半導(dǎo)體器件物理簡答題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上簡答題答案：1.空間電荷區(qū)是怎樣形成的。畫出零偏與反偏狀態(tài)下pn結(jié)的能帶圖。答：當p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體緊密結(jié)合時，在其交界面附近存在載流子的濃度梯度，它將引起p區(qū)空穴向n區(qū)擴散，n區(qū)電子向p區(qū)擴散。因此在交界面附近，p區(qū)留下了不能移動的帶負電的電離受主，n區(qū)留下了不能移動的帶正電的電離施主，形成所謂空間電荷區(qū)。專心-專注-專業(yè)PN結(jié)零偏時的能帶圖：PN結(jié)反偏時的能帶圖：2.為什么反偏狀態(tài)下的pn結(jié)存在電容？為什么隨著反偏電壓的增加，勢壘電容反而下降？答：由于空間電荷區(qū)寬度是反偏電壓的函數(shù)，其隨反偏電壓的增加而增加?？臻g電荷區(qū)內(nèi)的正電荷與負電荷在空間上又是分離的，當外

2、加反偏電壓時，空間電荷區(qū)內(nèi)的正負電荷數(shù)會跟隨其發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣PN結(jié)就有了電容的充放電效應(yīng)。對于大的正向偏壓，有大量載流子通過空間電荷區(qū), 耗盡層近似不再成立，勢壘電容效應(yīng)不凸顯。所以，只有在反偏狀態(tài)下的PN結(jié)存在電容。由于反偏電壓越大，空間電荷區(qū)的寬度越大。勢壘電容相當于極板間距為耗盡層寬度的平板電容，電容的大小又與寬度成反比。所以隨著反偏電壓的增加，勢壘電容反而下降。3.什么是單邊突變結(jié)？為什么pn結(jié)低摻雜一側(cè)的空間電荷區(qū)較寬？答：對于一個半導(dǎo)體，當其P區(qū)的摻雜濃度遠大于N區(qū)（即Nd>>Na）時，我們稱這種結(jié)為P+N；當其N區(qū)的摻雜濃度遠大于N區(qū)（即Na >>

3、Nd）時，我們稱這種結(jié)為N+P。這兩類特殊的結(jié)就是單邊突變結(jié)。由于PN結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)區(qū)的受主離子所帶負電荷量與區(qū)的施主離子所帶正電荷的量是相等的，而這兩種帶電離子是不能自由移動的。所以，對于空間電荷區(qū)內(nèi)的低摻雜一側(cè)，其帶電離子的濃度相對較低，為了與高摻雜一側(cè)的帶電離子的數(shù)量進行匹配，只有增加低摻雜一側(cè)的寬度。因此，結(jié)低摻雜一側(cè)的空間電荷區(qū)較寬。4.對于突變p+-n結(jié)，分別示意地畫出其中的電場分布曲線和能帶圖：答：熱平衡狀態(tài)時：突變p+-n結(jié)的電場分布曲線：突變p+-n結(jié)的能帶圖：注：畫的時候把兩條虛線對齊。5.畫出正偏時pn結(jié)的穩(wěn)態(tài)少子濃度分布圖。答：6.畫出正偏pn結(jié)二極管電子和空穴電流圖。

4、答：7.解釋pn結(jié)二極管擴散電容形成的機制；解釋產(chǎn)生電流和復(fù)合電流的形成機制。答：在擴散區(qū)中存在有等量的非平衡電子和空穴的電荷,在直流電壓下的少子濃度會隨其中的交流成分的改變而改變。隨著外加電壓的變化，由于少子濃度變化而形成的少子電荷存儲量的變化不斷地被交替充電與放電，從而表現(xiàn)為電容效應(yīng)，少子電荷存儲量的變化與電壓變化量的比值即為擴散電容。反偏產(chǎn)生電流的形成機制：反偏電壓下，空間電荷區(qū)產(chǎn)生了新的電子空穴對，由于反偏空間電荷區(qū)的電子濃度與空穴濃度為零，這些新產(chǎn)生的電子空穴對會重新建立新的熱平衡。電子空穴對一經(jīng)產(chǎn)生，就會被電場掃出空間電荷區(qū)。這些被掃出電荷流動產(chǎn)生的電流即為反偏產(chǎn)生電流。正偏復(fù)合電

5、流的形成機制：當PN結(jié)外加正偏電壓時，電子與空穴會穿過空間電荷區(qū)注入到相應(yīng)的區(qū)域，電子與空穴在穿越空間電荷區(qū)時有可能會發(fā)生復(fù)合，這部分復(fù)合的電子與空穴的相對運動形成的電流即為復(fù)合電流。8.什么是存儲時間？答：P區(qū)與N區(qū)均存在過剩載流子?？臻g電荷區(qū)邊緣的過剩載流子由正偏PN結(jié)電壓維持。當外加電壓由正偏變?yōu)榉雌珪r，空間電荷區(qū)邊緣處的少子濃度就不能再維持，于是就會慢慢衰減，如下圖所示。空間電荷區(qū)邊緣少子濃度達到熱平衡值時所經(jīng)歷的時間ts即為存儲時間。存儲時間內(nèi)，反向電流大小是基本不變的。9.為什么隨著摻雜濃度的增大，擊穿電壓反而下降？答：隨著摻雜濃度的增大，雜質(zhì)原子之間彼此靠的很近而發(fā)生相互影響，分

6、離能級就會擴展成微帶，會使原來的導(dǎo)帶底下移，造成禁帶寬度變窄，不加外加電壓時，能帶的傾斜處隧道長度Dx變得更短，當Dx短到一定程度，當加微小電壓時，就會使P區(qū)價帶中的電子通過隧道效應(yīng)穿過窄窄的禁帶而到達N區(qū)導(dǎo)帶，使得反向電流急劇增大而發(fā)生隧道擊穿。所以，摻雜濃度越大，禁帶寬度越窄，也就越容易發(fā)生隧穿，擊穿電壓也就越小。10.畫出有偏壓時理想金屬半導(dǎo)體結(jié)的能帶圖，在圖上標出肖特基勢壘。答：注：左邊是N型金屬半導(dǎo)體結(jié)能帶圖，右邊是P型金屬半導(dǎo)體能帶圖，肖特基勢壘圖中已標出。11.比較肖特基二極管和pn結(jié)二極管正偏時的I-V特性。答：1. I-V關(guān)系式形式相同，由于電流輸運機制不同，肖特基二極管的電

7、流要比pn結(jié)的大幾個數(shù)量級。2. 相應(yīng)的肖特基二極管的導(dǎo)通壓降也比較低。3. 因為肖特基二極管是單極性器件，只有多子，少子很少，可認為無少子存儲電荷，高頻特性好，開關(guān)時間短，一般在ps數(shù)量級。pn結(jié)開關(guān)時間在ns數(shù)量級。12.什么是異質(zhì)結(jié)？答：用兩種不同材料組成的一個結(jié)叫做異質(zhì)結(jié)，它可以按照不同的分類標準又分為由導(dǎo)電類型相同的兩種不同材料所形成的同型異質(zhì)結(jié)和由導(dǎo)電類型相反的兩種不同材料所形成的反型異質(zhì)結(jié)，以及突變異質(zhì)結(jié)和緩變異質(zhì)結(jié)。13. 對于n+pn晶體管（基區(qū)寬度<<少數(shù)載流子擴散長度），分別示意畫出其中各個區(qū)域中的少數(shù)載流子濃度的分布曲線：正向放大工作狀態(tài)；截止狀態(tài)；臨界飽和

8、狀態(tài)；注：該圖C區(qū)的少子電子的濃度應(yīng)維持在平衡濃度上，臨界飽和的條件就是（Vbe>0,Vbc=0）.深飽和狀態(tài)。14共基極電流增益的三個限制因素（發(fā)射極注入效率系數(shù)、基區(qū)輸運系數(shù)和復(fù)合系數(shù)）的定義和對共基極電流增益的影響。答：交流共基極電流增益：發(fā)射極注入效率系數(shù)：考慮了發(fā)射區(qū)中的少子空穴擴散電流對電流增益的影響。該電流是發(fā)射極的一部分，但它對晶體管的工作沒有作用，因為JpE不是集電極電流的一部分，它的存在會降低共基極電流的增益?；鶇^(qū)輸運系數(shù)：考慮了基區(qū)過剩少子電子的復(fù)合作用的影響。理想情況下，我們是希望基區(qū)中沒有復(fù)合的，不過復(fù)合是不可避免的，所以復(fù)合的存在使基區(qū)輸運系數(shù)小于1，也就降低

9、了共基極電流的增益。復(fù)合系數(shù)：考慮了正偏B-E結(jié)中的復(fù)合的影響。電流JR對發(fā)射極電流有貢獻，但對集電極電流沒有貢獻，所以它的存在也降低了共基極電流的增益。15.什么是基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)？該效應(yīng)的另一個稱呼是什么？答：事實上，晶體管的基區(qū)寬度是B-C結(jié)電壓的函數(shù)，因為隨著結(jié)電壓的變化，B-C結(jié)空間電荷區(qū)會擴展進基區(qū)。隨著B-C結(jié)反偏電壓的增加，B-C結(jié)空間電荷區(qū)寬度增加，使得基區(qū)寬度減小。中性基區(qū)寬度的變化使得集電極電流發(fā)生變化，基區(qū)寬度的減小使得少子濃度梯度增加，這種效應(yīng)稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，又稱厄爾利（Early）效應(yīng)。16.什么是大注入效應(yīng)？答：我們確定少子分布時所用的雙極傳輸方程默認采用了

10、小注入。但隨著VBE的增加，注入的少子濃度開始接近，甚至變得比多子濃度還要大。如果我們假定準電荷中性，那么p型基區(qū)中在靠近發(fā)射區(qū)的那一側(cè)由于過?？昭ǖ拇嬖?，多子空穴濃度將會增加。此時發(fā)生大注入，促使晶體管發(fā)生兩種效應(yīng)發(fā)射極注入效率降低 ( Webster效應(yīng) )；集電極電流增大速率變慢。這種效應(yīng)就是大注入效應(yīng)。17.晶體管的截止頻率是如何定義的？限制雙極型晶體管的頻率響應(yīng)的延時因素有那些？答：. a截止頻率 fa ：共基極電流放大系數(shù)減小到低頻值的1/2 時所對應(yīng)的頻率.b截止頻率f b ：共發(fā)射極電流放大系數(shù)減小到低頻值的1/2 時所對應(yīng)的頻率. .晶體管的頻率參數(shù)與晶體管的載流子渡越時間有

11、關(guān),它包括電子從發(fā)射極到集電極的有效渡越時間、發(fā)射結(jié)充電時間、發(fā)射極擴散電容充電時間、集電結(jié)耗盡區(qū)渡越時間等。18.大致繪出p溝道pnJFET的截面圖，標明器件工作時的電壓極性。答：注：這是n溝道的，類似的p溝道可畫出，并標明工作電壓極性。19.定性闡述n溝道耗盡型pnJFET的基本工作原理。答：基本工作原理：如上圖1，顯示了一個當柵極零偏時的n溝道pnJFET。如果源極接地，并在漏極上加一個小的正電壓，這漏極產(chǎn)生一個漏電流ID。n溝道實質(zhì)上是個電阻，因此，對于小的VDS，ID與VDS的曲線接近于線性變化，如上圖所示。當我們給pnJFET的柵極與源極之間加一個電壓后，溝道電導(dǎo)系數(shù)就會發(fā)生變化，

12、如上圖所示，當在柵極加一個負壓時，柵極與溝道形成結(jié)反偏，其空間電荷區(qū)增寬，溝道寬度變窄，溝道電阻增加。當反偏電壓達到一定程度時，空間電荷區(qū)會將溝道完全填滿，這種情況稱為溝道夾斷，此時漏電流幾乎為零，因為耗盡層隔離了源端與漏端。當柵電壓為零，漏電壓變化時，如上圖，隨著漏源電壓的增大（正值），柵與溝道形成的結(jié)反偏，空間電荷區(qū)向溝道區(qū)擴展。隨著空間電荷區(qū)的擴展，有效溝道電阻增大。此時沿溝道長度方向，溝道電阻隨位置的不同而變化，而溝道電流是一個常數(shù)，所以溝道壓降將隨位置的不同發(fā)生相應(yīng)的變化。如果漏極電壓進一步升高，溝道將在漏極處夾斷。漏電壓繼續(xù)增大，漏電流將保持不變，此時晶體管工作在飽和區(qū)，漏電流與V

13、DS無關(guān)，將體現(xiàn)為柵壓控制。20.分別繪出工作在堆積、耗盡和反型模式下的n型襯底MOS電容的能帶圖。答：堆積模式：耗盡模式：反型模式：21.為什么當反型層形成時MOS電容器的空間電荷區(qū)認為達到最大寬度？答：當反型層形成時，表面處的的少子濃度等于半導(dǎo)體體內(nèi)多子的濃度，此時所加電壓稱為閾值電壓。如果柵壓大于這個閾值，導(dǎo)帶會輕微向費米能級彎曲，表面處導(dǎo)帶的變化只是柵壓的函數(shù)。然而表面少子的濃度是表面勢的指數(shù)函數(shù)。表面勢增加數(shù)伏特（），將使電子濃度以的冪次方增加，但是空間電荷區(qū)的寬度的變換卻非常微弱，這種情況下，空間電荷區(qū)已經(jīng)達到了最大值。22.繪出低頻時n型襯底MOS電容器的C-V特性曲線。當高頻時

14、曲線如何變化？答：低頻時：高頻時：23.定性闡述MOSFET的基本工作原理。答：對于較小的，當時，漏電流為零。當時，反型層的厚度會定性的表明相對電荷密度，這時的相對電荷密度在溝道長度方向上為一常數(shù)，相應(yīng)的特征曲線如左上角圖所示。隨著漏電壓的增大，漏端附近的反型層電荷密度也將減小，漏端的溝道電導(dǎo)減小，ID-VDS特性曲線的斜率也將減小，如右上角圖所示。當增大到漏端的氧化層壓降等于時，漏端的反型層電荷密度為零，此時漏端的電導(dǎo)為零，即ID-VDS特性曲線的斜率也為零，如左下角圖所示。當繼續(xù)增大，使其大于（sat）時，溝道中的反型電荷為零的點移向源端。這時，電子從源端進入溝道，通過溝道流向漏端。在電荷

15、為零的點處，電子被注入空間電荷區(qū)，并被電場掃向漏端。如果假設(shè)溝道長度的變化L相對于初始溝道長度L而言很小，那么（sat）時漏電流為一常數(shù)，如右下角圖所示。24.襯底加偏置電壓會對器件工作造成怎樣的影響？答： 當在襯底加偏置電壓時，氧化層下面的空間電荷區(qū)寬度將從初始值XdT開始增加，對于n溝道MOSFET，當有VSB>0時，將會有更多的電荷與此區(qū)有關(guān)。考慮到MOS電中性的條件，金屬柵上的正電荷必須增多，以補償負空間電荷的增多，從而達到閾值反型點。對于p溝道MOSFET有同樣的效果，所以當襯底加偏置電壓時，會使MOSFET的閾值電壓增加（p溝道為閾值電壓絕對值增大）。25.什么是MOSFET

16、的亞閾特性？對電路工作有何影響？答：MOSFET的亞閾特性就是指在|VGS|VT時，漏源電流ID并不為零，也就是晶體管不能準確進入關(guān)斷狀態(tài)。 如果MOSFET被偏置在等于或稍低于閾值電壓時，漏電流并不為零。在含有數(shù)以百萬計的大規(guī)模集成電路中，亞閾值電流可以造成很大的功耗。26.為什么通常情況下反型層中載流子的遷移率不是常數(shù)？答：一是由于遷移率隨柵壓會發(fā)生改變；二是隨著載流子接近飽和速度這個極限，有效載流子遷移率將減小。這兩個原因?qū)е路葱蛯又械妮d流子的遷移率不會是常數(shù)。27.什么是速度飽和現(xiàn)象？它對MOSFET的I-V特性有何影響？答：在增大電場時，載流子的漂移速度不會無限地增大，當電場強度達到一定程度時，載流子的速度會出現(xiàn)飽和，這種現(xiàn)象叫做速度飽和現(xiàn)象。由于垂直電場與表面散射的影響，飽和速度會隨著所見柵壓而減小一些。速度飽和會導(dǎo)致ID(sat)和VDS(sat)的值比理想關(guān)系中的小些。ID