半導(dǎo)體器件試題

1、-WORD 格式-可編輯-專業(yè)資料- 作業(yè)三答案、名詞解釋(1)單邊突變結(jié)：假設(shè)pn結(jié)面兩側(cè)為均勻摻雜,即由濃度分別為Na和Nd的p型半 導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的pn結(jié),稱為突變結(jié).假設(shè)一邊摻雜濃度遠(yuǎn)大于另一邊 摻雜濃度,即Na Nd或NdNa,這種pn結(jié)稱為單邊突變結(jié).(2)大注入：注入的非平衡載流子濃度與平衡多子濃度相比較甚至大于平衡多子 濃度的情況稱為大注入.(3)小信號(hào)：信號(hào)幅度很小,滿足條件 V(kT/e)=26 mV.(4)雪崩擊穿：在反向偏置時(shí),勢(shì)壘區(qū)中電場(chǎng)較強(qiáng).隨著反向偏壓的增加,勢(shì)壘區(qū)中電場(chǎng)會(huì)變得很強(qiáng),使得電子和空穴在如此強(qiáng)的電場(chǎng)加速作用下具有足夠大的動(dòng)能,以至于它們與勢(shì)壘區(qū)內(nèi)

2、原子發(fā)生碰撞時(shí)能把價(jià)鍵上的電子碰撞出來成 為導(dǎo)電電子,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴.新產(chǎn)生的電子、空穴在強(qiáng)電場(chǎng)加速作用下又 會(huì)與品格原子碰撞轟擊出新的導(dǎo)電電子和空穴,如此連鎖反響好比雪崩一樣.這種載流子數(shù)迅速增加的現(xiàn)象稱為倍增效應(yīng).如果電壓增加到一定值引起 倍增電流趨于無窮大,這種現(xiàn)象叫雪崩擊穿.(5)齊納擊穿對(duì)重?fù)诫sPN結(jié),隨著結(jié)上反偏電壓增大,可能使 P區(qū)價(jià)帶頂高于N區(qū)導(dǎo)帶 底.P區(qū)價(jià)帶的電子可以通過隧道效應(yīng)直接穿過禁帶到達(dá) N區(qū)導(dǎo)帶,成為導(dǎo) 電載流子.當(dāng)結(jié)上反偏電壓增大到一定程度,將使隧穿電流急劇增加,呈現(xiàn)擊 穿現(xiàn)象,稱為隧道擊穿,又稱為齊納擊穿.(6)勢(shì)壘電容當(dāng)PN結(jié)外加電壓變化時(shí),引起勢(shì)壘區(qū)的空

3、間電荷的變化,即耗盡層的電荷量 隨外加電壓而增多或減少,這種現(xiàn)象與電容器的充、放電過程相同.耗盡層寬 窄變化所等效的電容稱為勢(shì)壘電容.(7)擴(kuò)散電容對(duì)于正偏pn結(jié),當(dāng)外加偏壓增加時(shí),注入 n區(qū)的空穴增加,在n區(qū)的空穴擴(kuò) 散區(qū)內(nèi)形成空穴積累.電子注入p區(qū)情形類似.這種擴(kuò)散區(qū)中的電荷隨外加偏 壓變化而變化所產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)等效為電容,稱為擴(kuò)散電容.(8)耗盡層近似-完整版學(xué)習(xí)資料分享-WORD 格式-可編輯-專業(yè)資料-在空間電荷區(qū)中,與電離雜質(zhì)濃度相比,自由載流子濃度可以忽略,稱為耗盡 層近似.9空間電荷區(qū)復(fù)合電流和產(chǎn)生電流？正偏壓pn結(jié)空間電荷區(qū)邊緣處的載流子濃度增加,以致 pn n：.這些過

4、量載 流子穿越空間電荷區(qū),使得載流子濃度超過平衡值,因此在空間電荷區(qū)中這些 過量載流子會(huì)有復(fù)合,所產(chǎn)生的電流叫做空間電荷區(qū)復(fù)合電流.pn結(jié)在反向偏壓的作用下,空間電荷區(qū)中 pn n2 ,于是會(huì)有載流子產(chǎn)生.產(chǎn) 生的載流子在反向偏壓的作用下形成 pn結(jié)的反向電流一空間電荷區(qū)產(chǎn)生電 流.、簡(jiǎn)做題1.對(duì)于實(shí)際的Si pn結(jié)：正向電流和反向電流分別主要包含哪些不同性質(zhì)的電流分量？正向電流與溫度和摻雜濃度的關(guān)系分別怎樣？反向電流與溫度和摻雜濃度的關(guān)系分別怎樣？正向電壓與溫度和摻雜濃度的關(guān)系分別怎樣？答：對(duì)于實(shí)際的Si pn結(jié),正向電流主要包括有少數(shù)載流子在兩邊擴(kuò)散區(qū)中的擴(kuò)散電流和勢(shì)壘區(qū)中復(fù)合中央的復(fù)合電

5、流, 在小電流時(shí)復(fù)合中央的復(fù)合電流將起 重要作用；反向電流主要包括有少數(shù)載流子在兩邊擴(kuò)散區(qū)中的反向擴(kuò)散電流和勢(shì) 壘區(qū)中復(fù)合中央的產(chǎn)生電流,但在大小上,pn結(jié)的反向電流往往是復(fù)合中央的產(chǎn) 生電流為主.影響Si pn結(jié)正向電流溫度關(guān)系的主要是擴(kuò)散電流分量復(fù)合電 流的溫度關(guān)系較小.當(dāng)溫度升高時(shí),勢(shì)壘高度降低,那么注入的少數(shù)載流子濃度 增加,并使得少數(shù)載流子的濃度梯度增大,所以正向電流隨著溫度的升高而增大溫度每增加10 °C,正向電流約增加一倍.正向電流將隨著摻雜濃度的提升而 減小,這主要是由于勢(shì)壘高度增大、使得少數(shù)載流子的濃度梯度減小了的緣故.雖然通過Si pn結(jié)的反向電流主要是復(fù)合中央的

6、產(chǎn)生電流,但是就隨著溫度的 變化而言,起作用的主要是其中少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流分量產(chǎn)生電流的溫度關(guān) 系較小.當(dāng)溫度升高時(shí),由于平衡少數(shù)載流子濃度增大,使得少數(shù)載流子的濃 度梯度增大,所以反向電流隨著溫度的升高而增大溫度每升高6 °C,反向電流-完整版學(xué)習(xí)資料分享-WORD 格式-可編輯-專業(yè)資料-增大一倍.當(dāng)摻雜濃度提升時(shí),由于平衡少數(shù)載流子濃度減小,使得少數(shù)載流 子的濃度梯度降低,所以反向電流隨著摻雜濃度的提升而減小. pn結(jié)的正向電 壓將隨著溫度的升高而降低,這是由于勢(shì)壘高度降低了的緣故正向電壓的溫度 變化率2 mV/C; pn結(jié)的正向電壓將隨著摻雜濃度的提升而增大,這是由于 勢(shì)壘

7、高度提升了的緣故.2 .簡(jiǎn)要的答復(fù)并說明理由： pn結(jié)的勢(shì)壘電容與電壓和頻率分別有何關(guān)系？pn結(jié)的擴(kuò)散電容與電壓和頻率分別有何關(guān)系？答：pn結(jié)的勢(shì)壘電容是勢(shì)壘區(qū)中空間電荷隨電壓而變化所引起的一種效應(yīng)微分電容,相當(dāng)于平板電容.反向偏壓越大,勢(shì)壘厚度就越大,那么勢(shì)壘電容越小.加有正向偏壓時(shí),那么勢(shì)壘厚度減薄,勢(shì)壘電容增大,但由于這時(shí)正偏pn結(jié)存在有導(dǎo)電現(xiàn)象,不便確定勢(shì)壘電容,不過一般可認(rèn)為正偏時(shí)pn結(jié)的勢(shì)壘電容等于零偏時(shí)勢(shì)壘電容的4倍.pn結(jié)的勢(shì)壘電容與頻率無關(guān)：由于勢(shì)壘電容在本質(zhì)上是多數(shù)載流 子數(shù)量的變化所引起的,而多數(shù)載流子數(shù)量的變化是非常快速的過程,所以即使在 高頻信號(hào)下勢(shì)壘電容也存在,因此

8、不管是高頻還是低頻工作時(shí),勢(shì)壘電容都將起著 重要的作用.pn結(jié)的擴(kuò)散電容是兩邊擴(kuò)散區(qū)中少數(shù)載流子電荷隨電壓而變化所引 起的一種微分電容效應(yīng),因此擴(kuò)散電容是伴隨著少數(shù)載流子數(shù)量變化的一種特性.正向電壓越高,注入到擴(kuò)散區(qū)中的少數(shù)載流子越多,那么擴(kuò)散電容越大,因此擴(kuò)散電 容與正向電壓有指數(shù)函數(shù)關(guān)系.又由于少數(shù)載流子數(shù)量的變化需要一定的時(shí)間 t 產(chǎn) 生壽命或者復(fù)合壽命的時(shí)間,當(dāng)電壓信號(hào)頻率f較高送f > 1/t時(shí),少數(shù)載流 子數(shù)量的增、減就跟不上,那么就呈現(xiàn)不出電容效應(yīng),所以擴(kuò)散電容只有在低頻下才 起作用.3 .畫出正偏PN結(jié)的能帶圖以及PN結(jié)電流的分布圖象包括少子與多子的電流,并說明PN結(jié)的電

9、流中少子電流與多子電流是如何轉(zhuǎn)換的？正偏PN結(jié)的能帶圖：-完整版學(xué)習(xí)資料分享WORD格式-可編輯-專業(yè)資料P型；電子中性區(qū)；擴(kuò)散區(qū)勢(shì)空區(qū)空穴 ；N型擴(kuò)散區(qū)1中性區(qū)正向偏壓P畸PN電流的分布圖象包括少子與多子的電流器r空穴電犍多子電子電流電子獷散電流空穴擴(kuò)散電流正偏下pn結(jié)內(nèi)的理想電子電流與空穴電流成分正偏電流圖像：當(dāng)電流由p區(qū)歐姆接觸進(jìn)入時(shí),幾乎全部為空穴的漂移電流；空穴在外電場(chǎng)作用下 向電源負(fù)極漂移；由于少子濃度遠(yuǎn)小于多子濃度可以認(rèn)為這個(gè)電流完全由多子空穴 攜帶.空穴沿x方向進(jìn)入電子擴(kuò)散區(qū)以后,一局部與 n區(qū)注入進(jìn)來的電子不斷地復(fù) 合,其攜帶的電流轉(zhuǎn)化為電子擴(kuò)散電流；另一局部未被復(fù)合的空穴繼

10、沿 x方向漂移, 到達(dá)Xp的空穴電流,通過勢(shì)壘區(qū)；假設(shè)忽略勢(shì)壘區(qū)中的載流子產(chǎn)生-復(fù)合,那么可看成它全部到達(dá)了 Xn處,然后以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)向前,在n區(qū)中的空穴擴(kuò)散區(qū)內(nèi)形成空-完整版學(xué)習(xí)資料分享-WORD 格式-可編輯-專業(yè)資料-穴擴(kuò)散流；在擴(kuò)散過程中,空穴還與 n區(qū)漂移過來的電子不斷地復(fù)合,使空穴擴(kuò)散 電流不斷地轉(zhuǎn)化為電子漂移電流；直到空穴擴(kuò)散區(qū)以外,空穴擴(kuò)散電流全部轉(zhuǎn)化為 電子漂移電流.忽略了少子漂移電流后,電子電流便構(gòu)成了流出n區(qū)歐姆接觸的正向電流.4.對(duì)PN結(jié)解連續(xù)性方程基于哪幾個(gè)根本假設(shè)得到下述 I - V特性?I=A(eDnnp°LneDp pn0LPeV)(e"1

11、)請(qǐng)說明實(shí)際伏安特性與上述表達(dá)式給出的理想伏安特性的主要差異以及導(dǎo)致這些 差異的主要原因(只要求說明原因,不要求具體解釋).答：上述PN結(jié)I-V特性是針對(duì)符合以下假設(shè)條件的理想 pn結(jié)模型得到的.(a)小注入.指注入的少數(shù)載流子濃度比相應(yīng)各區(qū)中平衡多子濃度小得多.在 n區(qū)中要求？p<<nno,在p區(qū)中要求？n<<ppo.nno和ppo分別為n和p區(qū)平 衡電子和空穴濃度.(b)耗盡層近似.即空間電荷區(qū)中載流子全部耗盡,因此該區(qū)中的電荷只是離 化雜質(zhì)濃度.這樣空間電荷區(qū)是個(gè)高阻區(qū),外加電壓全部降落在結(jié)上,在 空間電荷區(qū)以外的中性區(qū)中少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)純?yōu)閿U(kuò)散. 不考慮耗盡層中

12、的載流子產(chǎn)生和復(fù)合作用.因此電子和空穴電流在通過耗 盡層過程中保持不變.(d)在有外加電壓作用的情況下,耗盡層邊界處載流子濃度分布滿足玻耳茲曼 分布式.實(shí)際PN結(jié)伏安特性與理想特性的主要差異是：(a)正向特性小電流范圍實(shí)際電流大于理論值,而且電流與電壓之間的關(guān)系為 exp(eV/2kT)-1.原因是小電流時(shí)勢(shì)壘區(qū)實(shí)際存在的復(fù)合電流不可以忽略.(b)正向特性大電流范圍實(shí)際電流小于理論值,而且電流與電壓之間的關(guān)系為 exp(eV/2kT)-1.原因是大電流時(shí)小注入條件不再成立,出現(xiàn)大注入效應(yīng), 在空間電荷區(qū)以外的區(qū)域產(chǎn)生自建場(chǎng).在更大電流范圍,空間電荷區(qū)以外 區(qū)域的電壓降不再可以忽略.(c)在反向

13、偏置時(shí),實(shí)際反向電流大于理論值,而且不“飽和.原因是反 向時(shí)勢(shì)壘區(qū)存在產(chǎn)生而形成勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流；此外還存在外表復(fù)合電流等影-完整版學(xué)習(xí)資料分享WORD格式-可編輯-專業(yè)資料響.5.畫出PN結(jié)二極管交流小信號(hào)等效電路圖包括串聯(lián)電阻、直流電導(dǎo)-擴(kuò)散電阻的倒數(shù)、耗盡層電容和擴(kuò)散電容,分別給出它們的定義和主要的影響因素.Vl1UU.耗盡層電容Cj :定義：pn結(jié)空間電荷隨偏壓變化所引起的電容.主要的影響因素：偏壓擴(kuò)散電容Cd :定義：pn結(jié)正向注入的貯存電荷隨偏壓變化而引起的電容.主要的影響因素：頻率的影響-高頻時(shí)可以忽略,低頻時(shí)變大偏壓的影響-隨正偏壓增大而增大直流電導(dǎo)gd :定義：擴(kuò)散電阻rd p

14、n結(jié)的直流電阻的倒數(shù).主要的影響因素：擴(kuò)散電流.與擴(kuò)散電流高的正偏電壓成正比.反偏電壓 時(shí)很小.用聯(lián)電阻%：定義：半導(dǎo)體電中性區(qū)和接觸上的電壓降引起的電阻.主要的影響因素：半導(dǎo)體電中性區(qū)電阻和歐姆接觸電阻.電流的影響：大電流高的正偏電壓下的作用顯著.-完整版學(xué)習(xí)資料分享WORD格式-可編輯-專業(yè)資料6.畫出PN結(jié)正向和反向偏壓情況下的能帶圖.正向偏壓:反向偏壓:7.畫出理想PN結(jié)正反向偏壓情況下少數(shù)載流子分布和少數(shù)載流子-完整版學(xué)習(xí)資料分享-WORD 格式-可編輯-專業(yè)資料-電流分布,并寫出空間電荷區(qū)邊緣少數(shù)載流子濃度大小.理想PN結(jié)正向偏壓情況下少數(shù)載流子分布：理想PN結(jié)反向偏壓情況下少數(shù)載

15、流子分布:理想PN結(jié)正向偏壓情況下少數(shù)載流子電流分布-完整版學(xué)習(xí)資料分享WORD格式-可編輯-專業(yè)資料電流宙度t* * 0 /小了空穴電流擊手電子電讀甩手獷航電流空穴獷瓶電雒正偏下四結(jié)內(nèi)的理想電子電流與空穴電流成分三、計(jì)算題1 .從 J n eDn dxennE式,證實(shí)處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)處處證實(shí):Jnen nE eDn 電 dxDnkTeJnennE kT ndn dxEf EcNcexp()kTdEFdEcdndxNcexp(n (dEF kT dxef Ec)dx dx kTkTdEc)dxJn ennEkTennEn( dEF dxennE1/EfeG-完整版學(xué)習(xí)資料分享WO

16、RD格式-可編輯-專業(yè)資料dEcdxd e (x)e3 eEdxdxJnennEJnennEdEFdxdEFdx對(duì)于熱平衡時(shí),T 0,dx1否 一(一 e dx1 dEFe dxeE)E)dEF n dxJnn nJn 0Ef常數(shù)I-V方程的推導(dǎo)計(jì)算n型區(qū)的長(zhǎng)度Wn遠(yuǎn)小于少子空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度Lp ,即在p區(qū)內(nèi)xxp的區(qū)域:WnLp)；(xxp)其中L2nDn n0在n區(qū)內(nèi)xxn的區(qū)域:2( »np2-I 2xLn(x xn)2( pn)pn2 2xLp其中L： Dp p0少子濃度邊界條件為-完整版學(xué)習(xí)資料分享WORD格式-可編輯-專業(yè)資料np( Xp)eVa.Pn(xn)eVa pn0

17、exp()kTnp(xPn(XxnWn)pn0那么過剩少子濃度邊界條件為np( Xp)npdexp(eVakT)1pn(xn)eVa而刎百1np(xpn(xxnWn)過剩少子濃度為:np(x) np(x)np0- x、Aexp()Ln_. x .B exp(), Ln(x xp)pn(x)pn(x)pn0x、 C exp() L pD exp(x xn)由邊界條件可知:系數(shù)B必須為零.,XpeVa、np0 exp( )exp() LnkTeVa pn0exp( ) 1 kTWnWnexp( ) exp( )LpLppnoexp(Wnexp( ) exp(Lp1exp(xnWLp1WTexp( 匚)xn*)lp-完整版學(xué)習(xí)資料分享WORD格式-可編輯-專業(yè)資料np(x) np(x) nporXp X%加為)1exp(),(X Xp)(x Xn)eVasinh(xn W x)/Lppn(X)pn(x)Pn.冊(cè)0所(中 1 鵬2假設(shè)WnLp,那么, h/% Wn X、Xn