半导体器件物理习题答案.doc

1、简要的回答并说明理由：p+-n结的势垒宽度主要决定于n型一边、还是p型一边的掺杂浓度？p+-n结的势垒宽度与温度的关系怎样？p+-n结的势垒宽度与外加电压的关系怎样？Schottky势垒的宽度与半导体掺杂浓度和温度分别有关吗？【解答】p+-n结是单边突变结，其势垒厚度主要是在n型半导体一边，所以p+-n结的势垒宽度主要决定于n型一边的掺杂浓度；而与p型一边的掺杂浓度关系不大。因为势垒区中的空间电荷主要是电离杂质中心所提供的电荷（耗尽层近似），则掺杂浓度越大，空间电荷的密度就越大，所以势垒厚度就越薄。因为在掺杂浓度一定时，势垒宽度与势垒高度成正比，而势垒高度随着温度的升高是降低的，所以p+-n结的势垒宽度将随着温度的升高而减薄；当温度升高到本征激发起作用时，p-n结即不复存在，则势垒高度和势垒宽度就都将变为0。外加正向电压时，势垒区中的电场减弱，则势垒高度降低，相应地势垒宽度也减薄；外加反向电压时，势垒区中的电场增强，则势垒高度升高，相应地势垒宽度也增大。Schottky势垒区主要是在半导体一边，所以其势垒宽度与半导体掺杂浓度和温度都有关（掺杂浓度越大，势垒宽度越小；温度越高，势垒宽度也越小）。2、简要的回答并说明理由：p-n结的势垒高度与掺杂浓度的关系怎样？p-n结的势垒高度与温度的关系怎样？p-n结的势垒高度与外加电压的关系怎样？【解答】因为平衡时p-n结势垒（内建电场区）是起着阻挡多数载流子往对方扩散的作用，势垒高度就反映了这种阻挡作用的强弱，即势垒高度表征着内建电场的大小；当掺杂浓度提高时，多数载流子浓度增大，则往对方扩散的作用增强，从而为了达到平衡，就需要更强的内建电场、即需要更高的势垒，所以势垒高度随着掺杂浓度的提高而升高（从Fermi能级的概念出发也可说明这种关系：因为平衡时p-n结的势垒高度等于两边半导体的Fermi能级的差，当掺杂浓度提高时，则Fermi能级更加靠近能带极值n型半导体的更靠近导带底，p型半导体的更靠近价带顶，使得两边Fermi能级的差变得更大，所以势垒高度增大）。因为温度升高时，半导体的Fermi能级将远离能带极值，所以p-n结两边半导体的Fermi能级的差变小，所以势垒高度将随着温度的升高而降低。当p-n结上加有正向电压时，即使势垒区中的总电场减弱，则势垒高度降低；当加有反向电压时，即使势垒区中的总电场增强，则势垒高度增大。3、简要的回答并说明理由：p-n结的势垒电容与电压和频率分别有何关系？p-n结的扩散电容与电压和频率分别有何关系？【解答】p-n结的势垒电容是势垒区中空间电荷随电压而变化所引起的一种效应（微分电容），相当于平板电容。反向偏压越大，势垒厚度就越大，则势垒电容越小。加有正向偏压时，则势垒厚度减薄，势垒电容增大，但由于这时正偏p-n结存在有导电现象，不便确定势垒电容，不过一般可认为正偏时p-n结的势垒电容等于0偏时势垒电容的4倍。p-n结的势垒电容与频率无关：因为势垒电容在本质上是多数载流子数量的变化所引起的，而多数载流子数量的变化是非常快速的过程，所以即使在高频信号下势垒电容也存在，因此不管是高频还是低频工作时，势垒电容都将起着重要的作用。p-n结的扩散电容是两边扩散区中少数载流子电荷随电压而变化所引起的一种微分电容效应，因此扩散电容是伴随着少数载流子数量变化的一种特性。正向电压越高，注入到扩散区中的少数载流子越多，则扩散电容越大，因此扩散电容与正向电压有指数函数关系。又，由于少数载流子数量的变化需要一定的时间t（产生寿命或者复合寿命的时间），当电压信号频率f较高（2f 1/t）时，少数载流子数量的增、减就跟不上，则就呈现不出电容效应，所以扩散电容只有在低频下才起作用。4、对于实际的Si/p-n结：正向电流和反向电流分别主要包含哪些不同性质的电流分量？正向电流与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？反向电流与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？正向电压与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？【解答】对于实际的Si/p-n结，正向电流主要包括有少数载流子在两边扩散区中的扩散电流和势垒区中复合中心的复合电流，在小电流时复合中心的复合电流将起重要作用；反向电流主要包括有少数载流子在两边扩散区中的反向扩散电流和势垒区中复合中心的产生电流，但在大小上，p-n结的反向电流往往是复合中心的产生电流为主。影响Si/p-n结正向电流温度关系的主要是扩散电流分量（复合电流的温度关系较小）。当温度升高时，势垒高度降低，则注入的少数载流子浓度增加，并使得少数载流子的浓度梯度增大，所以正向电流随着温度的升高而增大（温度每增加10 oC，正向电流约增加一倍）。正向电流将随着掺杂浓度的提高而减小，这主要是由于势垒高度增大、使得少数载流子的浓度梯度减小了的缘故。虽然通过Si/p-n结的反向电流主要是复合中心的产生电流，但是就随着温度的变化而言，起作用的主要是其中少数载流子的扩散电流分量（产生电流的温度关系较小）。当温度升高时，由于平衡少数载流子浓度增大，使得少数载流子的浓度梯度增大，所以反向电流随着温度的升高而增大（温度每升高6 oC，反向电流增大一倍）。当掺杂浓度提高时，由于平衡少数载流子浓度减小，使得少数载流子的浓度梯度降低，所以反向电流随着掺杂浓度的提高而减小。p-n结的正向电压将随着温度的升高而降低，这是由于势垒高度降低了的缘故（正向电压的温度变化率2 mV/oC）；p-n结的正向电压将随着掺杂浓度的提高而增大，这是由于势垒高度提高了的缘故。5、对于理想的p-n结，已知p-n结两边的掺杂浓度分别为NA和ND：如果少数载流子的扩散长度分别为Ln和Lp，试近似导出该p-n结的正向伏安特性关系；如果p型半导体电中性区的长度WLn，试给出这时p-n结的正向伏安特性关系。【解答】由于通过理想p-n结的电流主要是少数载流子的扩散电流，因此，只要给出了少数载流子的浓度梯度，即可立即得到相应的电流。根据已知的掺杂浓度可有：p型半导体中的平衡少数载流子浓度为npo=ni2/pponi2/NA，n型半导体中的平衡少数载流子浓度为pno=ni2/nnoni2/ND；当正向电压为VF时，则由p型半导体注入到n型半导体的空穴浓度为：pn(0) = pno exp(qVF/kT)，相应地，由n型半导体注入到p型半导体的电子浓度为：np(0) = npo exp(qVF/kT)；若近似认为在p-n结两边的少数载流子浓度的分布是指数函数，则在两边扩散区头部处的少数载流子浓度梯度分别为：(dnp/dx)|x=0 np(0)/Ln 和 (dpn/dx)|x=0 pn(0)/Lp。于是，在n型一边的空穴扩散电流密度与电压的关系可求出为：Jp = qDp(dpn/dx)|x=0 qDp pn(0)/Lp = (qDp pno /Lp) exp(qVF/kT) (qDp ni2 / ND Lp) exp(qVF/kT),同样，在p型一边的电子扩散电流密度与电压的关系可求出为：Jn = qDn(dnp/dx)|x=0 qDn np(0)/Ln = (qDn npo /Ln) exp(qVF/kT) (qDn ni2 / NA Ln) exp(qVF/kT).所以，通过p-n结的总电流密度与电压的关系为：J = |Jp| + |Jn| = (qDn ni2 / NA Ln)+ (qDp ni2 / ND Lp) exp(qVF/kT)= q ni2 (Dn / NA Ln)+ (Dp / ND Lp) exp(qVF/kT).如果WLn，则只要用W代替Ln即可：J= q ni2 (Dn / NA W)+ (Dp / ND Lp) exp(qVF/kT).可见，中性区长度的减小，将有利于增大少数载流子的扩散电流。6、对于一般的BJT：器件工作的电流主要是什么性质的电流？原则上应该从哪些方面考虑来提高BJT的电流放大系数？【解答】一般BJT工作的电流（集电极电流）主要是少数载流子扩散通过基区的电流（对于Si平面管等漂移晶体管，还有基区加速电场的漂移作用），它是少数载流子电流，并且主要是扩散电流；电流的大小基本上由少数载流子在基区中的浓度梯度来决定。可从提高发射结注射效率和提高基区输运系数两个方面来考虑。为了提高发射结注射效率，可增大发射区掺杂浓度、降低基区掺杂浓度、减小基区宽度、增大电中性发射区的长度、减小发射结势垒区中以及表面的复合中心浓度。为了提高基区输运系数，可减小基区宽度和增大基区中的少数载流子扩散长度（即增长寿命和增大扩散系数）；在基区中设置加速电场（称为漂移晶体管），可增大少数载流子在基区中的输运过程（漂移电场的作用可认为是使扩散系数加倍）。另外，在提高发射结注射效率方面，现在有两种重要的改进技术：a）若采用掺杂多晶硅来覆盖发射区表面（称为掺杂多晶硅晶体管），则能够在电中性发射区长度很短（很浅）的情况下来获得较大的电流放大系数；b）若采用宽禁带半导体材料来制作发射区（称为HBT），则异质发射结提供了高的注射效率，使得能够在较大基区掺杂浓度和较低发射区掺杂浓度情况下，获得很大的电流放大系数，这就克服了一般BJT所存在的固有内在矛盾，从而可实现超高频和超高速性能。7、对于处于放大状态的npn-BJT，已知其基区的宽度和少数载流子扩散长度分别为W和Ln，并且W3kT/q，试近似导出集电极电流的表示式。【解答】因为在VF3kT/q时，可忽略发射结势垒区中复合中心的影响；又WLn，则可认为基区中少数载流子浓度的分布近似为线性分布，即基区中少数载流子浓度的梯度可表示为： (dnp/dx) np(0)/W.而基区中的平衡少数载流子浓度为： pno=ni2/nnoni2/ND；并且注入到基区的电子浓度为： np(0) = npo exp(qVEB/kT).另外，可假定JC JE。所以，JC JE qDn(dnp/dx)|x=0 qDn np(0)/W= (qDn npo /W) exp(qVEB/kT) (qDn ni2 / NA W) exp(qVEB/kT).8、简要说明：限制BJT最高工作温度的主要因素是什么？限制BJT最高工作电压的主要因素是什么？限制BJT最高工作电流的主要因素是什么？限制BJT最高工作频率的主要因素是什么？限制BJT最高工作速度的主要因素是什么？【解答】限制BJT最高工作温度的主要因素是半导体本征化的温度（因为常用的半导体器件都离不开p-n结，而任何半导体在高温下都将可能转变为本征半导体，这样一来，p-n结在高温下也就不复存在，器件即失效）。限制BJT最高工作电压的主要因素是雪崩击穿电压和基区穿通电压的较小者。限制BJT最高工作电流的主要因素是Kirk效应（对于一般的Si平面管）或者基区电导调变效应（对于合金晶体管），因为在大电流下这些效应将使得电流放大系数降低（降低到一半时的电流为最大工作电流）。限制BJT最高工作频率的主要因素是p-n结势垒电容以及载流子渡越基区和渡越集电结势垒区的时间。限制BJT最高工作速度的主要因素是存储的少数载流子的数量。9、对于BJT，若观测到其输出伏安特性都是倾斜程度较大的一组曲线，而且在IB很小和很大时的各条曲线都排列得很紧密。试简要说明：该BJT的性能可能存在哪些方面的问题？在IB很小时各条曲线排列得很紧密的原因何在？在IB很大时各条曲线也排列得很紧密的原因何在？【解答】共存在有六个方面的问题：a）截止电流大（即漏电大），关态性能不好；b）小电流时放大系数小（在IB很小时的各条曲线排列得很紧密）；c）大电流时放大系数降低（在IB很大时的各条曲线排列得也很紧密）；d）放大区中各条曲线的分布不均匀，即电流放大系数不稳定有变化；e）放大区中各条曲线的倾斜较大，即输出交流电阻较小（这将影响到电压增益）；f）饱和压降较大（功率损耗大）。在IB很小时的各条曲线排列得很紧密，这是由于发射结势垒区中间或者表面存在有较大的复合中心的影响，使得发射结注射效率降低、并导致放大系数变小了的缘故。在IB很大时的各条曲线也排列得很紧密，这对于Si平面管则主要是由于Kirk效应（基区展宽效应）的影响，使得电流放大系数降低了的缘故。10、对于场效应晶体管（JFET和MOSFET），简要说明：为什么沟道在夹断以后还能够通过很大的电流？为什么输出伏安特性往往不饱和（即输出电阻）？【解答】因为场效应晶体管的沟道（强反型层）是在半导体表面耗尽层厚度达到最大后才形成的，因此在没有出现沟道时，半导体表面也往往是耗尽的（如弱反型层）。沟道夹断，即是在夹断区把沟道变成了耗尽层，因此夹断区是高电场区，其中的电场并不形成阻挡载流子漂移运动的势垒，而实际上载流子在夹断区中运动得更快。沟道在夹断以后，器件通过的电流主要决定于没有被夹断的剩余沟道的尺寸，沟道夹断也就意味着起导电作用的沟道变短了，从而通过的电流将更大。在沟道夹断以后，因为夹断区是耗尽层，所以源-漏电压就基本上降落在该夹断区，从而输出电流基本上就与源-漏电压无关（输出电流饱和）。但是实际上，由于夹断区的尺寸随着源-漏电压的增大而有所增大（沟道长度调制效应），这就使得没有被夹断的剩余沟道的尺寸进一步缩短，从而输出电流进一步增加，导致场效应晶体管输出伏安特性不饱和。对于小尺寸的场效应晶体管，DIBL效应也可能是引起输出伏安特性不饱和的一个重要原因。11、对于实际的增强型MOSFET，简单说明：阈值电压（VT）包括哪几个部分的电压分量？阈值电压与温度的关系怎样？阈值电压与掺杂浓度的关系怎样？在工艺上对阈值电压的控制主要是考虑哪些方面的问题？衬偏电压对阈值电压的影响怎样？【解答】阈值电压包括有三个部分的电压：a）加在栅氧化层上的电压（等于半导体耗尽层中的电荷除以栅氧化层电容）；b）使半导体表面产生强反型层（沟道）所需要的电压（等于2倍Fermi势）；c）平带电压（由金属与半导体的功函数之差和Si-SiO2系统内部与表面的电荷所产生）。阈值电压随着温度的升高而减小，这主要是由于半导体Fermi势随着温度的升高而减小（Ferm