现代半导体器件物理复习题.docx

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现代半导体器件物理复习题

半导体器件物理复习题

1．简述Schrodinger波动方程的物理意义及求解边界条件。

2．简述隧道效应的基本原理。

3．什么是半导体的直接带隙和间接带隙。

4．什么是Fermi-Dirac概率函数和Fermi能级，写出n（E）、p（E）与态密度和Fermi概率函数的关系。

5．什么是本征Ferm能级？

在什么条件下，本征Ferm能级处于中间能带上。

6．简述硅半导体中电子漂移速度与外加电场的关系。

7．简述Hall效应基本原理。

解释为什么Hall电压极性跟半导体类型（N型或P型）有关。

8．定性解释低注入下的剩余载流子寿命。

9．一个剩余电子和空穴脉冲在外加电场下会如何运动，为什么？

10．当半导体中一种类型的剩余载流子浓度突然产生时，半导体内的净电荷密度如何变化？

为什么？

11．什么是内建电势？

它是如何保持热平衡的？

12．解释p-n结内空间电荷区的形成机理及空间电荷区宽度与外施电压的关系。

13．什么是突变结和线性剃度结。

14．分别写出p-n结内剩余少子在正偏和反偏下的边界条件。

15．简述扩散电容的物理机理。

16．叙述产生电流和复合电流产生的物理机制。

17．什么理想肖特基势垒？

用能带图说明肖特基势垒降低效应。

18．画出隧道结的能带图。

说明为什么是欧姆接触。

19．描述npn三极管在前向有源模式偏置下的载流子输运过程。

20．描述双极晶体管在饱和与截止之间开关时的响应情况。

21．画出一个n-型衬底的MOS电容在积聚、耗尽和反型模式下的能带图。

22．什么是平带电压和阈值电压

23．简要说明p-沟道器件的增强和耗尽型模式。

24．概述MESFET的工作原理。

25．结合隧道二极管的I-V特性，简述其负微分电阻区的产生机理。

26．什么是短沟道效应？

阐述短沟道效应产生的原因及减少短沟道效应的方法。

短沟道效应（shortchanneleffect）：

当金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFE）T的沟道长度L缩短到可与源和漏耗尽层宽度之和（WSWD）相比拟时，器件将发生偏离长沟道（也即L远大于WSWD）的行为，这种因沟道长度缩短而发生的对器件特性的影响，通常称为短沟道效应。

由于短沟道效应使MOSFET的性能变坏且工作复杂化，所以人们希望消除或

减小这个效应，力图实现在物理上是短沟道的器件，而在电学上仍有长沟道器件的特性。

当器件尺寸缩减时,必须将短沟道效应降至最低程度,以确保正常的器件特性及电路工作在器件按比例缩小设计时需要一些准则，一个简要维持长沟道特性的方法为将所有的尺寸及电压，除上一按比例缩小因素К（>1），如此内部电场将保持如同长沟道MOSFET一般，此方法称为定电场按比例缩小（constant-fieldscaling）[

随器件尺寸的缩减，其电路性能（速度以及导通时的功率损耗）得到加强§．然而，在实际的IC制作中，较小器件的内部电场往往被迫增加而很难保持固定．这主要是因为一些电压因子（如电源供

电、阈值电压等）无法任意缩减．由于亚阈值摆幅是无法按比例缩小的，所以，假若阈值电压过低，则关闭态（offstate）（VG=0）的漏电流将会显著增加，

因此，待机功率（standbypower）损耗亦将随之上升[12]．通过按比例缩小规范，方能制造出拥有沟道长度短至20nm、非常高的跨导（>1000ms／mn）以及合理的亚阈值摆幅（约120mV／decade）[13]的MOSFE．T

27．简述闩锁效应产生的原因及减少闩锁效应的方法。

28．什么是分布式反转?

说明分布式反转产生的条件.

29．如果一个晶体平面在直角坐标下的坐标分别为2a、3a和4a，其中a为晶格常数，

试求晶体平面的Miller指数。

30．在室温下（300K）硅和砷化镓半导体价带中的有效态密度分别为2.66×1019cm-3

和7×1018cm-3,试求空穴的有效质量。

31．在半导体中存在两种散射机理。

如果只有第一种散射存在，电子迁移率为250

cm2/V-s。

如果只有第二种散射存在，电子迁移率为500cm2/V-s。

试求两种散射同时存在时的电子迁移率。

32．已知半导体的施主掺杂浓度为ND（ND》ni），电阻为R1。

如果该半导体的受主掺杂浓度为NA,则电阻为0.5R1。

如果Dn/Dp=50，试求NA和ND的关系。

33．一种n型半导体的剩余载流子空穴的浓度为1014cm-3和，半导体内及表面的少子

寿命分别为10-6s和10-7s，假设无外施电场且Dp=10cm2/s。

试确定从半导体表面处（x=0）开始的剩余载流子浓度随距离变化的函数。

34．一个扩散形成的线性缓变Sip-n结在p端的杂质浓度梯度a=1019cm-4，在n-端的均匀掺杂浓度为3×1014cm-3。

如果在零偏下p端的耗尽层宽度为0.8μm，试求零偏下的总耗尽层宽度、内建电势和最大电场。

35．一个硅p-n-p晶体管发射区、基区和集电区的杂质浓度分别为5×1018、2×1017

和1016cm-3。

基区宽度为1.0μm，器件截面积为0.2mm2。

当射-基结前向偏置为0.5V，基-集电结反向偏置为0.5V，试计算：

a）中性区宽度。

b）射-基结的少子浓度。

36．对于一个d=5nm和NA=1017cm-3的理想Si-SiO2MOS二极管,求使得硅表面为本征性的界面处的外施电压和电场。

37．设一长沟道MOSFET的参数如下：

16-32-72

L=1μm,Z=10μm,NA=5×1016cm-3,μn=800cm2/V-s,Co=3.45×10-7F/cm2,VT=0.7V求VG=5V时的VDsat和IDsat。

38．假设势垒高度为0.8eV，ND=1.5×1016cm-3,qχ=4.01eV，计算一个理想金属-硅肖特基势垒接触时的Vbi和Φm。

39．1）从物理上解释在反偏p-n结中扩散电容不重要的原因。

2）对于Si,Ge和GaAs的p-n结，如果其二极管在正向偏置下的总电流密度相同，讨论电子和空穴电流密度值。

40．如果一个硅突变结两边的施主浓度和受主浓度相等，1）根据临界电场和掺杂浓度

推导击穿电压表达式。

2）如果击穿电压VB＝50V，确定容许掺杂浓度范围。

41．概略画出简并掺杂正向偏置pn结的能带图，并说明分布反转发生的条件。

42．什么是负微分电阻？

简述负微分电阻区产生的条件及其对器件速度的影响。

8说出空间电荷区边缘少子浓度的边界条件。

当p区相对于n区加正电压时，pn结内的势垒降低了。

热平衡状态时扩散力与电场力的精确平衡被打乱了。

阻止多数载流子穿越空间电荷区的电场被削弱；n区内的多姿电子被注入到p区，而p区内的多子空穴被注入到n区。

值要外加偏压Va存在，穿越空间电荷区的载流子注入就一直持续，pn结就形成了一股电流。

由于采用小注入假设，多子浓度基本保持不变。

少子浓度会偏离热平衡值好几个数量级，也就说，形成了过剩少子。

9短沟道效应：

随着沟道长度减小，沟道区中由栅压控制的电荷将变小。

随着漏电压的增大，漏端的反偏空间电荷区会更严重地延伸到沟道区，从而栅压控制的体电荷变得更少，阈值电压向负方向偏移，从而使得n沟道MOSFET向耗尽模式转变。

10描述双极晶体管的击穿机制。

双极性晶体管中，有两种击穿机制。

第一种称为穿通。

随着反偏B-C结电压的增加，B-C空间电荷区宽度扩展进中性区。

B-C结耗尽区穿通基区而到达B-E结，这种现象称为穿通。

当B-C结电压较小时，B-E结势垒还未受到影响；于是晶体管的电流几乎还是为零。

当反偏电压VR2较大时，耗尽区向基区扩散，B-E结势垒由于B-C结电压而降低。

B-E结势垒的降低会使得B-C结电压的微小变化，电流会有很大变化。

这种现象称为穿通击穿现象。

第二种击穿机制为雪崩击穿，但是需要考虑晶体管的增益。

反偏B-C结电流的一部分是由从集电区流向基区中的空穴形成的。

进入基区的空穴流使基区相对于发射区显正电性，从而使B-E结正偏。

正偏的B-E结产生电流，从发射区注入倒基区中的电子电流是其主要部分。

注入的电子越过基区想B-C结扩散。

这些电子会遇到双极性晶体管中所有可能的复合过程。

当电子到达B-C结时，其电流成分为α倍的晶体管电流。

当晶体管偏置在基极开路模式时，反偏结电流倍放大了β倍。

1.电荷贮存效应

当pn结外加正偏电压时，载流子向空间电荷区注入，致使p区和n区内均存在过剩少数载流子，，空间电荷区边缘处的过剩少子浓度由正偏pn结电压维持。

当外加电压由正偏变为反

偏时，空间电荷区边缘处的过剩少子浓度开始衰减，pn结内存储的过剩少数载流子被移走，即电容放电，这种效应叫电荷贮存效应。

2.电流集边效应

基区存在一横向电压降，导致发射区下面存在横向电势差，随着基区中从边缘到中心的横向电压降，相对于中心，会有较多的电子从边缘注入，从而使发射极电流集中在边缘，这种效应叫发射极电流集边效应，或基区电阻自偏压效应。

为避免这种效应，晶体管的发射极应设计的较窄，并做成交叉结构。

3.JFET工作原理在正常工作条件下，反向偏压加于栅极，使得pn结空间电荷区向沟道内部扩展，沟道宽度变窄，沟道电阻增加，这样源和漏极之间流过的电流就可以由栅压调制，这就是JFET的工作原理。

4.MOSFET的工作原理

MOSFET中的电流是由反型层载流子在源漏之间的流动形成的。

通过调节栅源电压来控制反型层厚度，进而调节反型层电荷密度和沟道电导，当晶体管偏置在非饱和区时，漏电流是栅源电压和漏源电压的函数；当晶体管偏置在饱和区时，漏电流仅受栅源电压影响。

这就是MOSFET的工作原理。

5.MESFET的工作原理在栅源极之间加一电压，可以调节金属栅极下面的空间电荷区宽度，进而调节沟道电导，这样，源和漏极之间流过的电流就可以由栅压控制。

这就是MESFET的工作原理。

6.亚阈值特性

在MOSFET中当栅源电压小于阈值电压时，晶体管被偏置在弱反型模式下，由于亚阈值电导而产生一个较明显的静态偏置电流，即漏电流不为零，漏电流由扩散机制而非漂移机制控制。

这种特性称为亚阈值特性。

亚阈值电流特点：

a由扩散机制而非漂移机制控制b衬底浓度不同，亚阈值电流不同。

7.沟道长度调制效应

当MOSFET工作于饱和区时，由于漏极处的耗尽区进入了沟道区，有效沟道长度会随着漏电压的增大而减小。

漏电流与沟道长度成反比，称为漏源电压的函数。

该效应称为沟道长度调制效应。

8.短沟道效应

对于短沟道MOSFET器件，随着漏电压的增大，源漏空间电荷区会严重的延伸到沟道区，致使有效沟道长度变短，栅压控制的体电荷减少，从而造成阈值电压的偏移。

这种效应称为短沟道效应。

9.窄沟道效应

对于MOSFET，在沟道宽度的两侧有一个附加的空间电荷区，这些附加的电荷受栅压控制，应算到总体电荷中。

随着沟道宽度的减小，边缘空间电荷区的影响变的显著，致使阈值电压发生偏移，这种效应称为窄沟道效应。

10.基区宽度调制效应，又称厄尔利效应

对于双极晶体管，随着B-C结反偏电压的增加，B-C结空间电荷区宽度增加，以致扩展进基区，使得基区宽度减小。

基区宽度的变化使得勺子浓度梯度发生变化，从而引起集电极电流发生变化，这种效应称为——

11.外加正偏电压的pn结内电荷穿过空间电荷区电流的机制

当pn结外加正偏电压时，pn结内的势垒降低了，所有的压降几乎都落在pn结区域，外加电场方向与空间电荷区热平衡电场方向相反，所以空间电荷区的净电场要低于热平衡值，阻止多数载流子穿越空间电荷区的电场被削弱，n区内的多子电子被注入到p区，p区内的多子空穴被注入到n区。

只要外加偏压存在，这种多子注入就一直持续，pn结内就形成了一股电流。

12.pn结空间电荷区的形成过程

两区接触后，由于存在浓度差，结面附近的空穴从浓度高的p区向浓度低的n区扩散，留下带负电的电离受主杂质，使得结面p区一侧出现负的空间电荷；同样，结面附近的电子从浓度高的n区向浓度低的p区扩散，使得结面n区一侧出现正的空间电荷。

由此产生扩散电流，方向从p区指向n区，并形成空间电荷区，空间电荷区的电场为内建电场，方向由n区指向p区，这个电场使空穴和电子发生漂移运动，产生漂移电流，方向与扩散电流相反。

随着扩散的进行，空间电荷区逐渐变宽，内建电场逐渐增强，漂移电流也逐渐增大。

当漂移电流等于扩散电流时，流过pn结的净电流为零，达到平衡状态，此时空间电荷区和内建电场强度也达到一个稳定值。

13.发射区禁带变窄随着发射区浓度对基区掺杂浓度比值的增加，发射极注入效率会增加并接近于1.随着硅变得重掺杂，n型发射区中的分立施主能级会分裂为一组能带。

随杂质施主原子浓度的增加，施主原子的距离变小。

随着掺杂浓度的持续增加，施主能带变宽，变得倾斜，向导带移动，并最终和它合并在一起，此时，有效禁带宽度减小，这种效应称为发射区禁带变窄。

14.大注入效应

当电压VBE很大时，发射区注入到基区的载流子多于基区的多子浓度，由于电中性，在基区靠近发射区边缘处多子浓度大量增加，使得基区扩散到发射区的电流增大，导致发射区的注入系数减小，这种效应称为大注入效应

第12章金属-氧化物-半导体场效应晶体管概念的深入热电子：

由于在高场强中被加速，能量远大于热平衡时的值的电子。

轻掺杂漏（LDD）：

为了减少电压击穿效应，在紧临沟道处制造一轻掺杂漏区的MOSFET。

窄沟道效应：

沟道宽度变窄后阈值电压的偏移。

源漏穿通：

由于漏-源电压引起的源极和衬底之间的势垒高度降低，从而导致漏电流的迅速增大。

寄生晶体管击穿：

寄生双极晶体管中电流增益的改变而引起的MOSFET击穿过程中出线的负阻效应。

亚阈值导电：

当晶体管栅偏置电压低于阈值反型点时，MOSFET中的导电过程。

什么是亚阈值电导？

它对MOSFET的I-V特性有什么影响？

是指在MOSFET中当栅－源电压小于阈值电压时漏电流不为零。

这种情况下，晶体管被偏置弱反型模式下，漏电流由扩散机制而非漂移机制控制。

亚阈值电导会使I-V曲线在VT时不满足线性关系。

表面散射：

当载流子在源极和漏极漂移时，氧化层-半导体界面处载流子的电场吸引作用和库仑排斥作用。

阈值调整：

通过离子注入改变半导体掺杂浓度，从而改变阈值电压的过程。

分析当mos管反型层形成时空间电荷宽度达到最大值的原因。

Φs=2Φfp时。

表面处的费米能级远在本征费米能级之下。

表面出的电子浓度等于体内空穴浓度，该条件称为阈值反型点，锁甲的电压称为阈值电压。

然而，表面电子浓度是表面势的指数函数。

表面势每增加数伏特，将使电子浓度以10的幂次方增加，但是空间电荷区宽度的变化却是微弱的。

在这种情况下，空间电荷区已经达到了最大值。

第11章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础堆积层电荷：

由于热平衡载流子浓度过剩而在氧化层下面产生的电荷。

体电荷效应：

由于漏源电压改变而引起的沿沟道长度方向上的空间电荷宽度改变所导致的漏电流偏离理想情况。

沟道电导：

当VDS->0（漏源压）时漏电流与漏源电压之比。

沟道电导调制：

沟道电导随栅源电压改变的过程。

CMOS：

互补MOS；将p沟和n沟器件制作在同一芯片上的电路。

截止频率：

输入交流栅电流等于输出交流漏电流时的信号频率。

分别定义mos管n沟，p沟增强型和耗尽型器件。

N沟增强型：

增强的含义为氧化层下面的半导体衬底在零偏压时不是反型的。

需要加正偏压才能产生电子反型层，从而把n型源区和n型漏区连接起来。

载流子从源端流向漏端。

N沟耗尽型：

栅压为0时氧化层下面已经存在电子反型层。

p沟增强型：

必须加负栅压才能产生空穴反型层，从而连接p型源区和漏区。

空穴从源区流向漏区，因此电流将流入源区而流出漏区

p沟耗尽型：

零栅压时空穴反型层已经存在p沟道。

平带电压：

平带条件发生时所加的栅压，此时在氧化层下面的半导体中没有空间电荷区。

描述平带电压的意义。

平带电压定义为使半导体内没有能带弯曲时所加的栅压，此时的净空间电荷为0。

由于功函数差和在氧化物中

可能存在的陷阱电荷，此时穿过氧化物的电压不一定为0.

定义VDS（sat）

VDS（sat）是在漏端产生零反型层电荷密度的漏源电压。

反型层电荷：

氧化层下面产生的电荷，它们与半导体掺杂的类型是相反的。

描述MOS电容器中反型层电荷的产生过程。

更大偏压时，MOS电容的负电荷的增多表示更大的空间电荷区以及能带弯曲程度的增大，表面处的本证费米能级低于费米能级；从而，导带比价带更接近费米能级。

该结果表明了与氧化物-半导体界面相邻的半导体表面呈

现出n型半导体的特点。

通过施加足够大的正栅压，半导体表面已经从p型转化为n型了，从而产生了氧化物-

半导体界面处的电子反型层。

反型层迁移率：

反型层中载流子的迁移率。

最大空间电荷区宽度：

阈值反型时氧化层下面的空间电荷区宽度。

金属-半导体功函数差：

金属功函数和电子亲合能之差的函数，用ΦMS表示。

临界反型：

当栅压接近或等于阈值电压时空间电荷区宽度的微弱改变，并且反型层电荷密度等于掺杂浓度时的情形。

栅氧化层电容：

氧化层介电常数与氧化层厚度之比，表示的是单位面积的电容记为Cox。

饱和：

在漏端反型电荷密度为零且漏电流不再是漏源电压的函数的情形。

强反型：

反型电荷密度大于掺杂浓度时的情形。

阈值反型点：

反型电荷密度等于掺杂浓度时的情形。

阈值电压：

达到阈值反型点所需的栅压。

定义阈值电压。

阈值电压定义为达到阈值反型点时所需的栅压。

阈值反型点的定义是，对于p型器件当表面势Φs=2Φfp时或对于n型器件当表面势Φs=2Φfn的器件状态。

跨导：

漏电流的改变量与其对应的栅压改变量之比。

弱反型：

反型电荷密度小于掺杂浓度时的情形。

第10章双极性二极管

縱ㄨī发表于2008年06月17日01:

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α截止频率：

共基极电流增益幅值变为其低频值的1/根号二时的频率，就是截止频率。

禁带变窄：

随着发射区重掺杂，禁带的宽度减少。

基区渡越时间：

少子通过中性基区所用的时间。

基区输运系数：

共基极电流增益中的一个系数，体现了中性基区中载流子的复合。

基区宽度调制效应：

随C-E结电压或C-B结电压的变化，中性基区宽度的变化。

β截止频率：

共发射极电流增益幅值下降到其频率的1/根号二时的频率。

解释限制电流增益的各种因素的物理机理。

发射极注入效率γ考:

虑了发射区中的少子空穴扩散电流对电流增益的影响。

该电流是发射极电流的一部分，但是它对晶体管的工作没有作用，因为Ipe不是集电极电流的一部分。

基区输运系数αT考虑了基区中过剩少子电子的复合影响。

理想情况下，我们希望基区中没有复合。

复合系数δ考虑了正偏B-E结中的复合影响。

电流JR对发射极电流有贡献，但是对集电结电流没有贡献共基极电流增益是发射极注入效率系数，基极输运系数，复合系数的乘积。

它反应了集电极电流与法发射极电流之比

共发射极电流增益为β=α（/α-1）集电结电容充电时间：

随发射极电流变化，B-C结空间电荷区和集电区-衬底结空间电荷区宽度发生变化的时间常数。

集电结耗尽区渡越时间：

载流子被扫过B-C结空间电荷区所需的时间。

共基极电流增益：

集电极电流与发射机电流之比。

共发射极电流增益：

集电极电流与基极电流之比。

电流集边：

基极串联电阻的横向压降使得发射结电流为非均匀值。

截止：

晶体管两个结均加零偏或反偏时，晶体管电流为零的工作状态。

截止频率：

共发射极电流增益幅值为1时的频率。

E-B结电容充电时间：

发射极电流的变化引起B-E结空间电荷区宽度变化所需的时间。

发射极注入效率系数：

共基极电流增益的一个系数，描述了载流子从基区向发射区的注入。

输出电导：

集电极电流对C-E两端电压的微分之比。

第8章pn结二极管

縱ㄨī发表于2008年06月17日01:

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雪崩击穿：

电子和（或）空穴穿越空间电荷区时，与空间电荷区内源自的电子发生碰撞产生电子-空穴对，

在pn结内形成一股很大的反偏电流，这个过程称为雪崩击穿。

描述pn结的雪崩击穿的机制。

在重掺杂pn结内，当电子和空穴穿越空间电荷区时，由于电场的作用，它们的能量会增加。

当他们的能量大到一定程度并与耗尽区原子内的电子发生碰撞时，便会产生新的电子-空穴对。

新的电子与空穴又撞击其

他原子内的电子，于是就发生了雪崩效应，此时的击穿称为雪崩击穿。

载流子注入：

外加反偏电压时，pn结体内载流子穿过空间电荷区进入p区或n区的过程。

临界电场：

发生击穿时pn结空间电荷区的最大电场强度。

扩散电容：

正偏pn结由于少子的存储效应而形成的电容。

描述什么是扩散电阻与电容。

二极管外加直流正偏电压上叠加一个小的低频正弦电压，则直流电流上就产生了叠加小信号正弦电流。

正弦电流与电压的比值称为增量电导。

当正弦电压与电流无限小时，小信号增量电导就是直流电流-电压的斜

率。

增量电导的倒数即为增量电阻增量电阻又称为扩散电阻。

假设交流电压的周期大于载流子扩散到n区所用的时间，那么空穴浓度相对于距离的函数就可以堪称是一个稳态分布。

在不同时态的稳态浓度分布，总的效果可看做在交流电压的周期内轮流充放电荷的过程，这个过程产生了电流，称为扩散电容。

正偏pn结的扩散电容比其势垒电容要大的多。

扩散电导：

正偏pn结的低频小信号正弦电流与电压的比值。

正偏：

p区相对于n区加正电压。

此时结两侧的电势差要低于热平衡时的值。

产生电流：

pn结空间电荷区由于电子-空穴对热产生效应形成的反偏电流。

复合电流：

穿越空间电荷区时发生复合的电子与空穴所产生的正偏pn结电流。

描述pn结内的产生与复合电流。

实际中，由于反偏空间电荷区的电子浓度与空穴浓度为零，复合中心能级产生了电子与空穴，这些电子与空穴试图重新建立热平衡。

电子与空穴一经产生，就被电场扫出空间电荷区。

电荷流动方向为反偏电流方向。

由空间电荷区电子与空穴的产生所引起的反偏产生电流密度不再与反偏电压无关。

当pn结外加正偏电压时，电子与空穴会穿过空间电荷区注入倒相应的区域，空间电荷区有过剩载流子。

因此电子与空穴在穿越空间电荷区时有可能发生复合，并不称为少子分布的一部分。

长二极管：

电中性p区与n区的长度大于少子扩散长度的