半导体器件总复习

1、雪崩击穿电子和空穴受到强电场作用，向相反的方向加速运动，获得很大的动能和很高的速度，就会发生碰撞电离，产生电子空穴对。 电子和空穴还会继续发生碰撞，产生下一代载流子。如此继续下去，载流子的数量大量增加，这种产生载流子的方式称为载流子的倍增。 当反向电压增大到一数值时，载流子的倍增如同雪崩现象一样，载流子迅速增多，使反向电压急剧增大，从而产生了PN结的击穿，称为雪崩击穿。缓变基区的自建电场（NPN晶体管）缓变基区晶体管的基区存在杂质浓度梯度，基区的多数载流子（空穴）相应具有相同的浓度分布梯度，这将导致杂质向浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区的电中性将被破坏。为了维持电中性，必然在基区中产生一个

2、电场，使空穴反方向的漂移运动来抵消空穴的扩散运动，这个电场称为缓变基区的自建电场。JFET的本征夹断电压UP0当栅压UGS增至耗尽层宽度时，成为全沟道夹断，沟道电导下降为零，定义使导电沟道消失所加的栅-源电压为夹断电压UP，此时，栅结上相应总电势差称为本征夹断电压UP0。简要说明平衡PN结的空间电荷区是如何形成的（5分）。P型和N型半导体接触，由于在界面处存在着电子和空穴的浓度差，N区中的电子要向P区扩散，P区中的空穴要向N区扩散。这样，对于P区，空穴离开后，留下了不可动的带负电荷的电离受主，这些电离受主在PN结的P区侧形成了一个负电荷区；（2分）同样，在N区由于失去电子而出现了由不可动电离施

3、主构成的正电荷区。（2分）通常，把PN结附近的这些电离施主和电离受主所带的电荷称为空间电荷，它们所在的区域称为空间电荷区。（1分）2双极型晶体管的基区宽变效应及其对晶体管管特性的影响？（5分）当晶体管的集电结反向偏压发生变化时，集电结空间电荷区宽度Xmc也将发生变化，所以，有效基区宽度也随着发生变化。（2分）这种由于外加电压变化，引起有效基区宽度变化的现象称为基区宽变效应。（2分）影响：使输出特性曲线向上倾斜，输出电流增加，电流放大系数增大。(1分)简要说明如何提高双极型晶体管特征频率参数？（5分）（1）减小基区宽度，并采用扩散基区，其中减小基区的宽度是关键。为了得到小的基区宽度，就必须采用浅

4、结扩散。（2分）（2）尽量减小发射结面积。（1分）（3）基区扩散的薄层电阻大些，即浓度低些。（1分）（4）减小集电结面积，适当降低集电区电阻率。（1分）4何为强反型?并用能带进行表示（5分）强反型是指表面积累的少子浓度等于甚至超过衬底多数载流子浓度的状态。用能带表示为，能带弯曲到表面势等于或大于2倍费米势的状态。（3分）用US表示表面势，F表示费米势，则 其中， Ei和EF 分别为本征与杂质费米能级。（2分）5MOS管的沟道夹断及其对电流特性的影响。当漏源电压增加到漏端绝缘层上的有效电压低于表面强反型所需的阈值电压UT时，漏端绝缘层中的电力线将由半导体表面耗尽区中的空间电荷所终止，（2分）漏端

5、半导体表面的反型层厚道为0，沟道消失（被夹断），而只剩下耗尽区，这就称为沟道夹断。（2分）对电流的影响：漏电流进入饱和，不随漏电压变化。（1分）综合题（共15分）对于一个增强型NMOS管，（1）给出衬底和沟道中的载流子类型；（2分）（）画出增强型NMOS管输出特性曲线；（3分）（）给出线性区饱和区的漏-源电流方程。（5分）（）根据饱和区的漏-源电流方程和交流小信号增量参数跨导定义，推导出饱和区的跨导，并表示为漏电流的表达式。（5分）（1）衬底为P型，沟道中的载流子类型为电子；（2分）（2）图 （3分） （3）线性区： （2分）其中 （1分） 饱和区 （2分）（4）跨导的定义 （2分） （3分）

6、一个硅P+N结（单边突变结）的P+区的杂质浓度为 1×1019cm-3，N区杂质浓度为为 1×1016cm-3，其中硅的，（1）求平衡PN结的接触电势差；（2分）（2）求P+N结的最大雪崩击穿电压；（2分）（3）在反向偏压10伏时，求出势垒区的宽度和最大电场强度，画出电场强度的分布。（1） （2分）（2） （2分）（3） 势垒区的宽度 （3分）最大电场强度 （2分）图 （1分）PN结的扩散电容当PN结的正向电压加大时，为了使正向电流随着增大，扩散区就要积累更多的非平衡载流子。而当PN结的正向电压减小时，为了使正向电流随着减小，积累在扩散区的非平衡载流子就要减小。显然，在扩散

7、区中积累电荷也随着外加电压而改变，因而PN结也可等效成一个电容，这个电容称为PN结的扩散电容。双极型晶体管的高频优质，称为晶体管的高频优值，也称为功率增益带宽积，全面反映了晶体管的频率和功率性能，优值越高，晶体管的频率和功率性能越好。MOS场效应晶体管的沟道夹断当MOS场效应晶体管的漏源电压增加到漏端绝缘层上的有效电压低于表面强反型所需的阈值电压UT时，漏端绝缘层中的电力线将由半导体表面耗尽区中的空间电荷所终止，漏端半导体表面的反型层厚道为0，沟道消失（被夹断），而只剩下耗尽区，这就称为沟道夹断。画出pn结的能带图，标出空间电荷区接触电势差，写出接触电势差的表达式。（5分）（3分） （2分）晶

8、体管要具有放大能力，必须满足的条件？（以NPN晶体管说明） （5分）。（1）发射区高掺杂，能发射大量的电子；（1分）（2）基区低掺杂且基区宽度窄，减少电子的复合损失；（2分）（3）发射结正偏，发射电子；（1分）（4）集电结反偏，收集电子。（1分）双极型晶体管的特征频率？ 实际测量工作中，如何测量特征频率？（5分）是当共基极交流电流放大系数下降到1时所对应的频率，是晶体管具有电流放大作用的最高频率极限。 （2分）根据公式，在实际测量时，并不需要去测量时的频率，而只要在比大得多的任何一频率下（比小得多）测量出，二者的乘积就是特征频率简要说明MOS管的分类及其特点（衬底、漏源区、沟道载流子、阈值电压

9、）。（5分）MOS管的分为4类：N沟增强型、N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。（1分）类型衬底漏源区沟道载流子漏源电压阈值电压N沟增强型NN+电子正>0N沟耗尽型NN+电子正<0P沟增强型PP+空穴负<0P沟耗尽型PP+空穴负>0MOS管的沟道长度调制效应及其对MOS管特性的影响。（5分）沟道长度调制效应：漏-源饱和电流随着沟道长度的减小（由于UDS的增大，漏端耗尽区扩展所致）而增加的效应称为沟道长度调制效应。 （3分）影响：这个效应使MOS管的输出特性曲线明显发生倾斜，输出阻抗降低。（2分）计算题（共10 分）对于一个理想N的MOS场效应晶体管，衬底的掺杂浓度NA=

10、1´1015cm-3，当栅氧化层厚度为tox1时，它的阈值电压为5V，如果栅氧化层厚度变为2 tox1时，求：（1）此时的阈值电压UT；（6分）（2）若UGS=15V时，求它的饱和漏源电压UDsat。（2分）发射效率是注入基区的电子电流In(X2)与发射机电流IE的比值。即有缓变基区晶体管的自建电场基区存在着杂质浓度梯度，基区的多数载流子（空穴）相应地具有相同的浓度分布梯度，这将导致空穴向浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区中的电中性将被破坏。为了维持电中性，必然会在基区中产生一个电场，使空穴做反方向的漂移运动来抵消空穴的扩散运动。为了维持基区的电中性而产生的电场，称为缓变基区的自建

11、电场。晶体管的特征频率随着频率的增加，晶体管的共发射电流放大系数 下降到1时对应的频率。特征频率反映了晶体管的高频性能：当频率低于特征频率时， 大于1，晶体管具有电流放大作用，否者，晶体管不具有电流放大作用。影响雪崩击穿电压的因素（1）杂质浓度对击穿电压的影响（2）雪崩击穿电压与外延层厚度的关系（3）扩散结深对击穿电压的影响（4）表面状态对击穿电压的影响晶体管的载流子传输过程，可以简单总结为？（以NPN晶体管说明） （5分）。（1）发射结发射电子，电子穿过发射结进入基区-发射区向基区注入电子； （2）电子穿越基区-基区传输电子； （3）电子穿越集电结，被集电极收集-集电极收集电子基区宽变效应及

12、其对晶体管的电流放大系数和输出特性曲线的影响，并解释原因？（1）基区宽变效应当晶体管的集电结反向偏压发生变化时，集电结空间电荷区宽度 也将发生变化，所以，有效基区宽度也随着发生变化。这种由于外加电压变化，引起有效基区宽度变化的现象称为基区宽变效应。（2）影响在晶体管的输出曲线族上，表现为曲线随着外加电压增加而倾斜上升。因为，集电结反向偏压增加时，耗尽层扩大，并有部分向基区扩展，使有效基区宽度减小，从而引起电流放大系数增大，特性曲线向上倾斜上升。根据交流小信号增量参数跨导和漏电导的定义，分别推导出在线性区和饱和区的跨导和漏电导。 （1）线性区其中当UDS 较小时，UDS的高次方项可以忽略，简化成

13、线性关系。饱和电流（2）跨导跨导是反映外加栅极电压的变化量控制漏-源电流变化量的能力，定义为线性区电流求导可以得出 饱和区电流求导可以得出漏-源输出电导gd线性区当UDS较小时，线性工作区IDS中的U2DS项可以忽略，对电流求导可以得出 饱和区在理想情况下，若不考虑沟道长度调制效应，IDS与UDS无关，所以：MOS管的漏极对沟道的静电反馈作用当UDS增大时，漏端N+区内束缚的正电荷增加，漏端耗尽区中的电场强度增加，一些电力线会终止在沟道中。这样，N型沟道中电子浓度必须增大，从而沟道的电导增大，这就是漏极对沟道的静电反馈作用。简要说明正向PN结的电流转换机理，并画出示意图（5分）图2.14，（1

14、分）N型区中的电子，在外加电压的作用下，向边界XN漂移，越过空间电荷区，经边界XP注入到P区，然后向前扩散形成电子扩散电流。在扩散区域Ln中，电子边扩散、边复合，不断与从右边漂移过来的空穴复合而转化为空穴漂移电流，直到处注入的电子全部复合掉，电子的扩散电流完全转换成空穴的漂移电流。（2分）。对于P型区中的空穴，原理相同。总之，扩散区中的少子扩散电流通过复合转换为多子漂移电流（2分）根据对电流放大系数的分析，说明如何提高晶体管电流放大系数？其中最主要的是哪个？ （5分）。（1）提高发射区的掺杂浓度，增大正向注如电流；（1分）（2）减小基区宽度，减小复合电流；（1分）（3）提高基区杂质分布梯度，以

15、提高电场因子；（1分）（4）提高基区载流子饿寿命和迁移率，以增加载流子的扩散长度。（1分）最主要的是减小基区的宽度，减小复合电流。（1分）对于双极型晶体管，在交流小信号传输过程中，增加了四个信号电流损失的途径：（1）发射结发射过程中的势垒电容充放电电流；（2）基区输运过程中扩散电容充放电电流；（3）集电结势垒区渡越过程中的衰减；（4）集电区输运过程中对集电结势垒电容充放电电流。MOS管的的阈值电压受那些因素的影响？其中最主要的是哪个？（1）栅SiO2厚度对阈值电压的影响（2）功函数差ms的影响（3）表面态电荷密度QSS的影响（4）衬底杂质浓度的影响最主要的：栅SiO2厚度对阈值电压的影响。（1

16、分）PN结扩散电容当PN结的正向电压加大时，为了使正向电流随着增大，扩散区就要积累更多的非平衡载流子。（1分）而当PN结的正向电压减小时，为了使正向电流随着减小，积累在扩散区的非平衡载流子就要减小。（2分）显然，在扩散区中积累电荷也随着外加电压而改变，因而PN结也可等效成一个电容，这个电容称为PN结的扩散电容。（2分）MOS管的沟道夹断当漏源电压增加到漏端绝缘层上的有效电压低于表面强反型所需的阈值电压UT时，漏端绝缘层中的电力线将由半导体表面耗尽区中的空间电荷所终止，漏端半导体表面的反型层厚道为0，（3分）沟道消失（被夹断），而只剩下耗尽区，这就称为沟道夹断。（2分）简要说明如何PN结（二极管

17、）的开关速度？（5分）。影响PN结开关速度的关键因素是反向恢复时间，它的内因在于非平衡载流子的储存效应。因此，提高二极管开关速度就要（1）减小储存电荷量，（2）加快储存电荷的消失。（1分）（1）减小正向导通时非平衡载流子的储存量 减小的方法：（1）减小正向电流；（2）降低区电子的扩散长度。（2分）（2）加快储存电荷消失过程加快储存电荷消失的方法：（1）增大初始反向电流，即要求增大，减小；（2）减小区的电子寿命，加快电子的复合速度。（2分）双极型晶体管的基区宽变效应及其对晶体管管特性的影响？（5分）当晶体管的集电结反向偏压发生变化时，集电结空间电荷区宽度Xmc也将发生变化，所以，有效基区宽度也随

18、着发生变化。（2分）这种由于外加电压变化，引起有效基区宽度变化的现象称为基区宽变效应。（2分）影响：使输出特性曲线向上倾斜，输出电流增加，电流放大系数增大。（1分）简要说明如何提高双极型晶体管特征频率参数？（5分）（1）减小基区宽度，并采用扩散基区，其中减小基区的宽度是关键。为了得到小的基区宽度，就必须采用浅结扩散。通常，对于同一型号的晶体管，较大（基区宽度比较小）的晶体管，其特征频率也比较高，这正好说明了这些晶体管的基区宽度比较小。（2分）（2）尽量减小发射结面积。（1分）（3）基区扩散的薄层电阻大些，即浓度低些。（1分）（4）减小集电结面积，适当降低集电区电阻率。（1分）对于一个增强型NM

19、OS管，（1）给出衬底和沟道中的载流子类型；（2分）（）画出增强型NMOS管输出特性曲线和转移特性曲线；（4分）（）给出线性区和饱和区的漏-源电流方程。（4分）（）根据饱和区的漏-源电流方程和交流小信号增量参数跨导定义，推导出饱和区的跨导，并表示为漏电流的表达式。 （5分）（1）衬底为P型，沟道中的载流子类型为电子；（2分）（2）图 （2分） （2分）（3）线性区： （2分）其中 饱和区 （2分）（4）跨导的定义 （2分）一个硅P+N结（单边突变结）的P+区的杂质浓度为 1×1019cm-3，N区杂质浓度为为 1×1016cm-3，其中硅的，（1）在反向偏压10伏时，求出势

20、垒区的宽度和最大电场强度。（5分）（2）在正向偏压0.6伏时，给出在空间电荷区N区边界的少子浓度并判断是大注入还是小注入。（5分）（2） 势垒区的宽度 （3分）最大电场强度 （2分）（2） （1分） （3分），所以是小注入。 （1分）计算题（共10 分）一个均匀基区硅NPN晶体管， 已知发射系数，集电结击穿电压，基区宽度，以及基区中电子的寿命，扩散系数，忽略发射结空间电荷区复合和基区表面复合，计算：（1）求，和；（6分）（2）求；（4分）（1）基区输运系数（3分）电流放大系数 （3分）（2）与的关系为 （2分）对于硅NPN晶体管，（2分）简述电流放大系数与晶体管工作电流的关系，并说明原因。（5

21、分）在小电流和大电流下，电流放大系数都会下降。（1分）小电流时，发射结空间电荷区复合对发射系数影响和基区表面复合对输运系数的影响，都会导致下降，随着工作电流增加，二者的影响变小，上升。（2分）大电流时，随着电流的增加，大注入效应的影响随着工作电流增加，电流放大系数随工作电流下降。（2分）PN结势垒电容在耗尽层近似的情况下，PN结空间电荷区的空间电荷密度近似等于掺杂杂质的浓度（完全电离）。（1分）外加反向偏压U增加，空间电荷区Xm变宽，空间电荷量Q增加；外加反向偏压U减小空间电荷区Xm变窄，空间电荷量Q减小，所以空间电荷量Q随着外加反向偏压U变化而变化。（3分）当外加反向偏压的变化时，势垒区电荷

22、的变化表现出来的电容效应称为PN结势垒电容。（1分）MOS管的沟道夹断当MOS管的漏源电压增加到漏端绝缘层上的有效电压低于表面强反型所需的阈值电压UT时，漏端绝缘层中的电力线将由半导体表面耗尽区中的空间电荷所终止，漏端半导体表面的反型层厚道为0，沟道消失（被夹断），（4分）而只剩下耗尽区，这就称为沟道夹断。（1分）简要说明如何提高双极型晶体管特征频率参数？（5分）（1）减小基区宽度，并采用扩散基区，其中减小基区的宽度是关键。（1分）为了得到小的基区宽度，就必须采用浅结扩散。通常，对于同一型号的晶体管，较大（基区宽度比较小）的晶体管，其特征频率也比较高，这正好说明了这些晶体管的基区宽度比较小。（

23、1分）（2）尽量减小发射结面积。（1分）（3）基区扩散的薄层电阻大些，即浓度低些。（1分）（4）减小集电结面积，适当降低集电区电阻率。（1分）计算题（共10分）对称栅硅N-JFET的沟道为均匀掺杂，栅区为重掺杂，结构及物理参数为：、，、。（1）计算本征夹断电压和夹断电压；（5分）（2），时，计算电流。（5分）（1） （3分） （2分）（2） 所以：，时，沟道已经夹断 （1分） （2分） （2分）综合题（共 15 分）对于一个增强型NMOS管，（1）给出衬底和沟道中的载流子类型；（2分）（）画出增强型NMOS管输出特性曲线和转移特性曲线；（4分）（）给出线性区和饱和区的漏-源电流方程。（4分）（

24、）根据饱和区的漏-源电流方程和交流小信号增量参数跨导定义，推导出饱和区的跨导，并表示为漏电流的表达式。 （5分）（1）衬底为P型，沟道中的载流子类型为电子；（2分）（2）图 （2分） （2分）（3）线性区： （2分）其中 饱和区 （2分）（4）跨导的定义 （2分） （3分）计算题（共10 分）一个均匀基区硅NPN晶体管， 已知发射系数，集电结击穿电压，基区宽度，以及基区中电子的寿命，扩散系数，忽略发射结空间电荷区复合和基区表面复合，计算：（1）求，和；（6分）（2）求；（4分）（1）基区输运系数（3分）电流放大系数 （3分）（2）与的关系为 （2分）对于硅NPN晶体管，（2分）雪崩击穿电子和空

25、穴受到强电场作用，向相反的方向加速运动，获得很大的动能和很高的速度，就会发生碰撞电离，产生电子空穴对。 电子和空穴还会继续发生碰撞，产生下一代载流子。(2分) 如此继续下去，载流子的数量大量增加，这种产生载流子的方式称为载流子的倍增。（1分） 当反向电压增大到一数值时，载流子的倍增如同雪崩现象一样，载流子迅速增多，使反向电压急剧增大，从而产生了PN结的击穿，称为雪崩击穿。 （2分）晶体管的电流放大系数与工作电流的关系如图所示，解释原因？ （5分）（1）小电流时，晶体管的电流放大系数小，随工作电流的增加而增加。这是因为小电流时，发射结空间电荷区复合对发射效率的影响和基区表面复合对输运系数的影响。 （2分）（2）随着工作电流的增加，晶体管的电流放大系数达到最大值，这是因为随着电流增加，基区载流子复合起主要作用，发射结空间电荷区复合对发射效率的影响和基区表面复合的影响很小。 （2分）（3）随着电流增加，晶体管的电流放大系数下降，这因为大注入效应影响。 （1分）双极型晶体管的共基极放大时，在时，等不等于0？为什么？（5分）在时，不等于0。 （3分） 因为在时，基区靠集电结空