2007试卷_固体电子器件原理_参考答案.doc

1、-2007试卷_固体电子器件原理_参考答案 固体电子器件原理 A卷 贵州大学2006-2007学年第二学期考试试卷 A卷 科目名：固体电子器件原理 参考答案 注意事项： 1. 请考生按要求在试卷装订线内填写姓名、学号和年级专业。 2. 请仔细阅读各种题目的回答要求，在规定的位置填写答案。 3. 不要在试卷上乱写乱画，不要在装订线内填写无关的内容。 4. 满分100分，考试时间为120分钟。 一、能带理论 （共22分） 1.画出零偏理想条件下金属-n型硅半导体接触后的能带图（不考 虑界面态和表面态），(a) 金属功函数大于半导体功函数；(b) 金属功 函数小于于半导体功函数。分别说明是整流接触还

2、是欧姆接触。（8分） 固体电子器件原理 A卷 2. 画出p型硅衬底上的理想MOS结构在零偏、负偏和正偏条件下的能带图，指出半导体表面的积累、耗尽和反型状态。（共14分） 零偏时能带图 表面积累状态 表面耗尽状态 固体电子器件原理 A卷 表面反型状态 或参考 固体电子器件原理 A卷 二、器件模型与概念 （共34分） 1. 说明pn结复合电流、产生电流的成因，它们对pn结的电流- 电压关系有什么影响？（8分） 提要：pn结处于非平衡态时，空间电荷区载流子浓度关系式为 np?ni.exp(qV/kT) 2 pn结正偏时，V > 0, np?ni2,耗尽区有电子-空穴复合而形成的复合电流，电流大

3、小等于qniW 2?exp(qV/2kT) ，小的正偏压下，复合电流是pn结的主要电流。 pn结反偏时，V < 0, np?ni2,耗尽区有电子-空穴产生，产生的电子空穴在电场的作用下形成反向电流，电流大小等于qniW 2?，称为反向产生电流。计算表明，pn结反向产生电流比 反向饱和电流大34个数量级。因此，反向产生电流总是pn结反向电流的主要成分。 2. 简述pn结空间电荷区（耗尽区）形成的原因，说明“突变空间电荷区近似”的概念。（8分） 提要：冶金界面两边的浓度差多数载流子扩散界面n型侧留下不可动的带正电的电离施主，界面p型侧留下不可动的带负电的电离受主。电离施主和电离受主形成的区域

4、称为空间电荷区。由电离施主指向电离受主的电场称为自建电场。自建电场对载流子有反方向的漂移作用。当扩散作用与漂移作用达到动态平衡时，空间电荷区电荷固定，自建电场的大小固定，接触电势差为定值。 “突变空间电荷区近似”模型认为，由于自建电场的作用，可近似认为空间电荷区内的自由载流子电子和空穴 被完全“扫出”该区域，只剩下电离受主和电离施主原子，空间电荷区是一个高阻区，所以空间电荷区又称为耗尽区或阻挡层。此外，空间电荷区的边界虽然是缓变的，但计算表明过度区很窄，因此，可近似认为空间电荷区边界是突变的。空间电荷区外是电中性的，与空间电荷区内相比，电阻率很小，可近似为零。这三个近似条件，称为突变空间电荷区

5、近似或突变耗尽近似。 3简述正向有源状态下双极型晶体管的发射结注入效率、基区输运系数两参数的物理意义。（6分） 提要：以npn晶体管为例，正偏的BE结，既有发射区电子向基区的注入，也有基区空穴向发射区的注入。就晶体管的使用而言，希望发射区电子向基区的注入的比例越大越好，可称其为正向有效注入。发射结注入效率指正向有效注入与总注入的比例。 发射区向基区注入的电子，进入基区边界后继续向BC结空间电荷区边界输运，输运过程中部分电子与基区多数载流子空穴复合。基区输运系数定义到达BC结空间电荷区边界处的电子电流与进入基区BE结空间电荷区边界处的电子电流之比，因此，基区输运系数表示基区复合损失的大小。 4什

6、么是pn结耗尽层电容（势垒电容）？什么是pn结的扩散电容？（6分） 提要：pn结空间电荷区的电荷随外加电压的变化而变化的电容效应就是pn结耗尽层电容 固体电子器件原理 A卷 （势垒电容）。pn结空间电荷区的外侧非平衡载流子扩散区内载流子电荷随外加电压的变化而变化的电容效应就是pn结的扩散电容。 5简述MOSFET的漏端沟道夹断饱和模型、速度饱和导致电流饱和模型。（6分） 提要：MOSFET的漏端沟道夹断以后，在导电沟道与漏端出现了耗尽高阻区，当漏源电压进一步增大时，电压的增加部分几乎全部降落在耗尽区，沟道电场几乎不变，因而载流子的漂移速度不变，于是，漏极电流几乎为常数，这就是MOSFET的漏端

7、沟道夹断饱和模型。 但对于深亚微米短沟道器件，即使漏源电压较低，沟道电场也很容易达到饱和电场强度，在漏端沟道夹断前，载流子已经达到饱和漂移速度，于是，漏极电流达到饱和，这就是速度饱和导致电流饱和模型。 三、简答题（共10分,每小题2分） 三个npn晶体管的基区杂质浓度和基区宽度如下表，其余材料参数和 结构参数相同，就下列特性参数判断，哪一个晶体管具有最大值，并简述理由。 1. 发射结注入效率。A 2. 基区输运系数。A 3. 穿通电压。 C 4相同BC结反向偏压下的BC结耗尽层电容。B 5共发射极电流增益。A 四、计算题（T=300K，介电常数Si: 11.7； SiO2: 3.9; 真空介电

8、常数: 8.85?10-14 F/cm） (共34分) 17-316-31. 硅pn结NA=1.5?10 cm, ND=1.5?10 cm, 计算pn结的接触电 势差以及反偏电压为1V时的耗尽区宽度。 （10分） Vbi?kTqlnNaNd ni2?0.0259ln1.5?1017?1.5?1010216(1.5?10)?0.775 (V) 固体电子器件原理 A卷 W?2?s(Vbi?|V|) qND1/2?2?11.7?8.85?101.6?10?19?14?1.77516?1.5?101/2?0.39?10?4 (cm) 2. 硅n-沟道JFET的参数如下： Na = 5?10 cm, N

9、d = 3?10 cm，a = 0.35 ?m. (a) 计算内 夹断电压。 (b) 确定VGS = ?1V 条件下的沟道厚度a h。(10分) 接触电势差 Vbi?kTqlnNaNd n2 i181618-316-3?0.0259ln5?10?3?10102(1.5?10)?0.884(V) 内夹断电压 Vp0?qNda2?s2?1.6?10?19?3?1016?0.35?10?142?82?11.7?8.85?10?2.842.94 (V) 耗尽层厚度 h?2?s(Vbi?VGS) qNd1/2?2?11.7?8.85?101.6?10?19?14?1.88416?3?101/2?0.28

10、5?10?4 (cm) 沟道厚度 a?h?(0.35?0.285)?10?4?0.065?10?4 ( cm ) 3. n+ 多晶硅栅极MOSFET，衬底Na= 3?1015 cm-3, 栅氧化层厚 tox = 50 nm, 栅氧化层等效电 荷密度 Q?SS = 2?10 cm. (a) 计算阈值电压VT； (b) 欲将阈值电压调整到 VT = 0.80V. 计算所需的离子注入剂量和杂质类型。.（14分） 衬底费米势 ?fp?kTqlnNa ni?0.0259?ln3?10151011-21.5?10?0.316 (V) 氧化层电容 Cox?oxtox?3.9?8.85?1050?10?7?1

11、4?6.9?10?8 (F/cm) 2 衬底最大耗尽层厚度 xdT?2?s(2?fp)qNa1/2?2?11.7?8.85?101.6?10?19?14?0.63215?3?101/2?5.22?10?5 (cm) 衬底耗尽层电荷 QSD?qNaxdT?1.6?10?19?3?1015?5.22?10?5?2.5?10?8 (C/cm) 2 氧化层等效电荷 QSS?1.6?10?19?2?1011?3.2?10?8 (C/cm) 2 固体电子器件原理 A卷 近似认为，对于n+ 多晶硅栅极，费米能级EF与导带底能级EC重合，则n+ 多晶硅栅极与衬 底功函数差为 ?ms?( 阈值电压 Eg2?fp

12、)?(0.56?0.316)?0.876 (V) VT?2?fp?QSDCox?ms?QSSCox ?8 ?8?0.632?0.876?(3.2?2.5)?106.9?10 ?0.632?0.876?0.101 ?0.345 (V) 阈值电压调整到0.8V，需注入P型杂质，设注入杂质位于耗尽区内，且注入杂质只改变耗尽区电荷密度，其他效应忽略不计，则注入剂量为 DI?VTCoxq?0.80?(?0.345)?6.9?10 1.6?10?19?8?4.94?10 ( cm) 112 固体电子器件原理 B卷 贵州大学2006-2007学年第二学期考试试卷 B卷 科目名：固体电子器件原理 参考答案 注

13、意事项： 1. 请考生按要求在试卷装订线内填写姓名、学号和年级专业。 2. 请仔细阅读各种题目的回答要求，在规定的位置填写答案。 3. 不要在试卷上乱写乱画，不要在装订线内填写无关的内容。 4. 满分100分，考试时间为120分钟。 一、能带理论 （共22分） 1. 画出pn结在零偏、正偏和反偏条件下的能带图。（9分） p型区 p型半导体 n型区 n型半导体 ?xp ECEi EFEV EC xn EFEiEV ECEiEFEV qVD ECEFEiEV 固体电子器件原理 B卷 正偏pn结的能带图 2. 画出n型硅衬底上的理想MOS结构在零偏、正偏和负偏条件下的能带图，指出半导体表面的积累、耗

14、尽和反型状态。（共13分） 固体电子器件原理 B卷 (c) (c) (d) 二、概念题 （共30分） (b) 1. 简述双极型晶体管的基区宽度调制效应和MOSFET的沟道长度调制效应。（8分） 答题要点： BC结反偏电压增大，BC结空间电荷区向中性基区扩展，中性基区宽度变窄，基区非平衡载流子浓度梯度增大，因而导致基区输运的电流增大，集电极电流增大，反映在共射输出特性曲线上，是集电极电流随CE电压的增大而上翘。 MOSFET的沟道长度调制效应指，漏端沟道夹断后，漏极电压增大时，夹断点沿沟道向源端移动，从源到漏漂移的载流子路程缩短，导致漏极电流增大。反映在漏极输出特性曲线上，是漏极电流随漏源电压的

15、增大而上翘。 2. 简述pn结空间电荷区（耗尽区）形成的原因，说明“突变空间电荷区近似”的概念。 固体电子器件原理 B卷 （9分） 提要：冶金界面两边的浓度差多数载流子扩散界面n型侧留下不可动的带正电的电离施主，界面p型侧留下不可动的带负电的电离受主。电离施主和电离受主形成的区域称为空间电荷区。由电离施主指向电离受主的电场称为自建电场。自建电场对载流子有反方向的漂移作用。当扩散作用与漂移作用达到动态平衡时，空间电荷区电荷固定，自建电场的大小固定，接触电势差为定值。 “突变空间电荷区近似”模型认为，由于自建电场的作用，可近似认为空间电荷区内的自由载流子电子和空穴 被完全“扫出”该区域，只剩下电离

16、受主和电离施主原子，空间电荷区是一个高阻区，所以空间电荷区又称为耗尽区或阻挡层。此外，空间电荷区的边界虽然是缓变的，但计算表明过度区很窄，因此，可近似认为空间电荷区边界是突变的。空间电荷区外是电中性的，与空间电荷区内相比，电阻率很小，可近似为零。这三个近似条件，称为突变空间电荷区近似或突变耗尽近似。 3双极型晶体管开关转换过程中，存储过程和存储时间的物理实质是什么？有何措施可缩短存储时间（5分） 提要：双极型晶体管饱和导通条件下，在基区和集电区有所谓超量存储电荷（集电区分量是主要的），双极型晶体管要从导通转换为关断状态，必须首先使超量存储电荷消散，否则，晶体管状态不会改变。超量存储电荷的消散过

17、程就是存储过程，所需时间就是存储时间。消散途径为基极反抽、复合。 4 简述JFET工作原理，画出并说明其转移特性和漏极输出特性曲线。（8分） 提要: 反偏的栅pn结上的电压的变化时，沟道中的空间电荷区跟着变化，源漏之间的导电沟道厚度随着改变，因而漏源电流随着改变。这样就实现了栅源电压对漏源电流的控制作用。 VGS 三、简答题（共10分,每小题2分） 三个npn晶体管的基区杂质浓度和基区宽度如下表，其余材料参数和 结构参数相同，就下列特性参数判断，哪一个晶体管具有最大值，并简述理由。 固体电子器件原理 B卷 1. 发射结注入效率。C 4. 基区输运系数。C 5. 穿通电压。 B 4相同BC结反向

18、偏压下的BC结耗尽层电容。B 5 四、计算题（T=300K，介电常数Si: 11.7； SiO2: 3.9; 真空介电常数: 8.85?10 F/cm） (共38分) 18-316-31 硅pn结NA=1.5?10 cm, ND=1.5?10 cm, 计算0.3V正偏条件-14 下p区及n区空间电荷区边界处载流子浓度，画出空间电荷区外侧载流子浓度分布示意图。 （12分） pp0?NA?1.5?10cm ni2218?3 np0?NA?1.5?10cm?3 np(?xp)?np0exp( 2qVkT)?1.5?10?exp(57?320.30.0259) ?1.5?10?1.073?10?1.6

19、?10(cm) nn0?ND?1.5?1016cm?3 固体电子器件原理 B卷 pn0?ni2ND?1.5?10cm4?3 pn(xn)?pn0exp( 4qVkT)?1.5?10?exp(59?340.30.0259) ?1.5?10?1.073?10?1.6?10(cm 2. 硅pn结NA=1.5?1018 cm-3, ND=1.5?1016 cm-3, 设pn 结击穿时的最大电场为5?105 V/cm, 计算pn结的击穿电压。(10分) VB? +?sEcrit2qNB2?11.7?8.85?102?1.6?10?19?14?25?101610?1.5?10?53.9 (V) -33. n 多晶硅栅极MOSFET，衬底Na= 4?10 cm, 栅氧化层厚 tox = 60 nm, 栅氧化层等效电荷密度 Q?SS = 3?1011 cm-2. (a) 计算阈值电压VT； (b) 欲将阈值电压调整到 VT = 0.90V. 计算所需的离子注入剂量和杂