《半导体器件物理》试卷(三).pdf

1 半导体器件物理 半导体器件物理 2008 试卷 试卷 A 标准答案标准答案 一 填空题 共一 填空题 共 34 分 分 1 PN 结击穿的机制主要有 雪崩击穿 齐纳击穿 和 热击穿 等三种 2 当金属与半导体接触时 若二者的接触有整流作用 则叫 整流接触 反之叫 欧姆接触 3 MOS 场效应晶体管的二级效应是 非线性 非一维 非平衡 等因素 对 I V 特性产生的影响 它们包括 非常数迁移率效应 短沟道效应 窄沟道效应 和 体电荷效应 4 双极型晶体管的工作模式有 正向有源模式 反向有源模式 饱和模式 和 截止模式 取决于 发射结 和 集电结 的偏置 状况 二 简答题 共二 简答题 共 18 分 分 1 影响 MOSFET 阈值电压的因素 答案 1 金属和半导体功函数差 2 界面陷阱和氧化物电荷 3 衬底掺杂浓度 4 氧化层厚度 5 衬底偏置电压 2 解释基区宽度调变效应对共射极晶体管输出特性的影响 并比较 MOS 场效 应晶体管的沟道长度调制效应对源漏电流 电压的影响 答案 1 晶体管达到饱和状态时 当 VCE从某值开始继续增加 集电极电 流 IC随 VCE增加而增加 从而呈现不饱和性的现象 这种现象起因于晶体管的 基区宽度调变效应 也称为 Early 效应 基区宽度调变效应可解释为 2 2 2 111 B n T T T T FE x L a a h 电流增益正比于 xB 2 当 VCE增大时 集电结空间电荷区展宽 使得有效基区宽 度 xB减小 xB减小使得 hFE增加 从而使得集电极电流 IC随 VCE的增加而增加 2 MOSFET 漏 源饱和电流随着沟道长度的减小 由于 VDS增大 漏端 耗尽区扩展所致 而增大的效应称为沟道长度调变效应 这个效应会使 MOS 场效 应晶体管的输出特性曲线明显发生倾斜 导致它的输出阻抗降低 3 PN 结少数载流子的电荷贮存效应 答案 当在 PN 结两端施加一恒定的正向偏压时 载流子被注入并保持在 PN 结二极管中 这种现象称为 PN 结少数载流子的电荷贮存效应 当正向偏压突然 转换至反偏压时 在稳态条件下保持着的载流子并不能立刻消除 2 三 三 分析 共分析 共 16 分 分 1 说明 NPN 型晶体管的发大作用的工作原理 给出理想 NPN 型双极型晶体管正 常工作时的各工作电流分量图 并说明各电流的形成及晶体管各端 发射极 集电极 基极 电流的组成 答案 NPN 型晶体管的发大作用时 由于发射结正偏 势垒降低 qVE 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 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 qVC 来到集电结的电子被电场扫入集 电区 成为集电极电流 此时 反偏集电结所提供的反向饱和电流可忽略不计 如果在集电极回路中接入适当的负载就可以实现信号的放大 图 3 1 NPN 型双极型晶体管正常工作时的各工作电流分量图 InE从发射区注入到基区中的电子流 InC到达集电结的电子流 InE InC基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流 IpE从基区注入到发射区的空穴电流 Irg发射结空间电荷区耗尽层内的复合电流 IC0集电结反向电流 包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生 电流 各发射端电流的组成 IE InE IpE Irg IB IpE Irg InE InC IC0 IC InC IC0 2 给出理想 N 型半导体 MOS 电容的 C V 特性曲线 并分区进行分析 答案 令 C 为 MOS 系统单位面积的微分电容 G M dV dQ C 又由于 SG VV 0 3 则 M S MM G dQ d dQ dV dQ dV C 0 1 令 0 0 dV dQ C M S S S M S d dQ d dQ C 则 S CCC 111 0 即 S C C C C 0 0 1 1 为归一化电容 图 3 2 N 型半导体 MOS 电容的 C V 特性曲线 1 积累区 VG 0 当MOS电容器的金属电极上加有较大的正偏压时 在表面 造成多数载流子电子的大量积累 这时只要表面势 S 稍有变化 就会引起空间 电荷QS的很大变化 故半导体表面电容比较大 与绝缘体电容串联后可忽略 MOS系统的电容C基本上等于绝缘体电容C0 从而在图中相应的位置上呈现一 水平线 当VG数值逐渐减小时 空间电荷区积累的空穴数随之减小 且QS随 S 的变化也逐渐减小 CS变小 不可忽略 由于电容串联后将使总电容减小 所 以正偏压数值越小 CS越小 MOS电容器的总电容C也就越小 在图中呈现一 段下降的曲线 2 平带情况 VG 0 当VG 0时 0 S 能带是平直的 称为平带情况 3 耗尽区 VG 0 由于 d S S S S x k d dQ C 0 则随外加偏压VG绝对值的增大 xd将增大 从而电容CS将减小 故CS和C0串联而成的MOS电容也将随VG绝 对值的增大而减小 则在图中耗尽区 归一化MOS电容 0 C C 随着外加偏压VG 绝对值的增大而减小 呈现下降趋势 4 反型区 VG 0 在耗尽区的基础上进一步加大 G V 在N区表面感应出大 量的正电荷 并将沟道导通 此时电荷由QI和QB组成 其中QI为反型层中空 穴电荷量 QB为耗尽层中受主负电荷量 反型区中的C V特性与频率有关 QI 主要由耗尽层中的受主正离子提供 当处于高频情况下 QI的变化赶不上外加 电压的变化 从而由QI引起的电容可忽略不计 而主要由QB引起的电容决定 又QB与x2B成反比 从而C随 G V增加而下降 并达到一最小值 在低频情况 4 下QI的变化可适应电压的变化 从而QI引起的电容占主要部分 则 0 C C 的值迅 速增加且达到值1 四 四 计算推导 共计算推导 共 32 分 分 1 试分析施加偏压的扩散结 线性缓变PN结 的势垒宽度 自建电压 并分析 其势垒电容 电压特性关系 并描述其关系曲线 阐述根据其特性曲线可推导出 杂质分布的斜率和自建电压的原理 解 1 由方程 axNN NNq kdx d ad ad 0 2 2 可得 0 2 2 k qax dx d 解方程得 1 0 2 2 C k qax dx d 利用其边界条件 0 2 W x dx d 可得 0 2 1 0 2 0 2 8 82 k qaW C k qaW k qax dx d 上式中的常数项为 对上式求积分可得 2 0 2 0 3 86 C k xqaW k qax x 其边界条件为 0 0 因此 0 2 0 3 86 k xqaW k qax x 则 0 3 0 12 2 2 k qaWWW xx pn 因此可求得未施加偏压时的空间电荷区的宽度为 3 1 00 12 qa k W 则施加偏压时有 3 1 00 12 qa Vk W R 2 对n侧有 axNN enxn nNpN ad Vx i ad T 0 可得 Tn Vx in en W nxn 2 5 则有 i Tn n aW Vx 2 ln 同理有 i Tp n aW Vx 2 ln 因此有 i Tpn n aW Vxx 2 ln2 0 3 由于 3 2 00 2 2 0 2 0 ad 12 88 qa VkqaAqaAW dxxqaAdxNNqAQ R WW 则电容C的表达式为 3 1 00 0 12 qa Vk Ak dV dQ C R R 上式等效变换为 121 0 0 2233 R V qakAC 根据上式 可描述出电容 电压的特性曲线如下 图 4 1 C V 特性曲线 根据上述曲线 可知 1 曲线外推与x轴的交点 可求得自建电压 2 由直线的斜率可推导出杂质分布 2 MOS场效应晶体管工作在线性区和饱和区时的直流电流 电压关系式的推 导 并分析源 漏串连电阻RD RS存在对饱和区的跨导gm和线性区漏 源输出 电导gd的影响 答案 1 线性区 感应沟道电荷为 0 yVVVCQ THGI 2 1 其中 V y 为加上源漏之间的沟道电压VD之后 在y处建立起的电位 产生的漂移电流为 yInD QZI 2 2 6 将 dy dV y 和 2 1 代入 2 2 得 dVVVVCZdyI THGnD 0 2 3 对式 2 3 从y 0到y L以及V 0到V VD积分 得 2 2 0 D DTHGnD V VVV L Z CI 2 4 饱和区 当达到饱和区时令QI 0得V L VG VTH VDsat 2 5 将 2 5 代入 2 4 得漏极饱和电流 20 2 THG n Dsat VV L ZC I 2 6 2 源 漏串连电阻RD RS存在对饱和区的跨导gm和线性区漏 源输出电导 gd的影响 线性区电导 00THGnDTHGn CV D D d VV L Z CVVV L Z C V I g G 2 7 饱和区跨导 0 THG n CV G