(完整版)半导体器件物理试题库.docx

西安邮电大学微电子学系商世广

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 = 1.510×10/cm3

电荷的电量 q= 1.6 ×10-19

C

n2

/V s

p2

/V s μ=1350 cmμ=500 cm

ε0

×10

-12

F/m

=8.854

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E D与费米能级E F之差为

1.5k B 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n0 4.5 10 4 cm 3， N D51015 cm 3，

（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E i为参考的费米能级位置。

193193

4．室温下硅的有效态密度，0.026 eV ，禁带

， k T

宽度 E g 1.12 eV ，如果忽略禁带宽度随温度的变化

（ a）计算 77 K,300 K,473 K三个不同温度下的本征载流子浓度；

（ b）300 K纯硅电子和空穴迁移率是1350 cm 2 /(V s) 和 500 cm 2 /(V s) ，计算此时的电

阻率；

（ c）473 K纯硅电子和空穴迁移率是420 cm 2 /(V s) 和 150 cm 2 /(V s) ，计算此时的样

品电阻率。

5．若硅中的施主杂质浓度是 1 1017 cm 3、施主杂质电离能E D 0.012 eV 时，求施主杂质3/4 电离时所需要的温度是多少？

6．现有一块掺磷（ P）浓度为 6 1016cm 3的 N 型 Si，已知 P 在 Si 中的电离能E D 0.044 eV ，如果某一温度下样品的费米能级E F与施主能级重合，此时的导带电子浓度是多少，对

应的温度又是多少？

7．对于掺 Sb 的半导体 Si，若 E c E F k B T 为简并化条件，试计算在室温下发生简并化的掺杂浓度是多少？

8．半导体电子和空穴迁移率分别是n 和p ，证明当空穴浓度为p0 n i ( n p )1 2时，电导率最小且min2i (n p )1 2(n p ) ,i 为本征电导率。

15

cm 3

硼原子和 1.310

16

cm

3

磷原子的硅，室温下计算：

9．掺有 3 10

（ a）热平衡态下多子、少子浓度，费米能级位置（E i为参考）。

（ b）样品的电导率0 。

（ c）光注入n p 3 1012cm 3的非平衡载流子，是否小注入，为什么?

（ d）附加光电导。

（ e）光注入下的准费米能级E FN和 E FP（ E i为参考）。

（ f）画出平衡态下的能带图，标出E c、 E v、E F、 E i等能级的位置，在此基础上再画出

光注入时的 E FN和 E FP，说明为什么E FN和 E FP偏离 E F的程度是不同的。

（ g）光注入时的样品电导率。

10．用h?E g的光分别照射两块N型半导体，假定两个样品的空穴产生率都是g p，空穴寿命都是p 。如果其中一块样品均匀地吸收照射光，而另一块样品则在光照表面的极薄区域内照射光就被全部吸收，写出这两个样品在光照稳定时非平衡载流子所满足的方程并指出它们的区别。

二、 P-N 部分

（一）名词解释题

平衡 PN 结：就是指没有外加电压、光照和辐射等的PN 结。

单边突变结：PN 结一侧的掺杂浓度比另外一侧高很多，表示为P+N 或 PN +。

空间势垒区：也称耗尽区，是指在 PN 结的形成过程中，电子从N区向P区扩散，从而在N

区侧留下不能移动的电离施主，在 P 区留下不能移动的电离受主，载流子的分布按指数变化，

该区域称空间势垒区。

隧道击穿：当 PN 结两边掺入高浓度的杂质时, 其耗尽层宽度很小, 即使外加反向电压不太

高,在 PN 结内就可形成很强的电场 , 将共价键的价电子直接拉出来 , 产生电子 -空穴对 , 使反向电流急剧增加 , 出现击穿现象。

势垒电容： PN 结空间电荷区的宽度随外加电压变化而变化，即正、负电荷的增减靠外加电

压的改变而改变；当外加电压不变时，空间电荷的冲、放电停止，类似一个电容，常称之为

PN 结势垒电容。

欧姆接触：金属和半导体之间形成反阻挡层，称之为欧姆接触。

（二）填空题

1． PN 结的主要制备工艺有：、扩散法和和中子嬗变法。2．在 PN 结的理论分析中，常假设空间电荷区中电子和空穴完全被耗尽，即正、负空间电荷密度分别等于浓度和浓度，这种假设称为耗尽层近似。3． PN 结电容包括和。

4． PN 结的反向恢复时间包括和。

5．二次击穿主要包括二次击穿和二次击穿。

6．耗尽层的宽度与掺杂浓度成关系，空间势垒区宽度取决于掺杂浓度的一侧。

7． PN 结正向偏压时的电流为，反向偏压时的电流为。

8．目前，已提出的PN 结击穿机理有：、隧道击穿和

三种。

9．在 PN 结中，容易发生雪崩击穿；容易发生隧道击穿。

（三）简答题

1．什么叫PN 结的动态平衡和PN 结空间电荷区？

2．试画出正向PN 结的能带图，并进行简要说明。

3．试画出正向PN 结少子浓度分布示意图。其少子分布表达式是什么？

4．试解释正、反向PN 结的电流转换和传输机理。

5．大注入时PN+结正向电流公式是什么？试比较大注入与小注入的不同之处。

6．什么是PN 结的正向注入和反向抽取？

7．什么叫PN 结的反向抽取作用？试画出反向PN 结少子浓度分布示意图。少子分布的表达式是什么 ?

8． PN 结正、反向电流电压关系表达式是什么？PN 结的单向导电性的含义是什么？

9． 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？

10．简述 PN 结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的机理．

11．什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？

12．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

13．求出硅突变PN 结空间电荷区电场分布及其宽度的函数表达式。

14．求出硅缓变PN 结空间电荷区电场分布及其宽度的函数表达式。

（四）问答题

1．什么叫PN 结的击穿及击穿电压？试叙述PN 结雪崩击穿和隧道击穿的机理，并说明其

不同之处。

2．硅突变结雪崩击穿电压与原材料杂质浓度（或电阻率）及半导体层厚度有何关系? 3．硅缓变PN 结击穿电压与原材料杂质浓度有何关系?

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。

4．什么叫PN 结的电容效应？什么是PN 结势垒电容？写出单边突变结和线性缓变结的势垒电容与偏压的关系式。

5．什么是PN 结的静态、动态特性？什么叫反向恢复过程、反向恢复时间？产生反向恢复过程的实质是什么？提高PN 结二极管开关速度的途径是什么？

6．什么叫金属半导体的整流接触和欧姆接触？形成欧姆接触的方法主要有哪些?

7．为什么金属与重掺杂半导体接触可以形成欧姆接触？

（五）计算题

1．已知硅 PN 结的 N 区和 P 区的杂质浓度均为1×1015cm 3，试求平衡时的 PN 结接触电位差。已知室温下，硅的n i=1.5 ×1016 cm 3。

2．已知硅 P+N 结的 N 区杂质浓度为1×1016 cm 3’，试求当正向电流为 0.1 mA 时该 P+ N 结的导通电压。若 N 区的杂质浓度提高到1×1018 cm 3，其导通电压又是多少？已知： D p=13

2p3

cm， A=10-5 2， q=1.6 ×10 19

i10

cm

3。

cm /s， L =2×10cm C， n =1.410×

3．一个硅 P+N 结的 N 区杂质浓度为1×1016 cm 3。在反向电压为 10 V ， 50 V 时，分别求势垒区的宽度和单位面积势垒电容。

4．一个硅P+N 结， P 区的 N A=1×l019 cm 3， N 区的 N D=1×1016 cm 3，求在反向电压300 V时的最大电场强度。

三、三极管部分

（一）名词解释题

集边效应：在大电流下，基极的串联电阻上产生一个大的压降，使得发射极由边缘到中心的

电场减小，从而电流密度从中心到边缘逐步增大，出现了发射极电流在靠近基区的边缘逐渐

增大，此现象称为发射极电流集边效应，或基区电阻自偏压效应。

基区宽变效应：由于外加电压变化，引起有效基区宽度变化的现象。

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当放大系数下降为直流

特征频率：晶体管共射极时，放大系数随频率增加呈现下降的趋势，

放大系数的 0.707 倍时所对应的频率。

基区扩展效应：

（二）填空题

1．根据晶体管基区的杂质分布情况，将晶体管分为基区晶体管和基区晶体管。

2．双极型晶体管共基极连接具有放大作用，共射极连接具有

放大作用。

3．基区扩展效应包括扩展和扩展两种效应。

4 ．工作频率对晶体管的电流放大系数主要取决于四个过程，主要有过

程、、集电结势垒区渡越过程和集电区传输过程。

5．晶体管的二次击穿主要包括二次击穿和二次击穿。（三）简答题

1．双极型晶体管中重掺杂发射区目的?

2．试画出处于正常偏置的NPN 晶体管的少子分布及载流子输运过程示意图。

3．解释 NPN 晶体管的电流传输和转换机理，并画出示意图。

4．什么叫发射效率和基区输运系数？

5．什么叫晶体管共基极直流电流放大系数0 和共发射极直流电流放大系数0 ？0、0与 ,之间有什么关系？

6．什么叫均匀基区晶体管？均匀基区晶体管的、、 0 的表达式是什么？

7．什么叫缓变基区晶体管？缓变基区晶体管的、、0的表达式是什么？

8．写出考虑了发射结空间电荷区复合和基区表面复合后均匀基区晶体管的,, 0 , 0的表达式，并简要说明0 公式的物理意义。

9．何谓基区宽变效应？

10．晶体管具有放大能力需具备哪些条件？

11．怎样提高双极型晶体管的开关速度？

答案：晶体管的开关速度取决于开关时间，它包括开启时间和关断时间，综合考虑，提

高速度的主要措施有：（ 1）采用掺金工艺，以增加复合中心，加速载流子的耗散，降低

存储时间；（ 2）降低外延层的电阻率，以降低t s；（3）减小基区宽度，降低基区渡越时间；（ 4）减小发射结结面积，以减小C TE和C TC，从而减小延迟时间；（5）适当控制并选择合适的工作条件。

12．双极型晶体管的二次击穿机理是什么？

13．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。

14．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？

15．高频时，晶体管电流放大系数下降的原因是什么？

16．什么叫晶体管集电极最大耗散功率P CM？它与哪些因素有关？

17．如何扩大晶体管的安全工作区范围？

18．什么叫晶体管的热阻R T？内热阻、外热阻指的是什么？如何减少晶体管的热阻？

19．什么是晶体管共发射极正向压降U BES和饱和压降U CES？

（四）问答题

1．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？

图 2 双极型晶体管共发射极直流输出特性曲线

2、如图 3 所示，对于一个N +PN-N +结构的双极晶体管，随着集电极电流的增大出现了那种

效应？请详细描述图3（ a-c）曲Kirk线的形成effect的过程。

很

窄

移到衬底

基

区

缩

小

图 3 集I电结(电c场)分布随I电流(增b大)的变化I趋势(a)

C C C

3．什么叫晶体管的二次击穿，晶体管二次扩击穿展的机并理（偏电流移集中二次击穿和雪崩注入二次击穿）是什么？什么是二次击穿临界线和安全工作区？

4．什么叫晶体管的饱和状态和截止状态？什么叫临界饱和和深饱和？

5．在晶体管开关波形图中注明延迟时间t d、上升时间t r、贮存时间t s、下降时间t f，并说明其物理意义。

6． BJT共基极与共射极输出特性曲线的比较。

答案：（ 1）输出电流增益共射极要远远高于共基极，即；（ 2）共射极输出特性曲线的末端上翘，是由于 Early 效应的缘故缘故；（ 3）因为共机共基极输出特性曲线的斜率比共射极的小，所以其输出电阻要大于共射极接法的输出电阻；（ 4）由于共射极接

法的电压落在两个结上，即V CE V CB V BE，则 V CE还未减小到零时，I C已经开始下降，而共基极揭发时V CB下降到零以后，I C才开始下降。

7．改善晶体管频率特性的主要措施。

答案：（ 1）降低基区渡越时间 b ，如减小基区宽度等；（2）降低发射区渡越时间 e ，如减小 W E，增加发射区少子的扩散长度，作较陡的杂质分布，以减小减速场的作用；

（ 3）降低发射结充放电时间te 和集电结充放电时间tc ，如减小发射结与集电结的面

，积等；（ 4）降低d，如降低集电极电阻率，但会降低集电区的击穿电压；（5）降低eb

如降低发射结面积； （ 6）降低

c ，如降低 C TC 和 r C 等。

（五）计算题

1．某一锗低频小功率合金晶体管，其N 型 Ge 基片电阻率为

1.5 ·cm ，用铟合金在 550℃ 下烧结， 根据饱和溶解知发射区和集电区掺杂浓度约为

3×1018 /cm 3，求 。已知 W b =50

m ， L ne =5 m 。

2．双扩散晶体管， X jc =3 m, X je =1.5 m, N B （0）= 5 ×1017 cm -3，N c = 5 ×1015

cm -3。

① 求基区杂质分布为指数分布时的基区自建电场；

② 计算基区中

X

0.2 处扩散电流分量与漂移电流分量之比。

W b

3．已知某一均匀基区硅 NPN 晶体管的 = 0.99 ， BU

CBO = 150 V ，W =18.7 m 以及基区中电

b

子寿命 nb =1 s ，求 0 ， ， （忽略发射结空间电荷区复合和丛区表面复合）

以及 BU CEO

的数值。已知 D n = 35 cm 2/s 。

4．NPN 双扩散外延平面晶体管，集电区电阻率 c =1.2 ·cm ，集电区厚度 W C =10 m ，硼扩散

表面浓度 N BS =5×1018 cm -3，结深 X jc =1.4 m 。求集电极偏置电压分别为

25V 和 2V 时产

生基区扩展效应的临界电流密度。

5．经理论计算， 某一晶体管的集电结雪崩击穿电压

U B =50V ，但测量其 U PT =20 V ，BU EBO =

6V ，能否根据测量数据求出该晶体管

BU CBO 的数值？

6．已知某一功率晶体管的管芯热阻为

0.2 ℃ /W ，管壳热阻为 0.4 ℃ /W ，散热器到外界空气

的热阻为 0.4 ℃ /W ，其集电极电压为 5 V ，集电极电流为 20A ，室温为 20 ℃，求 PN 结

的结温是多少。

7．① 证明在 NPN 均匀基区晶体管中，正向放大晶体管注入基区的少子电荷

qU BE

Q BF =

AqW

n b (0) e k B T 1

b

2

② 设基区宽度 W b =3

m ，基区杂质浓度

N B = 1017 cm -3，发射结面积 A =1×10-4 cm 2,当发

e

射结偏置电压 U BE 分别为 0.2 V 和 0.5 V 时，计算基区的积累电荷

Q BF ，并对计算结果

进行分析讨论。

四、 MOSFET 部分

（一）名词解释题

跨导：反映外加栅极电压(Input) 变化量控制漏-源电流 (Output) 变化量的能力。

阈值电压：在漏和源之间半导体表面处感应出导电沟道所需加在栅电极上的电压或栅下半导体表面出现强反型时所加的栅源电压。

沟道长度调变效应：由于漏 -源电压的增大，漏端耗尽区不断增加导致漏-源电流随沟道长度的减小而增大的效应。

夹断特性：当电压继续增加到漏端栅绝缘层上的有效电压降低于表面强反型所需的阈值电压UT 时，漏端表面的反型层厚度减小到零，即漏端处沟道消失，只剩下耗尽区，这就是

沟道夹断。

表面反型：热平衡态的半导体具有统一的费米能级，由于半导体表面能级的出现半导体的表面与体内出现载流子的交换，导致在表面层下面少子的浓度大于多子的浓度，即形成表面反型。

（二）填空题

1． MOS 场效应晶体管根据沟道的导电类型可分为和

两类。

2． MOS 场效应晶体管根据零栅压下是否导通可分为和

两类。

3．MOS 场效应晶体管根据栅压情况，导致衬底可出现状态、平带状态状态、表面耗尽状态和状态四类。

4．MOS 场效应管的二极效应主要包括：、、短沟道效应和窄短沟道效应。

5． MOS 场效应管的平带电压的起因主要包括和

两部分。

（三）简答题

1． N 沟和 P 沟 MOS 场效应晶体管有什么不同？

2． MOS 场效应晶体管的阈值电压U T受哪些因素的影响？其中最主要的是哪个？

3．如何实现低阈值电压MOS 场效应晶体管？

4． MOS 场效应晶体管的输出特性曲线可分为哪几个区？每个区对应什么工作状态？

5．试论 MOSFET 的工作原理和BJT 有何不同？

6．试述 MOSFET 中Ｗ /L 的大小对其性能参数有何影响?

7．为什么MOS 场效应晶体管的饱和电流并不完全饱和？

8． MOS 场效应管结构电容随工作条件是如何变化的？

9．提高 MOS 场效应晶体管的电流容量，结构参数如何考虑？

10．如何提高MOS 场效应晶体管的频率特性？

11．什么是MOSFET 的跨导？怎么提高跨导？

12． MOS 场效应晶体管跨导的物理意义是什么？

13． MOS 场效应管的二级效应有那些，详细分析其对MOS 场效应管I-V 特性的影响？14．分析 MOS 场效应管短沟道效应产生的原因及可能产生的不良后果。

（四）问答题

1．金属－半导体功函数差是如何影响C-V 曲线的？

2． MOS 场效应晶体管中的MOS 电容随工作状态是如何变化的？

3． MOS 场效应晶体管的开关特性与什么有关？如何提高开关速度？

4．短沟道和窄沟道效应对MOS 场效应晶体管特性有什么影响？

5．定性说明在什么情况下MOS 场效应晶体管会出现短沟道效应？

6．为什么在沟道内靠近漏端处增加一个轻掺杂的漏区可以改善热电子效应？

（五）计算题

1．由浓度为N A = 5 1015 cm 3的（ 111）晶向的 P 型 Si 衬底构成的 N 沟道 MOS 场效应晶体管，栅极为金属铝，栅氧化层厚度为1500 ? ，SiO2中的正电荷面密度为Q SS = 1 1022·q/cm2（q 为电子电荷），试求该管的阈值电压，并说明它是耗尽型还是增强型的？

2．如果一个MOS 场效应晶体管的U T = 0，当 U GS = 4 V ，I DS = 3 mA 时， MOS 管是否工作在饱和区？为什么？

3．P 沟道 MOS 场效应晶体管的参数为：N D = 1015 cm 3，t OX = 1200 ? ，T = 300 K ，N SS = 5 1011 cm 2，试计算它的阈值电压。当t OX = 13 500 ? 时，重新进行计算。

4．在掺杂浓度N A = 1015 cm 3的 P 型 Si 衬底上制作两个 N 沟道 MOS 管，其栅 SiO2层的厚度分别为 1 000 ? 和 2000 ? ，若 U GS U FB = 15 V，则 U DS多少时，漏极电流达到饱和？