半导体晶体上或者在高真空下向半导体表面上蒸镀大面 积的金属薄膜都可以实现金属 半导体结 前者称为点接触 后者则相对地叫做面接 触 金属 半导体接触出现两个最重要的效应 其一是整流效应 其二是欧姆效应 前者称为整流接触 又叫做整流结 后者称为欧姆接触 又叫做非整流结 四 已知肖特基二极管的下列参数 v m 2 5 ev s 05 4 以及k 11 8 假设界面态密度是可以忽略的 半导体材料为n 型si 在室温下计算零偏压时势垒高度 自建电势以及耗尽层宽度 319 10 cmnc 315 105 cmnd 解 势垒高度 evqq smb 15 105 42 5 v n n vv d c tn 2 0 105 10 ln026 0ln 15 19 q vvn95 02 015 1 b0 自建电势 耗尽层宽度 cm qn k w d 5 1519 14 00 105 105106 1 95 01085 88 112 2 五 什么是欧姆接触 为什么金属与重掺杂半导体接触可以形成欧姆接触 答 1 欧姆接触定义为这样一种接触 它在所使用的结构上不会添加较大的寄生阻 抗 且不足以改变半导体内的平衡载流子浓度使器件特性受到影响 2 金属与半导体接触要么形成欧姆结 要么形成整流结 如下图所示 当形成整流 结时 由于半导体是重掺杂 势垒很薄 因而载流子可以隧道穿透而不是越过势垒从 而形成欧姆接触 v e c e f e 电子 六 画出金属和n型半导体在形成理想接触前后的能带图并说明肖特基势垒的形成 解 下图为金属和n型半导体在形成接触之前的理想的能带图 其中金属功函数 m q 大 于半导体的功函数 s q s 为半导体的电子亲和势 图中假设了半导体表面没有表面 态 其能带直到表面都是平直的 用某种方法把金属和半导体接触 由于 s q m q 电子将从半导体渡越到金属 使半导体表面出现未被补偿的离化施主的正电荷 金属 表面则积累负电荷 同时二者的费米能级拉平 电中性要求金属表面的负电荷与半导 体表面的正电荷必须量值相等符号相反 金属表面的负电荷是多余出来的导电电子 只占据很薄的一层 约0 5 nm 由于半导体中施主浓度比金属中电子浓度低几个数 量级 所以半导体中的正电荷将占据相对较厚的一个薄层 即在半导体表面形成了空 间电荷层 和p n结一样 空间电荷的电场将阻止半导体中电子流入金属 达到热平 衡时形成稳定的自建电场和自建电势 半导体的能带向上弯曲 形成了阻止半导体中 电子向金属渡越的势垒 耗尽层 耗尽层 耗尽层 耗尽层 0 q b q 金属和n型半导体在形成理想接触前后的能带图 七 画出金属 n型半导体肖特基势垒在热平衡 正向偏压和反偏压三种情况下的能 带图 答 a 耗尽层 a 耗尽层 a 耗尽层 耗尽层 b b b b 肖特基势垒的能带图 a 热平衡 b 加正向偏压 c 加反向偏压 八 画出肖特基势垒钳位晶体管的电路图和集成结构示意图 答 第五章 一 如何理解jfet在夹断点处夹断电压相等 夹断电压主要与什么有关 答 根据 jfet加栅 漏电压之后 1 2 00 2 r d kv w qn 2 1 00 2 d g qn vxvk xw 在夹断点 空间电荷区的宽度正好等于沟道的宽度 在上式中令以及 可求得夹断电压 aw pg vvv 0 0 2 0 2 p d p v k nqa v 式中为达到夹断条件的外加电压 即夹断电压 由于在任何夹断点处 空间电荷区 的宽度都正好等于沟道的宽度 所以夹断点处夹断电压是相等的 而且夹断电压仅由 器件的材料参数和结构参数决定 p v 二 与jfet相比mesfet有哪些特点 答 1 mesfet工艺简单 m s工艺允许把沟道长度做得更短 使得结电容更小 有利于提高器件的开关速度和工作频率 2 mesfet多用砷化镓材料制做 砷化镓 的电子迁移率大约是硅的六倍 因此可以制造出高频 高速器件 三 什么是增强型和耗尽型jfet 答 耗尽型指jfet在栅偏压为零时就存在导电沟道 而欲使沟道夹断 必须给p n结 施加反向偏压 使沟道内载流子耗尽 增强型jfet同增强型mesfet一样 在栅偏 压为零时 沟道是夹断的 只有外加正偏压时 才能开始导电 考虑到p沟和n沟两 类导电沟道 则总共可有四种类型的jfet和mesfet 即n沟增强型 n沟耗尽型 p沟增强型和p沟耗尽型 四 简述jfet的主要特点 答 jfet的电流传输主要由一种型号的载流子 多数载流子承担 不存在少数载 流子的贮存效应 因此有利于达到比较高的截止频率和快的开关速度 jfet是电压控制器件 它的输入电阻要比bjt的高得多 因此其输入端易于 与标准的微波系统匹配 在应用电路中易于实现级间直接耦合 由于是多子器件 因此抗辐射能力强 与bjt及mos工艺兼容 有利于集成 五 为什么说jfet实际上是一个电压控制的电阻 答 在正常工作条件下 反向偏压加于栅pn结的两侧 使得空间电荷区向沟道内部扩 展 并使耗尽层中的载流子耗尽 结果是 沟道的截面积减小 因而沟道电阻增加 这样 源和漏极之间等效电阻就受到栅电压的调制 六 简述jfet的沟道长度调制效应 答 沟道长度调制效应 沟道夹断之后 漏极电压进一步增加时 耗尽区的长度增加 电中性的沟道长度减小 这种现象称为沟道长度调制 在沟道中心 电中性的沟道区 承受电压 耗尽的沟道区承受电压 p v pd vv 由于被减短的电中性沟道长度承受着同 样的 而沟道长度减少了 因而 对于夹断后的任何漏极电压 都会使漏极电流略 有增加 由于这个原因 夹断后的漏极电流不是饱和的 且漏极电阻为有限 p v 七 画出结型场效应晶体管结构示意图 简述其工作原理 答 结型场效应晶体管结构示意图如下 在正常工作条件下 反向偏压加于栅pn结的两侧 使得空间电荷区向沟道内部扩展 并使耗尽层中的载流子耗尽 结果是 沟道的截面积减小 因而沟道电阻增加 这样 源和漏极之间流过的电流就受到栅电压的调制 八 画出4种jfet类型所采用的电学符号 并简要说明各种类型的主要特点 答 耗尽型是指栅偏压为零时就存在导电沟道 而欲使沟道夹断 必须施加反向偏压 使沟道内载流子耗尽 常开型 增强型是指栅偏压为零时 沟道是夹断的 只有外加 正偏压时 才能开始导电 常闭型 考虑到p沟和n沟两类导电沟道 则总共有四种 类型的jfet n 沟耗尽型 n 沟增强型 p 沟耗尽型 p 沟增强型 九 指出下图中各电学符号所代表的jfet类型 并简要说明各种类型的主要特点 十 硅n沟道jfet具有如图结构以及以下参数 318 10 cmna 315 10 cmnd ma 2 计 算 a 自 建 电 势 0 b 夹 断 电 压 和 0p v p v cqmfkcmni 1912 0 310 106 1 1085 8 8 11 105 1 答 a 自建电势差 v n nn v i da t 76 0 1025 2 1010 ln026 0ln 20 1815 2 0 b 夹断电压 v k nqa v d p 06 3 1085 88 112 10 104 106 1 2 14 15819 0 2 0 vvv pp 3 276 006 3 00 十一 硅n沟道jfet具有如图结构以及以下参数 319 10 cmna 315 105 cmnd ma 1 计 算 a 自 建 电 势 0 b 夹 断 电 压 和 0p v p v cqmfkcmni 1912 0 310 106 1 1085 8 8 11 105 1 答 a 自建电势差 v n nn v i da t 86 0 1025 2 10105 ln026 0ln 20 1915 2 0 b 夹断电压 v k nqa v d p 83 3 1085 88 112 105 10106 1 2 14 15819 0 2 0 vvv pp 97 286 083 3 00 十二 参考下图 当vd进一步增大时 绘出jfet沟道变化情况 并解释什么是场效应 答 场效应是指半导体电导率被垂直于半导体表面的电场调制的效应 第六章 一 推导出p型衬底上理想mos结构在载流子耗尽时表面空间电荷区电势与电场分 布 设p型衬底杂质浓度为 耗尽层宽度为 泊松方程满足的边界条件为 a n d x 0 0 d xx s ds dx d x 解 理想mos结构在载流子耗尽情况下 单位面积的总电荷为 dabs xqnqq 式中为耗尽层宽度 d x 基于耗尽层近似的泊松方程为 0 0 0 2 2 d xx d s a dx d x k qn dx d 边界条件 求解 得表面电势分布 2 0 2 xx k qn x d s a 表面电场分布 0 xx k qn dx xd e d s a 二 推导出n型衬底上理想mos结构在载流子耗尽时表面空间电荷区电势与电场分 布 设n型衬底杂质浓度为 耗尽层宽度为 泊松方程满足的边界条件为 d n d x 0 0 d xx s ds dx d x 答 理想mos结构在载流子耗尽情况下 单位面积的总电荷为 ddbs xqnqq 式中为耗尽层宽度 d x 基于耗尽层近似的泊松方程为 0 0 0 2 2 d xx d s d dx d x k qn dx d 边界条件 求解 得表面电势分布 2 0 2 xx k qn x d s a 表面电场分布 0 xx k qn dx xd e d s a 三 解释mosfet出现反型层以后的电容c与测量频率有关的现象 答 所谓电容与测量频率有关 就是与交变信号电压的频率有关 在出现反型层以后 特别是在接近强反型时 表面电荷由两部分所组成 一部分是反型层中的电子电荷 它是由少子的增加引起的 另一部分是耗尽层中的电离受主电荷 它是由于多子空 穴的丧失引起的 i q b q bis qqq 表面电容为 s c s s s d dq c 考虑是怎样积累起来的 例如 当mos上的电压增加时 反型层中的电子数 目要增多 p型衬底中的电子是少子 由衬底流到表面的电子非常少 因此 反型层中 电子数目的增多 主要依靠耗尽层中电子 空穴对的产生 在反型层中实现电子的积 累是需要一个过程的 这个过程的弛豫时间由非平衡载流子的寿命所决定 一般比较 长 同样 当mos上的电压减小时 反型层中的电子要减少 电子数目的减少主要依 靠电子和空穴在耗尽层中的复合来实现 i q 如果测量电容的信号频率比较高 耗尽层中电子 空穴对的产生和复合过程跟不 上信号的变化 那么 反型层中的电子电荷也就来不及改变 于是 0 s i d dq 这样在高频情况下 d s s b s x k d dq c 0 随着直流偏压的增加 增大 电容c减小 当表面形成了强反型层时 强反型 层中的电子电荷随直流偏压的增加而e指数地增加 对直流偏置电场起屏蔽作用 于 是 耗尽层宽度不再改变 达到极大值 这时 mos系统的电容c要达到极小值 g v d x dm x min c 在接近强反型区 如果测量电容的信号频率比较低 耗尽层中电子 空穴对的产 生与复合过程能够跟得上信号的变化 这时 反型层中的电子电荷的变化 屏蔽了信 号电场0 s b d dq si ddq 对表面电容的贡献是主要的 而耗尽层的宽度和电荷基本上 不变 因此在这种情况下 表面电容由反型层中电子电荷的变化所决定 s i s d dq c 在形成强反型以后 随 变化很快 的数值很大 于是 mos 系统 i q s s c 的电容c趋近 即 c0 1 0 c c 随着 的增加 c经过一个极小值 而后迅速增大 最后趋近于 以上说明了mos 系统的c v关系随测量频率变化的原因 g v 0 c 四 证明mosfet沟道电导为 ini q l z g 证明 对于长为l 截面积为z 的电阻 如果载流子均匀分布 其电导为 nii i zx n gq l 由于载流子不均匀 应把写成 iin x i x i dxxn 0 于是 i x ini dxxnq l z g 0 1 其中 2 i x i qdxxqn i 0 i q为反型层中单位面积下的总的电子电荷 负号表示负电荷 2 代入 1 即得 ini q l z g 五 写出实际阈值电压表达式并解释各项的物理意义 说明控制阈值电压的具体措施 答 实际阈值电压表达式为 si b ms c q c q si c b q fb v th v 00 0 0 第一项是 为消除半导体和金属的功函数差的影响 金属电极相对于半导体所需要加 的外加电压 第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧 所需要加的外加电压 第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压 第四 项是开始出现强反型层时 半导体表面所需的表面势 控制阈值电压的具体措施 选用与半导体功函数差小的金属 六 在的p型si衬底上制成一铝栅mos晶体管 栅氧化层厚度为120nm 表面电荷密度为 计算阈值电压 315 10 cmna 211 103 cm 答 首先求解氧化层电容 109 2 28 0 00 0 cmf x k c si b ms c q c q th v 00 0 七 mosfet工作在非饱和区时的萨支唐 sah 方程推导 并求解跨导gm和沟道电导 gd 说明提高gm的具体措施 答 y处建立起电位v y 因而感应沟道电荷修正为 yvvvcq thgi 0 漂移电子电流 dydvqzi yyind 式中 dvvvvczdyi thgnd 0 两边积分得 2 2 0 d dthgnd v vvv l z ci 上式称为萨支唐 c t sah 方程 沟道电导 常数 g v d d d v i g 对上式求导数 thgndthgnd vv l z cvvv l z cg 00 线性区的电阻 称为开态电阻 或导通电阻 可用下式表示 thgnd on vvzc l g r 0 1 跨导 常数 d v g d m v i g 线性区 对上式求导 dnm v l z cg 0 饱和区 thg n m vv l zc g 0 在假设为常数时 饱和区跨导的表示式和线性区导纳gd的相同提高gm的具体 措施有 1 增大载流子迁移率 选用体内迁移率高的材料 2 减小栅氧化层厚度 制作高质量的尽可能薄的栅氧化层 3 增大器件的宽长比 4 减小器件的串联电 阻 b q m g 八 导出mos理想结构的阈值电压表达式并解释各项的物理意义 解 当出现强反型时 si bi g c q c q v 00 thgsi b gi vvc c q vcq 0 0 0 沟道电荷受到偏压控制 这正是mosfet工作的基础 阈值电压 si b th c q v 0 第一项表示在形成强反型时 要用一部分电压去支撑空间电荷 第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表面势 九 导出mosfet反型和强反型条件 解 反型条件 设半导体体内本征费米能级为 则在空间电荷区内 0i e xqexe ii 0 在半导体表面处 siis qee 0 令 q ee fi f 0 为半导体体内的费米势 则 t v x enxn 0 t v s enns 0 t v f enn i 0 或者 tfs v is enn 1 以及 t v x epxp 0 t v s epps 0 t v f enp i 0 2 当时 半导体表面呈现本征状态 此后 再增加 is nn s 半导体表面就会发 生反型 于是由 2 式得到 fs 3 一般规定 当表面势等于体内费米势时 半导体表面开始发生反型 3 式即为 反型条件 强反型条件 规定当表面少子浓度等于体内平衡多子浓度时 半导体表面形成强反型层 这称 为强反型层条件 由 1 和 2 式有 fsi 2 4 式 si 中表示出现强反型时的表面势 4 式叫做强反型条件 十 下图为mosfet随栅极电压vg极性和大小变化时出现的三种不同表面情况 试绘 出这三种情况所对应的mosfet能带结构和电荷分布示意图 答 对应的mosfet能带结构图如下 第八章 一 解释pn结光生伏特效应的主要物理过程 并绘出pn结在无光照平衡时和有光照 开路时的能带图 作简要的说明 答 p n结光生伏特效应就是半导体吸收光能后在p n结上产生光生电动势的效应 光生伏特效应涉及到以下三个主要的物理过程 第一 半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子 空穴对 第二 非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动 这种运动可以是扩散运动 也可以是漂移运动 第三 非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离 这种非均匀势 场可以是结的空间电荷区 也可以是金属 半导体的肖特基势垒或异质结势垒等 pn结能带图 a 无光照平衡p n结 b 光照p n结开路状态 二 绘出pin光电二极管能带结构图 并简述其工作原理 答 pin光电二极管能带结构图如下 h h r qv h 漂移空间 空穴扩散 电子扩散 c e v e fn e fp e pin光电二极管工作原理 光照反偏pin结 大部分光子在i层中吸收 有利于提高转 换 产生的光生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流 光电二极管把光信号转 换成了电信号 反向的光电流的大小与入射光的强度和波长有关 光电二极管用于探 测光信号 三 简述采用哪些因素可提高太阳电池的转换效率 答 最大功率考虑 选用合适eg的半导体材料 光谱考虑 串联电阻与分流电阻的考 虑 采用栅格接触形式 这种结构能够有大的曝光面积 而同时又使串联电阻保持合 理的数值 表面反射考虑 采用抗反射层 聚光考虑 聚光是用聚光器面积代替许多 太阳能电池的面积 从而降低太阳能电池造价 它的另一个优点是增加效率 四 简述太阳电池最大输出功率与太阳电池材料禁带宽度的关系 g e 答 太阳电池的最大输出功率由开路电压和短路电流所决定 由光谱考虑 发现随 着禁带宽度的增加而减小 但开路电压 l i g e gc l tc kte ev i i vvei g 0 0 0 0 1ln 代入 因而 乘积会出现一极大值 loci v 五 理想太阳电池等效电路如图所示 列出理想太阳电池i v特性和负载功率表达式 画出i v特性曲线 并说明在什么情况下负载上获得的功率最大 h l iv l r l r d i i 答 v i特性可以由图所示的等效电路写出 t v v eiiiii ldl 1 0 式中 1 0 t vv d eii为p n 结正向电流 为p n 结饱和电流 p n结的结电压即 为负载上的电压降 0 i pn结上的电压为 1ln 0 i ii vv l t 1 由式 1 画出的i v特性曲线如下图 太阳电池向负载提供的功率为 1 0 t vv l eviviivp 0 dvdp时 得最大功率条件 0 11 i i e v v l v v t mp t mp 或者 tmp l tmp vv ii vv 1 1 ln 0 六 从太阳光谱吸收的角度解释由不同禁带宽度子电池构成的叠层太阳能电池转换效 率更高的原因 答 太阳光谱从紫外到红外有很宽的光谱范围 单结太阳能电池只能吸收部分太阳光 光子 因而为了提高大部分光子的吸收 一种重要措施就是采用具有不同禁带宽度的 多结太阳能电池 如图所示是三结太阳能电池 顶层电池禁带宽度最大 主要吸收短 波光子 中间层电池禁带宽度次之 吸收中间波长的光子 低层电池禁带宽度最小 吸收长波光子 这样不同波长的光子的能量都得到了充分的利用 因而转换效率也就 更高 第九章 一 解释发光二极管外量子效率和内量子效率概念 答 外量子效率 单位时间内输出二极管外的光子数目与注入的载流子数目之比 内 量子效率 单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数与注入的载流子数目之比 二 画出能带图 说明led的工作原理 解 发光二极管能带图如下 当led加一正向偏压时 电子和空穴分别往p型和n型区间运动 然后与对方区 间的少子复合 在复合的过程中发射光子 三 简述半导体激光器受激发射需具备的条件 答 半导体激光器是靠注入载流子工作的 若要发射激光 需具备三个条件 1 要形 成粒子数反转 即处于高能态的粒子数远高于处于低能态的粒子数 2 要有一个合适 的谐振腔能起到反馈作用 使激射光子增生 从而产生激光振荡 3 要满足一定的阈 值条件 以使光子增益等于或大于光子损耗 四 结合下图 分析n型和p型半导体的俄歇 auger 过程 答 a d 为带间俄歇复合过程 b e 为多子与陷在禁带中能级上少子的俄歇复合过 程 c f 为少子与陷在禁带中能级上多子的俄歇复合过程 a b c 均为n型半导 体 参与复合的为一个空穴和两个电子 当电子和空穴复合后产生的能量使另一个位 于导带中的电子激发导带中更高的能级 然后通过多声子发射耗散能量 d e f 均 为p型半导体 参与复合的为两个空穴和一个电子 当电子和空穴复合后产生的能量 使另一个位于价带中的空穴激发 五 依据下图 简述半导体中光子与电子相互作用的三种基本过程 答 半导体中光子与电子相互作用的三种基本过程 吸收 自发发射和受激发射 半 导体中入射的光子h 12被处于低能态e1的电子吸收从而跃迁到高能态e2上 这个过程称 为吸收过程 处于高能态e2的电子并不稳定 它会跃迁到低能态e1上 并释放能量为h 12 的光子 这个过程称为自发发射 处于高能态e2的电子也可能被入射光子h 12激发 跃 迁到低能态e1上 并释放一个与激励光子能量 传播方向 相