(整理)半导体器件与物理试题.
西安电子科技大学
考试时间 120 分钟
试 题 （A ）
1.考试形式：闭卷；
2.本试卷共 六 大题，满分100分。
班级 学号 姓名 任课教师 贾新章、游海龙
一、(20分)名词解释
(1) 单边突变结 (2) 大注入 (3) 基区自偏压效应 (4) 发射极电流集边效应 (5) 小信号 (6) 雪崩击穿
二、(16分) 对PN 结解连续性方程基于哪几个基本假设得到下述I －V 特
性？
I ＝A(
)1e )(L p qD L n qD kT
qV
p
n p n
p n 0
-+
请说明实际伏安特性与上述表达式给出的理想伏安特性的主要差别以及导致这些差别的主要原因（只要求说明原因，不要求具体解释）。
三、(16分)
(1) 说明实际双极晶体管共射极电流放大系数β0随直流工作电流I C
以及偏置电压V CE 变化的趋势。
(2) 绘制能表现这种变化趋势的I C －V CE 输出特性曲线示意图。
(3) 是哪些物理效应导致β0与I C 、V CE 有关？（只要说明是什么物
理效应，不要求解释）
四、(16分)：双极晶体管特征频率与晶体管结构参数的关系如下式所示：
f T ≈
)
C R 2x
D 2W C r (21
TC C dc
mc
nb 2b
TE e +ν++π
(1) 说明分母括号中每一项（注意：不是每个参数）代表什么时常数； (2) 结合上述表达式，说明提高双极晶体管特征频率的主要措施。 五、(16分)下图是PN 结隔离双极集成电路中多发射极条NPN 晶体管埋
层、隔离、基区、发射区、引线孔（已填充灰色）几个层次的版图图形。
(1)
说明采用多发射极条结构的优点和缺点。
(2) 请在版图中标注出埋层、隔离、基区、发射区层次的图形。 (3) 说明确定发射区图形的长度和宽度、N －外延层的电阻率和外延
层厚度时需要考虑什么问题。
六、(16分)
(1) 说明PN 结二极管模型和模型参数描述中 “面积因子”的含义以及采用“面积因子”的作用；
(2) 说明PN 结二极管模型参数IS 、RS 、CJ0、TT 、BV 、IBV 的含义。其中哪几个参数的默认值是0、或者无穷大？
西安电子科技大学
考试时间120 分钟
试题（A）
班级学号姓名任课教师贾新章、游海龙
一、(20分)名词、符号解释
(1) 单边突变结：若pn结面两侧为均匀掺杂，即由浓度分别为N A和N D的p型半导体和n型半导体组成的pn结，称为突变结。若一边掺杂浓度远大于
另一边掺杂浓度，即N A>>N D或N D>>N A，这种pn结称为单边突变结。
(2) 大注入：注入的非平衡载流子浓度与平衡多子浓度相比拟甚至大于平衡多子浓度的情况称为大注入。
(3) 基区自偏压效应：基区电流水平流过基区，在有源基区上产生压降，使靠近基极条处的电势与远离基极条处的电势不相等，而发射区掺杂浓度较
高，电势相等，从而使EB结上压降不相等，这种效应是由有源基区电阻r b1引起的，称为基区自偏压效应。
(4) 发射极电流集边效应：由于基区电阻导致的基区自偏压效应，发射结面上不同位置的结压降不相等，离基极近的部分结压降大，注入的电流密
度大。而离基极远的部分结压降小，注入的电流密度小。如果情况严重，这一部分结面甚至没有电流注入，使发射结电流集中位于离基极近的发射结边缘处，这一现象称为电流集边效应。
(5) 小信号：信号幅度很小，满足条件V〈〈(kT/q)=26mv。
(6) 雪崩击穿：在反向偏置时，势垒区中电场较强。随着反向偏压的增加，势垒区中电场会变得很强，使得电子和空穴在如此强的电场加速作用下
具有足够大的动能，以至于它们与势垒区内原子发生碰撞时能把价键上的电子碰撞出来成为导电电子，同时产生一个空穴。新产生的电子、空穴在强电场加速作用下又会与晶格原子碰撞轰击出新的导电电子和空穴……，如此连锁反应好比雪崩一样。这种载流子数迅速增加的现象称为倍增效应。如果电压增加到一定值引起倍增电流趋于无穷大，这种现象叫雪崩击穿。
基区穿通：集电结还未发生雪崩倍增时、集电结势垒区就已经扩展到了整个基区（即基区宽度减小到0）的现象
夹断压降：沟道夹断时栅上的总电压降
（MOS结构的）半导体表面强反型：是半导体表面导电的电子浓度等于衬底多子浓度所对应的状态
二、(16分) 对PN结解连续性方程基于哪几个基本假设得到下述I－V特
性？
I ＝A(
)1e )(L p qD L n qD kT
qV p
n p n
p n 0
-+
请说明实际伏安特性与上述表达式给出的理想伏安特性的主要差别以及导致这些差别的主要原因（只要求说明原因，不要求具体解释）。
答：上述PN 结I －V 特性是针对符合以下假设条件的理想pn 结模型得到的。
(a) 小注入。指注入的少数载流子浓度比相应各区中平衡多子浓度小得多。
在n 区中要求?p< (b) 耗尽层近似。即空间电荷区中载流子全部耗尽，因此该区中的电荷只 是离化杂质浓度。这样空间电荷区是个高阻区，外加电压全部降落在结上，在空间电荷区以外的中性区中少数载流子的运动纯为扩散。 (c) 不考虑耗尽层中的载流子产生和复合作用。因此电子和空穴电流在通 过耗尽层过程中保持不变。 (d) 在有外加电压作用的情况下，耗尽层边界处载流子浓度分布满足玻耳 兹曼分布式。 实际PN 结伏安特性与理想特性的主要差别是： (a) 正向特性小电流范围实际电流大于理论值，而且电流与电压之间的关 系为[exp(qV/2kT)-1]。原因是小电流时势垒区实际存在的复合电流不可以忽略。 (b) 正向特性大电流范围实际电流小于理论值，而且电流与电压之间的关 系为[exp(qV/2kT)-1]。原因是大电流时小注入条件不再成立，出现大 注入效应，在空间电荷区以外的区域产生自建场。在更大电流范围，空间电荷区以外区域的电压降不再可以忽略。 (c) 在反向偏置时，实际反向电流大于理论值，而且不“饱和”。原因是反向 时势垒区存在产生而形成势垒区产生电流；此外还存在表面复合电流等影响。 三、(16分) (1) 说明实际双极晶体管共射极电流放大系数β0随直流工作电流I C 以及偏置电压V CE 变化的趋势。 (2) 绘制能表现这种变化趋势的I C －V CE 输出特性曲线示意图。 (3) 是哪些物理效应导致β0与I C 、V CE 有关？（只要说明是什么物 理效应，不要求解释） 答：(1) 在I C 很小时，随着I C 的减小，β0将减小。 当I C 达到一定值时，随着I C 的增加，β0则基本保持不变。当I C 很大时，β0将随着I C 的增加而减小。 随着V CE 的增大，β0将增大。 (2) 表现上述变化趋势的I C －V CE 输出特性 曲线示意图如右图所示。 (3) 按照理想模型，β0不会随着I C 和V CE 的 变化而变化。 但是，在I C 很小时，由于势垒区复合 以及表面漏电流的存在，使得β0随着I C 的减小而减小。当I C 很大时，由于大注入效应以及基区展宽效应，使得β0随着I C 的增加而减小。 由于基区宽变效应（又称为厄利效应）使得β0随着V CE 的增大而增大。 四、(16分)：双极晶体管特征频率与晶体管结构参数的关系如下式所示： f T ≈ )C R 2x D 2W C r (21 TC C dc mc nb 2 b TE e +ν+ + π (1) 说明分母括号中每一项（注意：不是每个参数）代表什么时常数； (2) 结合上述表达式，说明提高双极晶体管特征频率的主要措施。 答：(1) f T 表达式分母中四项分别描述的是τe 、τb 、τd 和τc ，分别表示发射结电容 时常数、基区渡越时间、集电结渡越时间和集电结电容时常数，(τe＋τb ＋τd＋τc)即为总延迟时常数，或称为总渡越时间。 (2)f T表达式中，W b为基区宽度、C TE和C TC分别为发射结和集电结势垒电容、 R C为集电区串联电阻、x mc为集电结空间电荷区宽度、νdc为电子通过极 电结空间电荷区的漂移速度最大值。 由此可见，提高晶体管特征频率f T的主要途径是减小各个时常数，包括： (a) 减小基区宽度，以减小基区渡越时间τb 。 (b) 减小发射结面积A E和集电结面积A C，可以减小发射结和集电结势垒电 容，从而减小时常数间τe和τc。 (c) 减小集电区串联电阻R C，也可减小τc。 五、(15分)下图是PN结隔离双极集成电路中多发射极条NPN晶体管埋 层、隔离、基区、发射区、引线孔（已填充灰色）几个层次的版图图形。 (1) 说明采用多发射极条结构的优点和缺点。 (2) 请在版图中标注出埋层、隔离、基区、发射区层次的图形。 (3) 说明确定发射区图形的长度和宽度、N－外延层的电阻率和外延 层厚度时需要考虑什么问题。 答： (1) 对多发射极条结构，每个发射极条两侧均有基极条，从而减小基区串联电 阻，充分利用发射极周长发射电流，在保证发射极电流I E的前提下，多发射极条结构的发射区周长面积比最小，是解决双极晶体管功率和频率之间矛盾的一项主要措施，因此对工作电流比较大的双极晶体管都采用多发射极条结构。 由于采用多发射极条，器件面积将随之增加。 (2) (3) 发射区图形的宽度取决于光刻精度； 发射区图形的总条长取决于工作电流I E； 确定单个发射极条的长度时要考虑发射极金属条压降产生的自偏压效应导致长度方向发射极端头不能充分用于发射电流； 确定N－外延层的电阻率要满足BC结击穿电压的要求； 确定外延层厚度时需要考虑在BC结电压小于BC结击穿电压之前不应该发生外延层穿通。 六、(16分) (1) 说明PN结二极管模型和模型参数描述中“面积因子”的含义 以及采用“面积因子”的作用； (2) 说明PN结二极管模型参数IS、RS、CJ0、TT、BV、IBV的 含义。其中哪几个参数的默认值是0、或者无穷大？ 答： (1)同一工艺过程生成的不同图形尺寸的二极管，剖面结构相同，只是结面 积不同。因此与结面积无关的模型参数（例如VD、M、N等）相同， 与面积有关的模型参数（例如IS、CJ0等）不同。这样可以将其中一个 二极管作为参照二极管。只要将参照二极管的面积取为1，同时给出该 参照二极管的模型参数。其他二极管只要给出其结面积与参照二极管结 面积之比，称之为面积因子。则这些二极管模型参数中与面积无关的模 型参数就取为参照二极管的模型参数，与面积有关的模型参数就用参照 二极管的模型参数再按照与结面积的关系与面积因子相计算即可。采用 面积因子的优点是同一工艺下的不同二极管可以共用一组模型参数，而 不需要对每一种二极管都要给出一组模型参数。 西安电子科技大学 考试时间120 分钟 试题（B） 班级学号姓名任课教师贾新章、游海龙 一、(20分)名词解释 (1) 耗尽层、势垒区、空间电荷区 (2) 齐纳击穿 (3) 扩散电容 (4) 基区Gummel数 (5) 特征频率f T (6) 基区宽变效应 二、(16分) 什么是单边突变结？降低单边突变结低掺杂一侧的掺杂浓度 对PN结的势垒区宽度、势垒电容、击穿电压、PN结反向电流等参数有什么影响？ 三、(16分) (1) 画出典型PN结隔离双极集成电路中的NPN晶体管、纵向PNP 晶体管和横向PNP晶体管的剖面结构示意图。 (2) 绘出其中NPN晶体管的版图示意图，并在版图上标示出不同层 次的名称。 四、(16分)用曲线形式定性表示双极晶体管直流电流放大系数β0随工作 电流I C的变化情况，并说明引起大电流和小电流情况下β0变化的原因（只要求说明是什么物理原因，不要求解释引起变化的过程）。 五、(16分) 对基区为均匀掺杂的双极晶体管，若基区宽度远小于基区中 少子的扩散长度，请采用“近似方法”推导基区输运系数与基区宽度的 关系。 若减小基区宽度将导致下述4个特性参数增大还是减小：基区电阻、基区穿通电压、厄利电压、势垒电容。 六、(16分) (1) 说明晶体管模型和模型参数的含义，并说明晶体管模型和模型 参数对集成电路设计起什么作用； (2) 下述表格中列出了部分二极管模型参数的符号，请在表中添加 每个模型参数的含义、单位、以及默认值一列中空缺的默认值。 (3) 什么情况下可以直接采用这些空缺的默认设置值。 西安电子科技大学 考试时间 120 分钟 试 题 （B ） 班级 学号 姓名 任课教师 贾新章、游海龙 一、(20分)名词、符号解释 (1) 耗尽层、势垒区、空间电荷区 pn 结界面两侧半导体中的载流子由于存在浓度差梯度而互相向对方区域扩散，在pn 结界面附近n 区和p 区分别留下了不可动的电离施主和电离受主杂质离子，分别带有正负电荷，形成空间电荷区，在该区域中建立有电场，形成电位差，产生相应的势垒。因此pn 结空间电荷区又称为pn 结势垒区。在势垒区中载流子浓度趋于零，即载流子基本“耗尽”，因此又称为“耗尽层”。 (2) 齐纳击穿 对重掺杂PN 结，随着结上反偏电压增大，可能使P 区价带顶高于N 区导带底。P 区价带的电子可以通过隧道效应直接穿过禁带到达N 区导带，成为导电载流子。当结上反偏电压增大到一定程度，将使隧穿电流急剧增加，呈现击穿现象，称为隧道击穿，又称为齐纳击穿。 (3) 扩散电容 对于正偏pn 结，当外加偏压增加时，注入n 区的空穴增加，在n 区的空穴扩散区内形成空穴积累，为保持电中性条件，扩散区内电子浓度也相应增加。电子注入p 区情形类似。这种扩散区中的电荷随外加偏压变化而变化所产生的电荷存储效应等效为电容，称为扩散电容。 (4) 基区Gummel 数 与单位结面积对应的基区中掺杂总数称为基区的Gummel 数，即 Q B = dx x N B W B )(0 (5) 特征频率f T 使得共射极电流放大系数β下降为1的频率称为特征频率，记为f T 。 (6) 基区宽变效应 集电结反偏电压绝对值越大，集电结空间电荷区也越宽，则空间电荷区深入到基区的部分也越宽。这样将导致有效基区宽度减小。基区宽度随着集电结反偏电压变化而变化的现象称为基区宽变效应。 二、(16分) 什么是单边突变结？降低单边突变结低掺杂一侧的掺杂浓度 对PN 结的势垒区宽度、势垒电容、击穿电压、PN 结反向电流等参数有什么影响？ 答：若PN 结两侧为均匀掺杂，则称之为突变结。如果突变结的一边掺杂浓度 比另一边的大得多，则称之为单边突变结。 降低单边突变结低掺杂一侧的掺杂浓度，将使PN 结的内建电势减小、势垒区宽度增大、势垒电容减小、击穿电压增大、PN 结反向电流增大。 三、(16分) (1) 画出典型PN 结隔离双极集成电路中的NPN 晶体管、纵向PNP 晶体管和横向PNP 晶体管的剖面结构示意图。 (2) 绘出其中NPN 晶体管的版图示意图，并在版图上标示出不同层 次的名称。 答：三种晶体管剖面图以及NPN 晶体管的版图层次如下图所示 四、(16分)用曲线形式定性表示双极晶体管直流电流放大系数β0随工作 电流I C 的变化情况，并说明引起大电流和小电流情况下β0 变化的 原因（只要求说明是什么物理原因，不要求解释引起变化的过程）。 答：双极晶体管直流电流放大系数β0随工作电流I C 的变化情况如右图所示。I C 很小时，β0随I C 增大而迅速增大。当I C 中等时β0基本维持一恒定值，当I C 很大时，β0随I C 的增大而下降。 导致上述变化规律的原因是：I C 很小时，由于势垒复合 电流导致β0下降。I C 很大时，由于大注入基区电导调制效应（使γ0↓从而β0↓）和大注入自建场（使β0*↑，从而β0↑）效应的共同影响，使β0下降。 五、(16分) 对基区为均匀掺杂的双极晶体管，若基区宽度远小于基区中 少子的扩散长度，请采用“近似方法”推导基区输运系数与基区宽度的关系。 若减小基区宽度将导致下述4个特性参数增大还是减小：基区电阻、基区穿通电压、厄利电压、势垒电容。 答：基区输运系数 ne VB ne VB ne ne nc * 0I I 1I I I I I β-=-== 由于W B < )W x 1)(0(n )x (n B - = n B n w 0 V B τ2W )0(n qA τ/]dx )x (n [qA I B ==? qA W ) 0(n D I B nB nE -= B nB nE W ) 0(n qAD I = ∴2nB 2 B n nB 2B B nB n B nE VB L 2W τD 2W W /)0(n qAD τ2W )0(n qA I I === ∴2nB 2 B nE VB * L 2W 1I I 1β-=-= 减小基区宽度，基区电阻增大，基区穿通电压减小，厄利电压会减小，势垒电容不受影响。 六、(16分) (1) 说明晶体管模型和模型参数的含义，并说明晶体管模型和模型参数对集成电路设计起什么作用； (2) 下述表格中列出了部分二极管模型参数的符号，请在表中添加每个模型参数的含义、单位、以及默认值一列中空缺的默认值。 (3) 什么情况下可以直接采用这些空缺的默认设置值。 答： (1) 对电路进行模拟仿真时，每个晶体管都用其等效电路来代替。能代表晶体管特性的等效电路就称为晶体管模型。“ 等效”是指晶体管模型和实际晶体管器件的端特性等效。 描述晶体管模型（等效电路）中每个元件值的参数就称为晶体管模型参数。 晶体管模型是否精确以及晶体管模型参数是否较好地描述实际器件的特性，将决定电路模拟结果是否正确、可信。 (3) 如果不需要考虑这些默认值为0或者无穷大的模型参数反映的物理效应的 影响，就可以直接采用这些默认值。 西安电子科技大学 考试时间120 分钟 试题 1.考试形式：闭卷； 2.本试卷共六大题，满分100分。 班级学号姓名 1．(20 marks) Please give the meaning of the following terms: (1) one sided junction (2) linearly graded junction (3) base width modulation (4) avalanche breakdown (5) base transit time (6) high-level injection (7) diffusion capacitance (8) storage time. 2. (15 marks) A Si step junction maintained at room temperature under equilibrium conditions has a p-side doping of N A =1017cm -3 and an n-side doping of N D =1015cm -3. Please Compute (1) V bi (2) X p 、X n and W (3) Electric field at x=0 (It is known that 0ε=8.8542×10-12F/m ，si ε=11.8，q=1.60×10-19C ，and kT/q=0.026V) 3. (15分)解连续性方程得到下述PN 结I －V 特性时基于哪几个基本假 设？ I ＝A( )1e )(L p qD L n qD kT qV p n p n p n 0 -+ 请说明实际伏安特性与上述表达式给出的理想伏安特性的主要差别以及导致这些差别的主要原因（只要求说明原因，不要求具体解释）。 4. (16分) (1) 说明实际双极晶体管共射极电流放大系数β0随直流工作电流I C 以及偏置电压V CE 变化的趋势。 (2) 绘制能表现这种变化趋势的I C －V CE 输出特性曲线示意图。 (3) 是哪些物理效应导致β0与I C 、V CE 有关？（只要求说明是什么物理效应，不要求解释） 5. (16分) (1) 为什么双极晶体管的特征频率f T 又称为增益带宽乘积？ (2) 从载流子输运过程考虑，特征频率与哪几个时常数有关？可以采 取哪些措施减小时常数从而提高特征频率？ 6. (18 Marks) (1) What is the transistor model and model parameters? (2) Parts of the BJT model parameters are listed inside the following table. Please give the name and unit of all the model parameters, and the default value in the blank boxes of the most right column。 (3) In what situation could we use the default value in the blank boxes of the most right column? 西安电子科技大学 考试时间120 分钟 试题答案 1.考试形式：闭卷； 2.本试卷共六大题，满分100分。 班级学号姓名 2．(20 marks) Please give the meaning of the following terms (1) one sided junction：a pn junction in which one side of the junction is much more heavily doped than the other side. (2) linearly graded junction：apn junction in which the doping concentrations on either side of the metallurgical junction are approximated by a linear distribution. (3) base width modulation: the change in the neutral base width with the C-E or C-B voltage. (4) avalanche breakdown: the process whereby a large reverse-bias pn junction current is created due to the generation of electron-hole pairs by the collision of electron and/or holes with atomic electrons within the space charge region. (5) base transit time: the time that it takes a minority carrier to cross the neutral base region. (6) high-level injection：If the injected minority carrier concentration is not less than the majority carrier concentration, it is called high-level injection (7) diffusion capacitance：the capacitance of a forward –biased pn junction due to carrier storage effects. (8) storage time：the time required for the excess minority carrier concentrations at the space charge edge to go from their steady-state values to zero when the diode is switched from forward to reverse bias. 2. (16marks) A Si step junction maintained at room temperature under equilibrium conditions has a p-side doping of N A =1017cm -3 and an n-side doping of N D =1015cm -3. Please Compute (1) V bi (2) X p 、X n and W (3) Electric field at x=0 (It is known that 0ε=8.8542×10-12F/m ，si ε=11.8，q=1.60×10-19C ，and kT/q=0.026V) Answer: (1) V bi =(kT/q)Ln(A N *D N /2i n )=0.026*In(3210/2010)=0.718V (2) W= um cm V N N N N q bi D A D A s 9693.010*693.9)(25i 0==+-εε um cm W N N N x D A D p 01.010*597.97≈=+= - um cm W N N N x D A A n 959.010*597.95≈=+= - (3) cm KV cm V x qN x qN E E si n D si p A x /8.14/10*48.1400max 0-=-=- =- ===εεεε 3. (16分)解连续性方程得到下述PN 结I －V 特性时基于哪几个基本假设？ I ＝A( )1e )(L p qD L n qD kT qV p n p n p n 0 -+ 请说明实际伏安特性与上述表达式给出的理想伏安特性的主要差别以及导致这些差别的主要原因（只要求说明原因，不要求具体解释）。 答： 上述PN 结I －V 特性是针对符合以下假设条件的理想pn 结模型得到的: (a) 小注入。指注入的少数载流子浓度比相应各区中平衡多子浓度小得多。在n 区中要求?p< (b) 耗尽层近似。即空间电荷区中载流子全部耗尽，因此该区中的电荷只是离化 杂质浓度。这样空间电荷区是个高阻区，外加电压全部降落在结上，在空间电荷区以外的中性区中少数载流子的运动纯为扩散。 (c) 不考虑耗尽层中的载流子产生和复合作用。因此电子和空穴电流在通过耗尽 层过程中保持不变。 (d) 在有外加电压作用的情况下，耗尽层边界处载流子浓度分布满足玻耳兹曼分 布式。 实际PN结伏安特性与理想特性的主要差别是： (a) 正向特性小电流范围实际电流大于理论值，而且电流与电压之间的关系为 [exp(qV/2kT)-1]。原因是小电流时势垒区实际存在的复合电流不可以忽略。 (b) 正向特性大电流范围实际电流小于理论值，而且电流与电压之间的关系为 [exp(qV/2kT)-1]。原因是大电流时小注入条件不再成立，出现大注入效应，在空间电荷区以外的区域产生自建场。在更大电流范围，空间电荷区以外区域的电压降不再可以忽略。 (c) 在反向偏置时，实际反向电流大于理论值，而且不“饱和”。原因是反向时势 垒区存在产生而形成势垒区产生电流；此外还存在表面复合电流等影响。 4. (16分) (1) 说明实际双极晶体管共射极电流放大系数β0随直流工作电流I C以及 偏置电压V CE变化的趋势。 半导体器件试题库 常用单位： 在室温（T = 300K ）时，硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C μn =1350 2cm /V s ? μp =500 2 cm /V s ? ε0=8.854×10-12 F/m 一、半导体物理基础部分 （一）名词解释题 杂质补偿：半导体内同时含有施主杂质和受主杂质时，施主和受主在导电性能上有互相抵消 的作用，通常称为杂质的补偿作用。 非平衡载流子：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度， 额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。 迁移率：载流子在单位外电场作用下运动能力的强弱标志，即单位电场下的漂移速度。 晶向： 晶面： （二）填空题 1．根据半导体材料内部原子排列的有序程度，可将固体材料分为 、多晶和 三种。 2．根据杂质原子在半导体晶格中所处位置，可分为 杂质和 杂质两种。 3．点缺陷主要分为 、 和反肖特基缺陷。 4．线缺陷，也称位错，包括 、 两种。 5．根据能带理论，当半导体获得电子时，能带向 弯曲，获得空穴时，能带 向 弯曲。 6．能向半导体基体提供电子的杂质称为 杂质；能向半导体基体提供空穴的杂 质称为 杂质。 7．对于N 型半导体，根据导带低E C 和E F 的相对位置，半导体可分为 、弱简 并和 三种。 8．载流子产生定向运动形成电流的两大动力是 、 。 9．在Si-SiO 2系统中，存在 、固定电荷、 和辐射电离缺陷4种基 本形式的电荷或能态。 10．对于N 型半导体，当掺杂浓度提高时，费米能级分别向 移动；对于P 型半 导体，当温度升高时，费米能级向 移动。 （三）简答题 1．什么是有效质量，引入有效质量的意义何在？有效质量与惯性质量的区别是什么？ 2．说明元素半导体Si 、Ge 中主要掺杂杂质及其作用？ 3．说明费米分布函数和玻耳兹曼分布函数的实用范围？ 4．什么是杂质的补偿，补偿的意义是什么？ （四）问答题 1．说明为什么不同的半导体材料制成的半导体器件或集成电路其最高工作温度各不相同？ 要获得在较高温度下能够正常工作的半导体器件的主要途径是什么？ （五）计算题 1．金刚石结构晶胞的晶格常数为a ，计算晶面（100）、（110）的面间距和原子面密度。 2．掺有单一施主杂质的N 型半导体Si ，已知室温下其施主能级D E 与费米能级F E 之差为 1.5B k T ，而测出该样品的电子浓度为 2.0×1016cm -3，由此计算： （a ）该样品的离化杂质浓度是多少？ （b ）该样品的少子浓度是多少？ （c ）未离化杂质浓度是多少？ （d ）施主杂质浓度是多少？ 3．室温下的Si ，实验测得430 4.510 cm n -=?，153510 cm D N -=?， （a ）该半导体是N 型还是P 型的？ （b ）分别求出其多子浓度和少子浓度。 （c ）样品的电导率是多少？ （d ）计算该样品以本征费米能级i E 为参考的费米能级位置。 4．室温下硅的有效态密度1932.810 cm c N -=?，1931.110 cm v N -=?，0.026 eV B k T =，禁带 宽度 1.12 eV g E =，如果忽略禁带宽度随温度的变化 1.P-N结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的原理 2.简述晶体管开关的原理 3.简述晶体管4个频率参数的定义并讨论它们之间的大小关系 4.简述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、共同点和关系 5.以NPN型晶体管为例，试论述晶体管在不同工作模式下基区少数载流子分 布特征及与晶体管输出特性间的关系 6.请阐述MOSFET的基本结构并结合示意图说明在不同外置电压情况下其工 作状态和输出特性 7.叙述非平衡载流子的产生和复合过程，并描述影响非平衡载流子寿命的因素 8.论述在外加直流电压下P-N结势垒的变化、载流子运动以及能带特征 9.试叙述P-N结的形成过程以及P-N结外加电压时其单向导电特征 10.何谓截止频率、特征频率及振荡频率，请叙述共发射极短路电流放大系数与 频率间的关系 11.请叙述晶体管四种工作模式并分析不同模式下基区少数载流子的分布特征 12.请画出P型半导体理想MOS的C-V曲线，并叙述曲线在不同外加电信号作 用下的曲线特征及原因 13.影响MOS的C-V特性的因素有哪些？它们是如何影响C-V曲线的 14.MOS中硅-二氧化硅，二氧化硅层中有哪些影响器件性能的不利因素 15.介绍MIS结构及其特点，并结合能带变化论述理想MIS结构在加不同偏压 时半导体表面特征 16.晶体管具备放大能力须具备哪些条件 17.饱和开关电路和非饱和开关电路的区别（各自有缺点）是什么 18.简述势垒区正负空间电荷区的宽度和该区杂质浓度的关系 19.结合能带图简述绝缘体、半导体及导体的导电能力 20.说明晶体管具有电信号放大能力的条件并画出不同情况下晶体管的输入输 出曲线并描述其特征 21.请画图并叙述晶体管电流放大系数与频率间的关系 22.请画出MOSFET器件工作中的输出特性及转移特性曲线并描述其特征 23.请叙述双极型晶体管和场效应晶体管的工作原理及区别 24.画出CMOS倒相器的工作图并叙述其工作原理 25.提高双极型晶体管功率增益的途径有哪些 26.请描述双极型晶体管大电流特性下的三个效应 27.画出共基极组态下的晶体管输入及输出特性曲线 第二章 1 一个硅p －n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结，a=1019cm -4，n 型一侧为均匀掺杂，杂质浓度为3×1014cm －3，在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为0.8μm，求零偏压下的总耗尽层宽度、内建电势和最大电场强度。 解：)0(,22≤≤-=x x qax dx d p S εψ )0(,2 2n S D x x qN dx d ≤≤-=εψ 0),(2)(22 ≤≤--=- =E x x x x qa dx d x p p S εψ n n S D x x x x qN dx d x ≤≤-=- =E 0),()(εψ x ＝0处E 连续得x n ＝1.07μm x 总=x n +x p =1.87μm ?? =--=-n p x x bi V dx x E dx x E V 0 516.0)()( m V x qa E p S /1082.4)(25 2max ?-=-= ε,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。 2 一个理想的p-n 结，N D ＝1018cm －3，N A ＝1016cm －3，τp＝τn＝10－6s ，器件的面积为1.2×10－5cm －2，计算300K 下饱和电流的理论值，±0.7V 时的正向和反向电流。 解：D p ＝9cm 2/s ，D n ＝6cm 2/s cm D L p p p 3103-?==τ，cm D L n n n 31045.2-?==τ n p n p n p S L n qD L p qD J 0 + = I S =A*J S =1.0*10-16A 。 ＋0.7V 时，I ＝49.3μA ， －0.7V 时，I ＝1.0*10-16A 3 对于理想的硅p +-n 突变结，N D ＝1016cm －3，在1V 正向偏压下，求n 型中性区内存贮的少数载流子总量。设n 型中性区的长度为1μm，空穴扩散长度为5μm。 解：P ＋ >>n ，正向注入：0)(2 202=---p n n n n L p p dx p p d ，得： ) sinh() sinh() 1(/00p n n p n kT qV n n n L x W L x W e p p p ---=- ??=-=n n W x n n A dx p p qA Q 20010289.5)( 4一个硅p +-n 单边突变结，N D ＝1015cm －3，求击穿时的耗尽层宽度，若n 区减小到5μm，计算此时击穿电压。 解：m V N E B g c /1025.3)1 .1E )q ( 101.148 14 32 1S 7 ?=?=（ ε V qN E V B C S B 35022 == ε m qN V x B B S mB με5.212== n 区减少到5μm 时，V V x W x V B mB mB B 9.143])(1[2 2 /=--＝ 第三章 1 一个p +-n-p 晶体管，其发射区、基区、集电区的杂质浓度分别是5×1018，1016，1015cm －3，基区宽度W B 为1.0μm，器件截面积为3mm 2。当发射区－基区结上的正向偏压为0.5V ，集电区－基区结上反向偏压为5V 时，计算 2-1．P N + 结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用2T V V i np n e =导出)(n n x p 表达式。给 出N 区空穴为小注入和大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。 解：在n x x =处 ()()??? ??????? ??-=?? ? ??-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn i n n FP i i n n exp exp ()()VT V i Fp Fn i n n n n e n KT E E n x n x p 22exp =??? ? ??-= 而 ()()() 000n n n n n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ （n n n p ?=?） ()()T T V V i n n n V V i n n n e n p n p e n n n p 2020=?+?=?+ 2001T V V n i n n n p n p e n n ???+= ?? ? T V V 2 2n n0n i p +n p -n e =0 n p = (此为一般结果) 小注入：（0n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22=或 T V V i n e n p 2= 2-2．热平衡时净电子电流或净空穴电流为零，用此方法推导方程 2 0ln i a d T p n n N N V =-=ψψψ。 解：净电子电流为 ()n n n n I qA D n x με?=+? 处于热平衡时，I n ＝0 ，又因为 d dx ψ ε=- 第一章 PN结 1.1 PN结是怎么形成的？ 耗尽区：正因为空间电荷区内不存在任何可动的电荷，所以该区也称为耗尽区。 空间电荷边缘存在多子浓度梯度，多数载流子便受到了一个扩散力。在热平衡状态下，电场力与扩散力相互平衡。 p型半导体和n型半导体接触面形成pn结，p区中有大量空穴流向n区并留下负离子，n区中有大量电子流向p区并留下正离子（这部分叫做载流子的扩散），正负离子形成的电场叫做空间电荷区，正离子阻碍电子流走，负离子阻碍空穴流走（这部分叫做载流子的漂移），载流子的扩散与漂移达到动态平衡，所以pn 结不加电压下呈电中性。 1.2 PN结的能带图（平衡和偏压） 无外加偏压，处于热平衡状态下，费米能级处处相等且恒定不变。 1.3 内建电势差计算 N区导带电子试图进入p区导带时遇到了一个势垒，这个势垒称为内建电势差。 1.4 空间电荷区的宽度计算 n d p a x N x N = 1.5 PN 结电容的计算 第二章 PN 结二极管 2.1理想PN 结电流模型是什么？ 势垒维持了热平衡。 反偏：n 区相对于p 区电势为正，所以n 区内的费米能级低于p 区内的费米能级，势垒变得更高，阻止了电子与空穴的流动，因此pn 结上基本没有电流流动。 正偏：p 区相对于n 区电势为正，所以p 区内的费米能级低于n 区内的费米能级，势垒变得更低，电场变低了，所以电子与空穴不能分别滞留在n 区与p 区，所以pn 结内就形成了一股由n 区到p 区的电子和p 区到n 区的空穴。电荷的流动在pn 结内形成了一股电流。 过剩少子电子：正偏电压降低了势垒，这样就使得n 区内的多子可以穿过耗尽区而注入到p 区内，注入的电子增加了p 区少子电子的浓度。 2.2 少数载流子分布（边界条件和近似分布） 2.3 理想PN 结电流 ?? ????-??? ??=1exp kT eV J J a s ?? ? ? ? ?+=+= 0020 11p p d n n a i n p n p n p s D N D N en L n eD L p eD J ττ 2.4 PN 结二极管的等效电路（扩散电阻和扩散电容的概念）？ 扩散电阻：在二极管外加直流正偏电压，再在直流上加一个小的低频正弦电压，则直流之上就产生了个叠加小信号正弦电流，正弦电压与正弦电流就产生了个增量电阻，即扩散电阻。 扩散电容：在直流电压上加一个很小的交流电压，随着外加正偏电压的改变，穿过空间电荷区注入到n 区内的空穴数量也发生了变化。P 区内的少子电子浓度也经历了同样的过程，n 区内的空穴与p 区内的电子充放电过程产生了电容，即扩散电容。 施敏 半导体器件物理英文版 第一章习题 1. （a ）求用完全相同的硬球填满金刚石晶格常规单位元胞的最大体积分数。 （b ）求硅中（111）平面内在300K 温度下的每平方厘米的原子数。 2. 计算四面体的键角，即，四个键的任意一对键对之间的夹角。（提示：绘出四 个等长度的向量作为键。四个向量和必须等于多少？沿这些向量之一的方向 取这些向量的合成。） 3. 对于面心立方，常规的晶胞体积是a 3，求具有三个基矢：（0,0,0→a/2,0,a/2）， (0,0,0→a/2,a/2,0),和(0,0,0→0,a/2,a/2)的fcc 元胞的体积。 4. （a ）推导金刚石晶格的键长d 以晶格常数a 的表达式。 （b ）在硅晶体中，如果与某平面沿三个笛卡尔坐标的截距是10.86A ，16.29A ， 和21.72A ，求该平面的密勒指数。 5. 指出（a ）倒晶格的每一个矢量与正晶格的一组平面正交，以及 （b ）倒晶格的单位晶胞的体积反比于正晶格单位晶胞的体积。 6. 指出具有晶格常数a 的体心立方（bcc ）的倒晶格是具有立方晶格边为4π/a 的面心立方（fcc ）晶格。[提示：用bcc 矢量组的对称性： )(2x z y a a -+=，)(2y x z a b -+=，)(2 z y x a c -+= 这里a 是常规元胞的晶格常数，而x ，y ，z 是fcc 笛卡尔坐标的单位矢量： )(2z y a a +=，)(2x z a b +=，)(2 y x a c +=。] 7. 靠近导带最小值处的能量可表达为 .2*2*2*22 ???? ??++=z z y y x x m k m k m k E 在Si 中沿[100]有6个雪茄形状的极小值。如果能量椭球轴的比例为5:1是常数，求纵向有效质量m*l 与横向有效质量m*t 的比值。 8. 在半导体的导带中，有一个较低的能谷在布里渊区的中心，和6个较高的能 谷在沿[100] 布里渊区的边界，如果对于较低能谷的有效质量是0.1m0而对 于较高能谷的有效质量是1.0m0，求较高能谷对较低能谷态密度的比值。 9. 推导由式（14）给出的导带中的态密度表达式。（提示：驻波波长λ与半导体 Chapter 4 4.1 ??? ? ? ?-=kT E N N n g c i exp 2υ ??? ? ??-??? ??=kT E T N N g O cO exp 3003 υ where cO N and O N υ are the values at 300 K. (b) Germanium _______________________________________ 4.2 Plot _______________________________________ 4.3 (a) ??? ? ??-=kT E N N n g c i exp 2υ ( )( )( ) 3 19 19 2 113001004.1108.2105?? ? ????=?T ()()?? ????-?3000259.012.1exp T () 3 382330010912.2105.2?? ? ???=?T ()()()()?? ????-?T 0259.030012.1exp By trial and error, 5.367?T K (b) () 252 12 2105.2105?=?=i n ( ) ()()()()?? ????-??? ???=T T 0259.030012.1exp 30010912.23 38 By trial and error, 5.417?T K _______________________________________ 4.4 At 200=T K, ()?? ? ??=3002000259.0kT 017267.0=eV At 400=T K, ()?? ? ??=3004000259.0kT 034533.0=eV ()()()() 172 22102 210025.31040.11070.7200400?=??= i i n n ? ? ????-??????-???? ??? ?? ??=017267.0exp 034533.0exp 3002003004003 3 g g E E ?? ? ???-=034533.0017267.0exp 8g g E E ()[] 9578.289139.57exp 810025.317-=?g E or ()1714.38810025.3ln 9561.2817=??? ? ???=g E or 318.1=g E eV Now ( ) 3 2 1030040010 70.7?? ? ??=?o co N N υ 半导体器件物理复习题 一． 平衡半导体： 概念题： 1. 平衡半导体的特征（或称谓平衡半导体的定义） 所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体，是指无外界（如电压、电场、磁场或温度梯度等）作用影响的半导体。在这种情况下，材料的所有特性均与时间和温度无关。 2. 本征半导体： 本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。 3. 受主（杂质）原子： 形成P 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅲ族元素）。 4. 施主（杂质）原子： 形成N 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅴ族元素）。 5. 杂质补偿半导体： 半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。 6. 兼并半导体： 对N 型掺杂的半导体而言，电子浓度大于导带的有效状态密度， 费米能级高于导带底（0F c E E ->）；对P 型掺杂的半导体而言，空穴浓度大于价带的有效状态密度。费米能级低于价带顶（0F v E E -<）。 7. 有效状态密度： 在导带能量范围（ ~c E ∞ ）内，对导带量子态密度函数 导带中电子的有效状态密度。 在价带能量范围（ ~v E -∞） 内，对价带量子态密度函数 8. 以导带底能量c E 为参考，导带中的平衡电子浓度： 其含义是：导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘以能量为导带低能量时的玻尔兹曼分布函数。 9. 以价带顶能量v E 为参考，价带中的平衡空穴浓度： 其含义是：价带中的平衡空穴浓度等于价带中的有效状态密度乘以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10. 11. 12. 13. 14. 本征费米能级Fi E ： 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带 带宽度g c v E E E =-。？ 15. 本征载流子浓度i n ： 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度 00i n p n ==。硅半导体，在300T K =时，1031.510i n cm -=?。 16. 杂质完全电离状态： 当温度高于某个温度时，掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质；掺杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质，称谓杂质完全电离状态。 17. 束缚态： 在绝对零度时，半导体内的施主杂质与受主杂质成电中性状态称谓束缚态。束缚态时，半导体内的电子、空穴浓度非常小。 18. 本征半导体的能带特征： 本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近，且跟温度有关。如果电子和空穴的有效质量严格相等，那么本征半导体费米能级 2-1.P N + 结空间电荷区边界分别为p x -与n x ,利用2T V V i np n e =导出)(n n x p 表达式。给出N 区空穴为小注入与大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。 解:在n x x =处 ()()??? ??????? ??-=?? ? ??-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn i n n FP i i n n exp exp ()()VT V i Fp Fn i n n n n e n KT E E n x n x p 22exp =? ?? ? ??-= 而 ()()() 000n n n n n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ (n n n p ?=?) ()()T T V V i n n n V V i n n n e n p n p e n n n p 2020=?+?=?+ 2001T V V n i n n n p n p e n n ???+= ?? ? T V V 2 2n n0n i p +n p -n e =0 n p = (此为一般结果) 小注入:(0n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22=或 T V V i n e n p 2= 2-2.热平衡时净电子电流或净空穴电流为零,用此方法推导方程 2 0ln i a d T p n n N N V =-=ψψψ。 解:净电子电流为 ()n n n n I qA D n x με?=+? 处于热平衡时,I n ＝0 ,又因为 d dx ψ ε=- 所以n n d n n D dx x ψμ?=?,又因为n T n D V μ=(爱因斯坦关系) 《半导体器件物理》试卷（一）标准答案及评分细则 一、填空（共32 分，每空 2 分） 1、PN 结电容可分为扩散电容和过渡区电容两种，它们之间的主要区别在于扩 散电容产生于过渡区外的一个扩散长度范围内，其机理为少子的充放电，而过渡区电容产生于空间电荷区，其机理为多子的注入和耗尽。 2、当MOSFET 器件尺寸缩小时会对其阈值电压V T产生影响，具体地，对 于短沟道器件对V T的影响为下降，对于窄沟道器件对V T的影响为上升。 3、在NPN 型BJT 中其集电极电流I C受V BE电压控制，其基极电流I B受V BE 电压控制。 4、硅-绝缘体SOI 器件可用标准的MOS 工艺制备，该类器件显著的优点是 寄生参数小，响应速度快等。 5、PN 结击穿的机制主要有雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿等等几种，其中发 生雪崩击穿的条件为V B>6E g/q。 6、当MOSFET 进入饱和区之后，漏电流发生不饱和现象，其中主要的原因 有沟道长度调制效应，漏沟静电反馈效应和空间电荷限制效应。 二、简述（共18 分，每小题6 分） 1、Early 电压V A； 答案： 2、截止频率f T； 答案：截止频率即电流增益下降到 1 时所对应的频率值。 3、耗尽层宽度W。 答案：P 型材料和N 型材料接触后形成PN 结，由于存在浓度差，就会产生空间电荷区，而空间电荷区的宽度就称为耗尽层宽度W。 三、分析（共20 分，每小题10 分） 1、对于PNP 型BJT 工作在正向有源区时载流子的输运情况； 答案：对于PNP 型晶体管,其发射区多数载流子空穴向集电区扩散,形成电流 I EP，其中一部分空穴与基区的电子复合，形成基极电流的I B的主要部分，集 电极接收大部分空穴形成电流I CP，它是I C的主要部分。 2、热平衡时突变PN 结的能带图、电场分布，以及反向偏置后的能带图和相 应的I-V 特性曲线。（每个图2 分） 答案：热平衡时突变PN 结的能带图、电场分布如下所示， 反向偏置后的能带图和相应的I-V 特性曲线如下所示。 2014级研究生《高等半导体器件物理》试题 1.简单说明抛物线性能能带和非抛物线性能带的能带结构以及各自 的特点、应用。 2.试描述载流子的速度过冲过程和弹道输运过程，以及它们在实际 半导体器件中的应用。 3.什么是半导体超晶格？半导体器件中主要的量子结构有哪些？ 半导体超晶格:两种或者两种以上不同组分或者不同导电类型超薄层材料,交替堆叠形成多个周期结构,如果每层的厚度足够薄,以致其厚度小于电子在该材料中的德布罗意波的波长, 这种周期变化的超薄多层结构就叫做超晶格. 主要的量子结构:超晶格中, 周期交替变化的超薄层的厚度很薄,相临势阱中的电子波函数能够互相交叠, 势阱中的电子能态虽然是分立的, 但已被展宽. 如果限制势阱的势垒进度足够厚, 大于德布罗意波的波长, 那么不同势阱中的波函数不再交叠, 势阱中电子的能量状态变为分立的能级. 这种结构称之为量子阱( QW).在上述结构中,电子只在x 方向上有势垒的限制, 即一维限制,而在y , z 两个方向上是二维自由的. 如果进一步增加限制的维度,则构成量子线和量子点. 对于量子线而言, 电子在x , y 两个方向上都受到势垒限制; 对于量子点来说, 在x , y , z 三个方向上都有势垒限制. 我们通常将这些量子结构称为低维结构, 即量子阱、量子线和量子点分别为二维、一维和零维量子结构. 4.PHEMT的基本结构、工作原理以及电学特点。 5.隧道谐振二极管的主要工作特点，RITD的改进优势有哪些？ 6.突变发射结、缓变基区HBT的工作原理、特点及其应用。 7.举例讨论半导体异质结光电器件的性能。 参考文献： 1.沃纳，半导体器件电子学，电子工业出版社，2005 2.施敏，现代半导体器件物理，科学出版社，2002 3.王良臣等，半导体量子器件物理讲座（第一讲~第七讲），物理（期刊），2001~2002 ●在300K 下，Si 在价带中的有效态密度为2,66X 19 103 cm -,而GaAs 为7X 18 10 3 cm -，求 出空穴的有效质量，并与自由电子质量比较。 ●画出在77K ，300K,及600K 时掺杂 1610个/3cm 的As 原子的Si 简化能带图，标示出费米能 级且使用本征F E 作参考量。 ●求出i S 在300K 时掺入下列掺杂情形下电子空穴浓度及费米能级。 ●对一半导体而言，其具有一固定的迁移率比 b=n u /p u >1,且与杂质浓度无关，求其最大的电 阻率m ρ并以本征电阻率i ρ及迁移率比表示。 ●给定一个未知掺杂的i S 晶样品，霍耳测量提供了以下信息： ω=0.05cm,A=1.6x 3-103cm -,I=2.5mA,磁场为30nT(1T=4-10wb/2 cm ),若测出的霍耳电压为 10mV ,求半导体样品的霍耳系数，导体型态，多子浓度，电阻率及迁移率。 ●线性缓变Si 结，其掺杂梯度为420 cm 10 -，计算内建电势及4V 反向偏压的结电容（T=300K ）。 对一理想突变p-n 结，其 D N =316cm 10-，当外加正偏压1V 时，求出中性区（n 区）没单位 面积储存的少子、中性区的长度为1μm,p L 5μm. ●对一理想突变p-n 结，其 D N =316cm 10-，当外加正偏压1V 时，求出中性区（n 区）没单 位面积储存的少子、中性区的长度为1μm, p L =5μm. ●设计一+ p -n Si 突变结二极管，其反向击穿电压为130V ，正偏电流在V V 7.0h =时为2.2mA,设. 1070p s -=τ 题库(一) 半导体物理基础部分 1、计算分析题 已知：在室温（T = 300K ）时，硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C μn =1350 2cm /V s ? μp =500 2 cm /V s ? 半导体硅材料在室温的条件下，测得 n 0 = 4.5×104/cm 3， N D =5×1015/cm 3 问：⑴ 该半导体是n 型还是p 型？ ⑵ 分别求出多子和少子的浓度 ⑶ 样品的电导率是多少？ ⑷ 分析该半导体的是否在强电离区，为什么0D n N ≠？ 2、说明元素半导体Si 、Ge 中的主要掺杂杂质及其作用？ 3、什么叫金属-半导体的整流接触和欧姆接触，形成欧姆接触的主要方法有那些？ 4、为什么金属与重掺杂半导体接触可以形成欧姆接触？ P-N 部分 5、什么叫pn 结的势垒电容？分析势垒电容的主要的影响因素及各因素导致垒电容大小变化的趋势。 6、什么是pn 结的正向注入和反向抽取？ 7、pn 结在正向和反向偏置的情况下，势垒区和载流子运动是如何变化的？ 8、简述pn 结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的机理． 9、什么叫二极管的反向恢复时间，提高二极管开关速度的主要途径有那些？ 10、如图1所示，请问本PN 结的偏压为正向，还是反向？准费米能级形成的主要原因? PN 结空间电荷区宽度取决的什么因素，对本PN 结那边空间电荷区更宽？ 图1 pn结的少子分布和准费米能级 三极管部分 11、何谓基区宽变效应？ 12、晶体管具有放大能力需具备哪些条件？ 13、怎样提高双极型晶体管的开关速度？ 14、双极型晶体管的二次击穿机理是什么？ 15、如何扩大晶体管的安全工作区范围？ 16、详细分析PN结的自建电场、缓变基区自建电场和大注入自建电场的异同点。 17、晶体管的方向电流I CBO、I CEO是如何定义的？二者之间有什么关系？ 18、高频时，晶体管电流放大系数下降的原因是什么？ 19、如图2所示，请问双极型晶体管的直流特性曲线可分为哪些区域，对应图中的什么位置？ 各自的特点是什么?从图中特性曲线的疏密程度，总结电流放大系数的变化趋势，为什么？ 半导体期末复习补充材料 一、名词解释 １、准费米能级 费米能级和统计分布函数都是指的热平衡状态，而当半导体的平衡态遭到破坏而存在非平衡载流子时，可以认为分就导带和价带中的电子来讲，它们各自处于平衡态，而导带和价带之间处于不平衡态，因而费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然是适用的，可以分别引入导带费米能级和价带费米能级，它们都是局部的能级，称为“准费米能级”，分别用E F n、E F p表示。 ２、直接复合、间接复合 直接复合—电子在导带和价带之间直接跃迁而引起电子和空穴的直接复合。 间接复合—电子和空穴通过禁带中的能级（复合中心）进行复合。 ３、扩散电容 PN结正向偏压时，有空穴从P区注入N区。当正向偏压增加时，由P区注入到N区的空穴增加，注入的空穴一部分扩散走了，一部分则增加了N区的空穴积累，增加了载流子的浓度梯度。在外加电压变化时，N扩散区内积累的非平衡空穴也增加，与它保持电中性的电子也相应增加。这种由于扩散区积累的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为P-N结的扩散电容。用CD表示。 4、雪崩击穿 随着PN外加反向电压不断增大，空间电荷区的电场不断增强，当超过某临界值时，载流子受电场加速获得很高的动能，与晶格点阵原子发生碰撞使之电离，产生新的电子—空穴对，再被电场加速，再产生更多的电子—空穴对，载流子数目在空间电荷区发生倍增，犹如雪崩一般，反向电流迅速增大，这种现象称之为雪崩击穿。 1、PN结电容可分为扩散电容和过渡区电容两种，它们之间的主要区别在于 扩散电容产生于过渡区外的一个扩散长度范围内，其机理为少子的充放 电，而过渡区电容产生于空间电荷区，其机理为多子的注入和耗尽。 2、当MOSFET器件尺寸缩小时会对其阈值电压V T产生影响，具体地，对 于短沟道器件对V T的影响为下降，对于窄沟道器件对V T的影响为上升。 3、在NPN型BJT中其集电极电流I C受V BE电压控制，其基极电流I B受V BE 电压控制。 4、硅-绝缘体SOI器件可用标准的MOS工艺制备，该类器件显著的优点是 寄生参数小，响应速度快等。 5、PN结击穿的机制主要有雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿等等几种，其中发 2-1．P N +结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用2T V V i np n e =导出)(n n x p 表达式。给 出N 区空穴为小注入和大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。 解：在n x x =处 ()()??? ??????? ??-=??? ??-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn i n n FP i i n n exp exp 而 ()()()000n n n n n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ （n n n p ?=?） n p =(此为一般结果) 小注入：（0n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22 =或 T V V i n e n p 2= 2-2．热平衡时净电子电流或净空穴电流为零，用此方法推导方程 20ln i a d T p n n N N V =-=ψψψ。 解：净电子电流为 ()n n n n I qA D n x με?=+? 处于热平衡时，I n ＝0 ，又因为 d dx ψε=- 所以n n d n n D dx x ψμ?=?，又因为n T n D V μ=（爱因斯坦关系） 所以dn n V d T =ψ， 从作积分，则 2-3．根据修正欧姆定律和空穴扩散电流公式证明，在外加正向偏压V 作用下，PN 结N 侧 空穴扩散区准费米能级的改变量为qV E FP =?。 证明： 从12x x →积分： 将T n 2n0V /V 1n0P (x )P Pn(x )P e =???=??代入 得FP E qV ?= 2-4． 硅突变结二极管的掺杂浓度为：31510-=cm N d ，320104-?=cm N a ，在室温下计算： （a ）自建电势（b ）耗尽层宽度 （c ）零偏压下的最大内建电场。 解：（a ）自建电势为 （b ）耗尽层宽度为 (с) 零偏压下最大内建电场为 2–5．若突变结两边的掺杂浓度为同一数量级，则自建电势和耗尽层宽度可用下式表示 试推导这些表示式。 解：由泊松方程得： 积分一次得 由边界条件 所以 再积分一次得 令 ()()0 0p p n n x x ψψψ?-=??=?? 得： 10D = ， 20D ψ= 于是()()()()2020022a p p d n n qN x x x k qN x x x k ψεψψε?=+????=--+?? ()()n p x x o x x ≤≤≤≤-0 再由电势的连续性，当x ＝0时 ， ()()00p n ψψ=： 所以 ()2200 2a p d n q N x N x k ψε=+ 再由 ?????=+=n d p a n p x N x N x x W 得 故 ()()()2 2222020022a d n p a d d a a d a d qN N x x N N W N N W q k k N N N N ψεε??++==??++???? 将 p a n d x N x N =代入上式，得 2–6．推导出线性缓变PN 结的下列表示式：（a ）电场（b ）电势分布（c ）耗尽层宽度（d ） 半导体器件物理复习题 1. 平衡半导体的特征（或称谓平衡半导体的定义） 所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体， 是指无外界（如电压、电场、磁场或温度梯度 等）作用影响的半导体。在这种情况下，材料的所有特性均与时间和温度无关。 2. 本征半导体： 本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。 3. 受主（杂质）原子： 形成P 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（ 般为兀素周期表中的 川族兀素）。 4.施主（杂质）原子： 形成N 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（ 般为兀素周期表中的 V 族兀 素）。 5. 杂质补偿半导体： 半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。 6. 兼并半导体： 对N 型掺杂的半导体而言，电子浓度大于导带的有效状态密度， 费米能级咼于导带底 （E F -E c ）；对P 型掺杂的半导体而言， 空穴浓度大于价带的有效 状态密度。费米能级低于价带顶（ E F - E v ：：： 0 ）。 7. 有效状态密度: * 3/2 2n ?）J E 二 E 与 在价带能量范围（亠~ E v ）内，对价带量子态密度函数 g v （E ）= 4叮 空穴玻尔兹曼函数f F E=exp-E F —E 的乘积进行积分（即 1 kT 」 8. 以导带底能量E c 为参考，导带中的平衡电子浓度: “ * 3/2 ;4 応（2g ） 启_— 「 E —E F dE ）得到的 2 二 m n kT 称谓导带中 h 3 9. 以价带顶能量E v 为参考，价带中的平衡空穴浓度: 以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10. * 3/2 4二 2m n 导带量子态密度函数 g c E - 3 h > E - E c 14.本征费米能级E Fi : 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近， 1 3 f *冷 m p 3 i —E midgap + — kT ln 4 I m p E 丿 ； 其中禁带宽度 E g = E-Q 。E 15. 本征载流子浓度n : 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度 n o 二P o 二n j 。硅半导体，在 10 3 T =300K 时，n i =1.5 10 cm 。 16. 杂质完全电离状态： 当温度高于某个温度时， 掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质； 掺 杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质，称谓杂质完全电离状态。 17. 束缚态： 在绝对零度时，半导体内的施主杂质与受主杂质成电中性状态称谓束缚态。 束缚态时，半导 体内的电子、空穴浓度非常小。 18. 本征半导体的能带特征： 本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近， 且跟温度有关。如果电子和空穴的有效质量 严格相等，那么本征半导体费米能级的位置严格位于禁带中央。 在该书的其后章节中， 都假 肌=2 m *kT “ < h 2丿 3 2 Nv =2| ‘2兀 m ；kT ' < h 2丿 3 2 12.导带中电子的有效状态密度 13?价带中空穴的有效状态密度 ？ n 严肌旳卜空^斤幻其含义是: 导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘 第1章半导体器件 一、是非题 (注:请在每小题后[ ]内用"√"表示对,用"×"表示错) 1、P型半导体可通过在本半导体中掺入五价磷元素而获得。（） 2、N型半导体可以通过在本征半导体中掺入三价元素而得到。（） 3、在N型半导体中，掺入高浓度的三价杂质可以发型为P型半导体。（） 4、P型半导体带正电，N型半导体带负电。（） 5、N型半导体的多数载流子是电子，所以它带负电。（） 6、半导体中的价电子易于脱离原子核的束缚而在晶格中运动。（） 7、半导体中的空穴的移动是借助于邻近价电子与空穴复合而移动的。（） 8、施主杂质成为离子后是正离子。（） 9、受主杂质成为离子后是负离子。（） 10、PN结中的扩散电流是载流子在电场作用下形成的。（） 11、漂移电流是少数载流子在内电场作用下形成的。（） 12、由于PN结交界面两边存在电位差，所以，当把PN结两端短路时就有电流流过。（） 13、PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（） 14、二极管的伏安特性方程式除了可以描述正向特性和反向特性外，还可以描述二极管的反向击穿特性。（） 15、通常的BJT管在集电极和发射极互换使用时，仍有较大的电流放大作用。（） 16、有人测得某晶体管的U BE=，I B=20μA，因此推算出r be=U BE/I B=20μA=35kΩ。（） 17、有人测得晶体管在U BE=，I B=5μA，因此认为在此工作点上的r be大约为26mV/I B=Ω。（） 18、有人测得当U BE=，I B=10μA。考虑到当U BE=0V时I B=0因此推算得到 0.60 60()100 BE be B U r k I ?-= ==Ω?- （ ） 二、选择题 (注:在每小题的备选答案中选择适合的答案编号填入该题空白处,多选或不选按选错论) . 1、在绝对零度（0K ）时，本征半导体中_________ 载流子。 A. 有 B. 没有 C. 少数 D. 多数 2、在热激发条件下，少数价电子获得足够激发能，进入导带，产生_________。 A. 负离子 B. 空穴 C. 正离子 D. 电子-空穴对 3、半导体中的载流子为_________。 A.电子 B.空穴 C.正离子 D.电子和空穴 4、N 型半导体中的多子是_________。A.电子 B.空穴 C.正离子 D.负离子 5、P 型半导体中的多子是_________。A.电子 B.空穴 C.正离子 D.负离子 6、在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于 ，而少数载流子的浓度则与 有 很大关系。 A. 温度 B. 掺杂工艺 C. 杂质浓度 C. 晶体缺陷 7、当PN 结外加正向电压时，扩散电流 漂移电流，耗尽层 。当PN 结外加反向电压 时，扩散电流 漂移电流，耗尽层 。 A.大于 B.小于 C.等于 D.变宽 E.变窄 F.不变 8、二极管正向电压从增大15%时，流过的电流增大_______。（A 1．15% B 1．大于 15% C 1．小于15%）当流过二极管的电流一定，而温度升高时，二极管的正向电压______。（A 2．增大B 2．减小；C 2．基本不变） 9、温度升高时，二极管的反向伏安特性曲线________。（A 1．上移 B 1．下移 C 1．不变）说 明此时反向电流________。（A 2．减小 B 2．增大 C 2．不变）. 10、在下图所示电路中，当电源V=5V 时，测得I=1mA 。若把电源电压调整到V=10V ，则电流的 1、简要的回答并说明理由：①p+-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？②p+-n结的势垒宽度与温度的关系怎样？③p+-n结的势垒宽度与外加电压的关系怎样？④Schottky势垒的宽度与半导体掺杂浓度和温度分别有关吗？ 【解答】①p+-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。②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。③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。 ④Schottky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：①p-n结的势垒高度与掺杂浓度的关系怎样？②p-n结的势垒高度与温度的关系怎样？③p-n结的势垒高度与外加电压的关系怎样？ 【解答】①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）。 ②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。③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：①p-n结的势垒电容与电压和频率分别有何关系？②p-n结的扩散电容与电压和频率分别有何关系？ 【解答】①p-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。②p-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（ω≡2πf > 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：①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？②正向电流与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？③反向电流与温度和掺杂浓度的关系 分别怎样？④正向电压与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？ 【解答】①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半导体器件物理 试题库
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