半导体器件期末考试.pdf

半导体器件物理期末试题 半导体器件物理期末试题 A 卷 卷 满分 100 分 考试时间 150 分钟 电子科学与工程学院 2003 级微电子学 电子科学与技术专业 2006 年 6 月 一 回答下列问题 1 耗尽近似 5 分 2 什么是空间电荷区复合电流和产生电流它们是怎么产生的 5 分 3 什么是场效应 举出几种应用场效应工作的器件 5 分 4 太阳电池和光电二极管的主要异同点有哪些 5 分 5 双极结型晶体管 BJT 有几种工作模式 写出工作条件 5 分 6 P AlGaAs P GaAs N GaAs LED 中 P AlGaAs 层的作用 5 分 30 分 二 若PN结边界条件为 n wx 处 0n pp p wx 处 po nn 其中 p w和 n w分别与 p L 和 n L具有相同的数量级 1 证明 PN 结 N 区少子空穴分布为 p nn p n VV nnn L xW L xW eppp T sinh sinh 1 00 n xx 10 分 2 写出 P 区少子电子分布 2 分 3 根据以上公式导出长 PN 结少子分布和电流分布 8 分 20 分 三 1 画出理想太阳电池等效电路图并根据等效电路图写出 I V 特性 5 分 2 画出能带图并根据能带图说明发光管的工作原理 5 分 10 分 四 根据 E M 方程 11 00 TCTE VV RR VV FE eIeII 11 00 TCTE VV R VV FFC eIeII 证明 RF E F I I 1 0 0 5 分 RF Co Ro I I 1 5 分 其中 0E I为集电极开路时 0 C I 的发射结反向饱和电流 CO I为发射极开路 0 E I 时的集电结反向饱和电流 10 分 五 镜象力电子势能为 1 xE xk q 0 2 16 外电场能为xqxE 2 证明镜象 力降低肖特基势垒高度为 00 4 2 16 k q x xk q x m m mb 10 分 六 绘出在偏压条件下MOS结构中对应载流子积累 3 分 耗尽 3 分 强反型 4 分 的 能 带 图 采 用N型 衬 底 并 忽 略 表 面 态 和 功 函 数 的 影 响 10 分 七 画出结构示意图说明结型场效应晶体管工作原理 10 分 半导体器件物理期末试题 半导体器件物理期末试题 B 卷 卷 满分 100 分 考试时间 150 分钟 电子科学与工程学院 2003 级微电子学 电子科学与技术专业 2006 年 6 月 一 回答下列问题 30 分 1 PN 结注入的少数载流子以扩散的方式运动 这称为扩散运动 为什么 5 分 2 M S 接触有几种效应 5 分 3 简述太阳电池的基本结构和工作原理 5 分 4 说明 BJT 的放大作用 5 提高 LED 量子效率的主要途径有哪些 5 分 6 沟道长度调制效应 5 分 二 根据pqDpqj ppp v v 证明 热平衡时 2 0 ln i ad Tpn n NN V 10 分 三 画出 BJT 的低频小信号等效电路图并证明共发射极短路电流增益的截止频率为 FETCTED m hCCC g 10 分 四 写出实际 MOSFET 阈值电压表达式并解释各项的物理意义 10 分 五 证明 NPN 缓变基区晶体管基区内电子分布为 dxN NqAD I xn B x x a an n p 20 分 六 假设P N 二极管受到一个光源的均匀照射 所引起的电子 空穴产生速率为 L G 1 解 PN 结扩散方程证明 p plLx p p l VV nn D LG e D L GePP p T 2 2 0 1 10 分 2 写出 P 区少子电子分布表达式 2 分 3 导出电流表达式并证明短路光电流 LLnp IqGLLA 8 分 20 分 半导体器件物理期末试题 半导体器件物理期末试题 A 卷 答案卷 答案 满分 100 分 考试时间 150 分钟 电子科学与工程学院 2003 级微电子学 电子科学与技术专业 2006 年 6 月 一 回答下列问题 30 分 1 耗尽近似 5 分 答 在空间电荷中 与电离杂质浓度相比 自由载流子浓度可以忽略 这称为耗 尽近似 2 什么是空间电荷区复合电流和产生电流它们是怎么产生的 5 分 答 正偏压 PN 结空间电荷层边缘处的载流子浓度增加 以致pn 2 i n 这些过量 载流子穿越空间电荷层 使得载流子浓度可能超过平衡值 因而在空间电荷层 中这些过量载流子会有复合 所产生的电流叫做空间电荷区复合电流 NP 结在反向偏压的作用下 空间电荷区中np0 C V 0 反向有源模式 E V0 饱和模式 E V 0 C V 0 截止模式 E V 0 C V 0 6 P AlGaAs P GaAs N GaAs LED 中 P AlGaAs 层的作用 5 分 答 AlGaAs 的禁带宽度 1 83eV 大于 GaAs 的禁带宽度 1 43eV 因此从 P GaAs N GaAs LED 中发出的光不会被 AlGaAs 层再吸收 这就是 AlGaAs 层的窗口作用 与此同时 在AlGaAs GaAs界面上的复合中心密度显著的低于没有AlGaAs层 的GaAs表面的复合中心密度 因而 距离界面的结深可以做得很小 二 20 分 解 1 10 分 nn xxw 少子空穴扩散方程为 0 2 0 2 0 2 p nnnn L pp dx ppd 式中 21 ppp DL 为空穴的扩散长度 方程通解和边界条件为 1 A 2 3 pp T x Lx L nn012 V V 1 nn0n0n nn0n p p K e K e p p p e x x p p 0 x w 令 2 3 分别代入 1 得 npnp xLxL 12 A K e K e npnp wLwL 12 0 K e K e 从中解出 np wL 2 nn p Ae K w x 2sh L 4 np wL 1 nn p Ae K w x 2sh L 5 将 4 5 代入 1 T n pV V nn0n0 nn p w x sh L p p p e 1 w x sh L 6 6 式即为 N 侧空穴分布 2 2 分 类似地 pp wxx 电子分布为 T p V V n pp0p0 pp n w x sh L n n n e 1 w x sh L 3 8 分 长 PN 结 np T x x L V V nn0n0 p p p e 1 e pn T x x L V V pp0p0 n n n e 1 e 电流分布 n pp dp I x qAD dx pn T Lxx VV p np ee L PqAD 0 1 p nn dn I x qAD dx np T Lxx VV n pn ee L nqAD 0 1 三 10 分 解 1 5 分 I V 特性 T V V eII III L DL 1 0 h L IV L R L R D I I 太阳电池理想等效电路 2 5 分 当正向偏压加于NP 结的两端时 载流子注入穿越NP 结 使得载流子 浓度超过热平衡值 形成过量载流子 过量载流子复合 能量以热 声子 或 光 光子 的形式释放 在光子发射过程中 我们从偏压的电能量得到光能量 这种现象称为电致发光 在P侧 注入的非平衡少数载流子电子从导带向下跃 迁与价带中的空穴复合 发射能量为Eg的光子 在NP 结的N侧 注入的非 平衡少数载流子空穴与导带电子复合 同样发出能量为Eg的光子 四 10 分 解 由 EM 方程 11 00 TCTE VV RR VV FE eIeII 1 11 00 TCTE VV R VV FFC eIeII 2 令 2 式 0 C I1 TE VV e 则 0 0 1 FF VV R IeI TE 代入 1 式且令1 TE VV e 及 0EE II 得 RF E F I I 1 0 0 3 同样令 1 式 1 0 G V FM E C E V E M Q 0 G V FS E i E S Q C E i E S Q V E 2 载流子耗尽层 0 G V 3 载流子强反型 0 G V M 能带 0 G V M Q FS E FM E 七 10 分 解 两图画任一图即可 在正常工作条件下 反向偏压加于栅NP 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 沟道的截面积被减小 因 而沟道电阻增加 这样 源和漏之间流过的电流就受到栅电压的调制 这就是 JFET的基本工作原理 源极 上栅极 漏极 Z 源极 漏极 栅极 Z N p a L p N p a2 L 下栅极 a b 图 5 1 由两种工艺制成的n沟道 JFET a 外延 扩散工艺 b 双扩散工艺 半导体器件物理试卷 半导体器件物理试卷 B 卷 卷 满分 100 分 考试时间 150 分钟 电子科学与工程学院 2003 级微电子学 电子科学与技术专业 2006 年 6 月 一 30 分 答 1 5 分 在电中性的N侧载流子的行为 由于有注入的过量空穴的正电荷存 在 建立起一瞬间电场 此电场吸引过量的电子以中和注入的空穴 并使电中 性得以恢复在注入载流子的区域 假设空间电荷的电中性条件完全得到满足 则少数载流子是仅存的一种类型的载流子 这些载流子由于被中和 不带电 通过扩散运动在电中性区中输运 这称为扩散近似 2 5 分 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 3 5 分 半导体太阳电池是直接把太阳能转换成电能的器件 其基本结构为 PN 结 M S 结或异质结二极管 在光的照射下 半导体中的原子因吸收光子能 量而受到激发 如果光子能量大于禁带宽度 在半导体中就会产生电子 空穴 对 在距NP 结的空间电荷区一个扩散长度以内产生的电子 空穴对 一旦进 入NP 结的空间电荷区 就会被空间电荷区的内建电场所分离 非平衡空穴被 拉向P区 非平衡电子被拉向N区 结果在P区边界将积累非平衡空穴 在N区 边界将积累非平衡电子 产生一个与平衡NP 结内建电场方向相反的光生电 场 于是 在P区和N区之间建立了光生电动势 4 5 分 正向有源模式下发射结正偏 势垒降低 E qV 电子将从发射区向基 区注入 空穴将从基区向发射区注入 基区出现过量电子 发射区出现过量空 穴 过量载流子浓度取决于发射结偏压的大小和掺杂浓度 当基区宽度很小 远 远小于电子的扩散长度 时 从发射区注入到基区的电子除少部分被复合掉外 其余大部分能到达集电结耗尽区边缘 集电结处于反向偏压 集电结势垒增加 了q c V来到集电结的电子被电场扫入集电区 成为集电极电流 这个注入电子 电流远大于反偏集电结所提供的反向饱和电流 是集电电流的主要部分 如果 在集电极回路中接入适当的负载就可以实现信号放大 5 5 分 可以通过减少 或 j x或通过增加T来提高外量子效率 产生 hx时 0 0 2 2 L p nnn p G pp dx pd D 22 2 p pLnonpLnon L Gpp dx Gppd 其中 ppp DL pL pp nn G L x K L x Kpp exp exp 210 由边界条件 pLn T non Gpx V V ppx exp 0 代入到 式中 得 0 1 exp 2 1 K G V V pK pL T no p pL pp p L T nnonn D LG L x D L G V V Pppp 2 2 0 exp 1 exp 同理 N 区注入电子 n nL nn n L T pppp D LG L x D L G V V nnnn 2 2 00 exp 1 exp nL n nL T p G L x G V V n exp 1 exp 0 电流分布为 exp 1 exp 0 p pL T n p p n pp L x G V V P L qAD dx dp qADxI 0 x x n x p x 0 P N exp 1 exp 0 n nL T p n n p nn L x G V V n L qAD dx dn qADxI 总电流为 1 exp 0 0 0 pnL Tn pn p nop np LLqAG V V L nD L pD qAIII L T I V V II 1 exp 0 Q 0 0 n pn p nop L nD L pD qAI ALLqGI pnLL 吉林大学试卷分析报告吉林大学试卷分析报告 2003 级本科生 半导体器件物理 课程考试成绩分布图级本科生 半导体器件物理 课程考试成绩分布图 50 人 40 人 30 人 25 人 20 人 15 人 10 人 8 人 6 人 4 人 2 人 95 分 90 分 85 分 80 分 75 分 70 分 65 分 60 分 55 分 54 分以下 注 分数 人数指本档分数 人数的最低线 其它中间值可以参照图表数字适当标出位置 2003 级本科生 半导体器件物理 课程学习状况分析级本科生 半导体器件物理 课程学习状况分析 学生对所