微電子器件基礎(chǔ) 思考題和習(xí)題答案匯 王穎 第1-4章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)- MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

實(shí)際半導(dǎo)體和理想半導(dǎo)體之間的區(qū)別是什么？答:(1)理想半導(dǎo)體:假設(shè)晶格原子嚴(yán)格按周期性排列并靜止在格點(diǎn)位置上,實(shí)際半導(dǎo)體中原子不是靜止的,而是在其平衡位置附近振動(dòng)。(2)理想半導(dǎo)體是純凈不含雜質(zhì)的,實(shí)際半導(dǎo)體含有若干雜質(zhì)。(3)理想半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是完整的,實(shí)際半導(dǎo)體中存在點(diǎn)缺陷,線缺陷和面缺陷等。2．單晶硅晶胞的晶格常數(shù)為5.43?，計(jì)算（100）、（110）、（111）晶面的面間距。答：（100）晶面間距為5.43?（110）晶面間距為7.68?（111）晶面間距為9.41?3．和外層電子參與共有化運(yùn)動(dòng)有何不同？答：原子中的電子是在原子核與電子庫倫相互作用勢(shì)的束縛作用下以電子云的形式存在，沒有一個(gè)固定的軌道;而晶體中的電子是在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的共有化電子，在晶體周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。當(dāng)原子互相靠近結(jié)成固體時(shí)，各個(gè)原子的內(nèi)層電子仍然組成圍繞各原子核的封閉殼層，和孤立原子一樣;然而，外層價(jià)電子則參與原子間的相互作用，應(yīng)該把它們看成是屬于整個(gè)固體的一種新的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。組成晶體原子的外層電子共有化運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，其行為與自由電子相似，稱為準(zhǔn)自由電子，而內(nèi)層電子共有化運(yùn)動(dòng)較弱，其行為與孤立原子的電子相似。4．簡述有效質(zhì)量與能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系，有效質(zhì)量何時(shí)出現(xiàn)負(fù)值？引入有效質(zhì)量的物理意義是什么？答：有效質(zhì)量概括了晶體中電子的質(zhì)量以及內(nèi)部周期勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的作用,引入有效質(zhì)量后,晶體中電子的運(yùn)動(dòng)可用類似于自由電子運(yùn)動(dòng)來描述。有效質(zhì)量與電子所處的狀態(tài)有關(guān),與能帶結(jié)構(gòu)有關(guān):(1)有效質(zhì)量反比于能譜曲線的曲率:(2)有效質(zhì)量是k的函數(shù),在能帶底附近為正值,能帶頂附近為負(fù)值。(3)具有方向性——沿晶體不同方向的有效質(zhì)量不同。只有當(dāng)?shù)饶苊媸乔蛎鏁r(shí),有效質(zhì)量各向同性。導(dǎo)帶底附近有效質(zhì)量為正,價(jià)帶頂附近有效質(zhì)量為負(fù)。5．半導(dǎo)體處于何種狀態(tài)才可稱為熱平衡狀態(tài)？其物理意義是什么？答：載流子激發(fā)和載流子復(fù)合之間建立起動(dòng)態(tài)平衡時(shí)稱為熱平衡狀態(tài),這時(shí)電子和空穴的濃度都保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值,處在這中狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱為熱平衡載流子。6．試說明為什么硅半導(dǎo)體器件的工作溫度比鍺半導(dǎo)體器件的工作溫度高。答：硅的禁帶寬度比鍺大，且在相同溫度下，鍺的本征激發(fā)強(qiáng)于硅，很容易就達(dá)到較高的本征載流子濃度，使器件失去性能。7．說明費(fèi)米能級(jí)EF的物理意義。如何理解費(fèi)米能級(jí)EF是摻雜類型和摻雜程度的標(biāo)志？答：費(fèi)米能級(jí)的意義：當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，也不對(duì)外界做功的情況下，系統(tǒng)增加一個(gè)電子所引起的系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學(xué)能。n型摻雜越高，電子濃度越高，EF就越高。8．根據(jù)散射的物理模型，說明為什么電離雜質(zhì)散射使半導(dǎo)體的遷移率，而晶格散射使遷移率。答：溫度越高，載流子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度越大，可以較快地掠過雜質(zhì)離子，偏轉(zhuǎn)就小，所以不易被散射，因此電離雜質(zhì)散射所導(dǎo)致的遷移率隨溫度上升而增加。溫度越高，聲子能量越高，晶格震動(dòng)導(dǎo)致載流子散射概率越高，遷移率越低，因此晶格散射所導(dǎo)致的遷移率隨溫度的上升而減小。9．試證明實(shí)際硅、鍺中導(dǎo)帶底部附近的狀態(tài)密度公式為 式中，，s為導(dǎo)帶底部的對(duì)稱狀態(tài)數(shù)。Si、Ge在導(dǎo)帶附近的等能面為沿主軸方向的旋轉(zhuǎn)橢球面，設(shè)其極值仍未Ec，則E-k關(guān)系為：與橢球的標(biāo)準(zhǔn)方程：比較得：a、b、c即k空間等能面為旋轉(zhuǎn)橢球的三個(gè)半徑。故橢球體積為對(duì)應(yīng)能量范圍內(nèi)兩橢球殼層之間的體積為設(shè)晶體體積為V,則其量子態(tài)密度為2V(考慮自旋),故在能量空間dv體積內(nèi)的量子態(tài)數(shù)為：因?yàn)閷?dǎo)帶極值在k空間有S個(gè)，所以狀態(tài)密度為令則所以將帶入，得證。10．設(shè)300K下硅的禁帶寬度是1.12eV，本征載流子濃度為1.5×1010cm3?，F(xiàn)有三塊硅材料，已知它們?cè)?00K下的空穴濃度分別為p1=2.25×1016cm3，p2=1.5×1010cm3，p3=2.25×104cm3。（1）分別計(jì)算三塊硅材料的電子濃度n1、n2、n3；（2）分別判斷三塊硅材料的導(dǎo)電類型；（3）分別計(jì)算三塊硅材料的費(fèi)米能級(jí)的位置。答：（1）設(shè)室溫時(shí)硅的=1.12eV,ni=1.5×1010/cm3。根據(jù)載流子濃度乘積公式可分別求出（2）通過電子濃度和空穴濃度的比較，可以很容易判斷出第一塊硅材料為p型半導(dǎo)體，第二塊硅材料為本征半導(dǎo)體，第三塊硅材料為n型半導(dǎo)體。（3）由得將載流子濃度代入，則分別得到：第一塊半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中線下0.37eV處，第二塊半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中心位置，第三塊半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中線上方0.35eV處。11．設(shè)一維晶格的晶格常數(shù)為a，導(dǎo)帶底部附近EC(k)和價(jià)帶頂部附近EV(k)分別為 m0為電子的慣性質(zhì)量，k1=0.5a，試求材料的禁帶寬度、電子有效質(zhì)量和空穴有效質(zhì)量。答：禁帶寬度由可以得出導(dǎo)帶能量極小值處的k值,即kmin=3/4k1，同理可得到價(jià)帶能量極大值處的k值，即kmax=0，代入EC(k)和EV(k)中，求得Eg=Emin-Emax=0.64eV。電子有效質(zhì)量空穴有效質(zhì)量12．計(jì)算施主雜質(zhì)濃度ND和受主雜質(zhì)濃度NA分別為9×1015cm3和1.1×1016cm3的硅在300K時(shí)的電子濃度和空穴濃度及費(fèi)米能級(jí)的位置。答：對(duì)于硅材料：ND=9×1015cm-3；NA＝1.1×1016cm-3；T＝300k時(shí)ni=1.5×1010cm-3：13．300K時(shí)，鍺的本征電阻率為47Ω·cm，如果其電子遷移率和空穴遷移率分別為3900cm2/(V·s)和1900cm2/(V·s)，試求鍺的本征載流子濃度。答：T=300K，ρ＝47Ω·cm，μn＝3900cm2/V·s，μp＝1900cm2/V·s14．某n型硅，其摻雜濃度ND為1015cm3，少子壽命τp為5μs，若外界作用使其少數(shù)載流子全部消失，試求此時(shí)電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率。設(shè)本征載流子濃度ni=1.5×1010cm3。答：因?yàn)樯僮訚舛萷=0，所以有p0為平衡時(shí)少子濃度，即由此得復(fù)合率平衡pn結(jié)有什么特點(diǎn)？試畫出勢(shì)壘區(qū)中載流子漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向。答：平衡狀態(tài)下，擴(kuò)散與漂移作用相平衡，靜電流為零，不存在載流子凈流動(dòng)。試畫出正向pn結(jié)的能帶圖，并進(jìn)行簡要說明。答：隨著正偏電壓增加，勢(shì)壘高度降低，n區(qū)中能量高于p區(qū)導(dǎo)帶電子能量的電子急劇增加，導(dǎo)致從n區(qū)注入p區(qū)的電子流急劇增加，因此正向電流快速增大。試解釋正、反向pn結(jié)的電流轉(zhuǎn)換和傳輸機(jī)理。答：正偏，Va>0，結(jié)上電壓（Vbi-Va）<Vbi，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)下降，漂移作用下降,而擴(kuò)散作用不變，因此出現(xiàn)p區(qū)多子空穴向n區(qū)的凈擴(kuò)散流，稱為“注入（Injection），注入到n區(qū)的空穴首先在n區(qū)勢(shì)壘區(qū)界處(x=xn)積累，使得pn(xn)>pn0，x=xn處積累的空穴繼續(xù)向n區(qū)內(nèi)部擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成從p區(qū)向n區(qū)的電流。x=xn處空穴電流Ip(xn)就是從p區(qū)注入到n區(qū)的少子空穴擴(kuò)散電流。反偏，Va<0，結(jié)上電壓（Vbi-Va）>Vbi→勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增大，漂移作用增大,而擴(kuò)散作用不變，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)不但將p區(qū)向n區(qū)擴(kuò)散的的空穴全部拉回p區(qū)，而且將n區(qū)勢(shì)壘區(qū)邊界處(x=xn)的少子空穴也拉向p區(qū)（稱為少子抽出）使得x=xn處空穴濃度pn(xn)趨于0，低于n區(qū)內(nèi)部的平衡少子空穴濃度pn0，出現(xiàn)n區(qū)內(nèi)部少子空穴向x=xn的擴(kuò)散流，形成從n區(qū)抽出流向p區(qū)的空穴電流。x=xn處空穴電流Ip(xn)就是從n區(qū)抽出流向p區(qū)的少子空穴電流。pn結(jié)的正、反向電流-電壓關(guān)系的表達(dá)式是什么？pn結(jié)的單向?qū)щ娦缘暮x是什么？答：pn結(jié)電流表達(dá)式：正偏情況：室溫下，kT/e=26mV。若外加電壓Va大于0.1V，eVa/kT>4,exp(eVa/kT)>>1得:因此，正偏（Va>0.1V)，流過pn結(jié)的電流隨Va的增加而指數(shù)增加。反偏情況：Va<0若外加電壓Va絕對(duì)值大于0.1V，exp(eVa/kT)<<1得：因此，反偏(│Va│>0.1V)，流過pn結(jié)的電流不隨Va變化，呈現(xiàn)“飽和”。IS又稱為反向飽和電流（Reversesaturationcurrent）。6．金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)是如何定義的？半導(dǎo)體的功函數(shù)和哪些因素有關(guān)？答：金屬和半導(dǎo)體的功為費(fèi)米能級(jí)與真空能級(jí)的能量差，其表征材料中的電子逸出材料表面所需要的最小能量。影響半導(dǎo)體功函數(shù)的主要因素是費(fèi)米能級(jí)，而費(fèi)米能級(jí)與溫度、雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)種類相關(guān)。應(yīng)該如何制作n型Si和金屬Al接觸，才能實(shí)現(xiàn)歐姆接觸和整流接觸？答：對(duì)n型Si的摻雜濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)n型Si費(fèi)米能級(jí)高于Al時(shí)，形成整流接觸，當(dāng)n型Si費(fèi)米能級(jí)低于Al時(shí)，形成歐姆接觸。說明pn結(jié)勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的物理意義，分別討論它們與電流和電壓的關(guān)系。答：勢(shì)壘電容：PN結(jié)交界處存在勢(shì)壘區(qū).結(jié)兩端電壓變化引起積累在此區(qū)域的電荷數(shù)量的改變,從而顯現(xiàn)電容效應(yīng)。當(dāng)所加的正向電壓升高時(shí),PN結(jié)變窄,空間電荷區(qū)變窄,結(jié)中空間電荷量減少,相當(dāng)于電容放電.同理,當(dāng)正向電壓減小時(shí),PN結(jié)變寬,空間電荷區(qū)變寬,結(jié)中空間電荷量增加,相當(dāng)于電容充電.加反向電壓升高時(shí),一方面會(huì)使耗盡區(qū)變寬,也相當(dāng)于對(duì)電容的充電.加反向電壓減少時(shí),就是P區(qū)的空穴、N區(qū)的電子向耗盡區(qū)流,使耗盡區(qū)變窄,相當(dāng)于放電。PN結(jié)電容算法與平板電容相似,只是寬度會(huì)隨電壓變化.擴(kuò)散電容：PN結(jié)勢(shì)壘電容主要研究的是多子,是由多子數(shù)量的變化引起電容的變化.而擴(kuò)散電容研究的是少子。在PN結(jié)反向偏置時(shí),少子數(shù)量很少,電容效應(yīng)很少,也就可以不考慮了.在正向偏置時(shí),P區(qū)中的電子,N區(qū)中的空穴,會(huì)伴著遠(yuǎn)離勢(shì)壘區(qū),數(shù)量逐漸減少.即離結(jié)近處,少子數(shù)量多,離結(jié)遠(yuǎn)處,少子的數(shù)量少,有一定的濃度梯度。正向電壓增加時(shí),N區(qū)將有更多的電子擴(kuò)散到P區(qū),也就是P區(qū)中的少子----電子濃度、濃度梯度增加.同理,正向電壓增加時(shí),N區(qū)中的少子---空穴的濃度、濃度梯度也要增加.相反,正向電壓降低時(shí),少子濃度就要減少.從而表現(xiàn)了電容的特性。PN結(jié)反向偏置時(shí)電阻大,電容小,主要為勢(shì)壘電容.正向偏置時(shí),電容大,取決于擴(kuò)散電容,電阻小.頻率越高,電容效應(yīng)越顯著。無論是擴(kuò)散電容還是勢(shì)壘電容，電容值均隨著偏置電壓的增大而增大。正偏情況下，隨著V增加，I指數(shù)增加，而勢(shì)壘則減小緩慢，因此正偏情況下pn結(jié)電容以擴(kuò)散電容為主。反偏情況下，I非常小，因此反偏情況下pn結(jié)電容以勢(shì)壘電容為主。說明MOS電容的結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)。答：MOSFET結(jié)構(gòu)的核心是金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容，即MOS電容。MOS電容的工作狀態(tài)分為累積、耗盡、反型幾種狀態(tài)，對(duì)于P型襯底MOS電容，如果施加負(fù)柵壓，半導(dǎo)體與氧化層界面存在多子空穴累積，形成多子累積狀態(tài)，隨著負(fù)柵壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎龞艍?，半?dǎo)體與氧化層界面處的多子空穴被抽離界面處，MOS電容進(jìn)入耗盡狀態(tài)；進(jìn)一步增加正柵壓，界面處存在反型電子的累積，形成導(dǎo)電溝道，MOS電容進(jìn)入反型狀態(tài)。對(duì)于N型襯底MOS電容，隨著柵壓由正到負(fù)，MOS電容一次進(jìn)入累積、耗盡、反型狀態(tài)。證明通過pn結(jié)的空穴電流與總電流之比為。答：流過pn結(jié)的電流由肖克萊方程決定：其中，空穴電流為：因此對(duì)于Gepn結(jié)，設(shè)p區(qū)的摻雜濃度為NA，n區(qū)的摻雜濃度為ND，已知ND為102NA，而NA相當(dāng)于108個(gè)Ge原子中有一個(gè)受主雜質(zhì)原子，已知Ge原子濃度為4.4×1022cm3，計(jì)算室溫下pn結(jié)的接觸電勢(shì)差。如果NA保持不變，而ND增大為原來的102倍，試求接觸電勢(shì)差的改變量。答：（1）已知鍺原子的濃度為4.4×1022/cm3所以NA=4.4×1022×10-8=4.4×1014/cm3、ND=4.4×1014×102=4.4×1016/cm3故（2）設(shè)ND1時(shí)對(duì)應(yīng)的接觸電勢(shì)差為VD1:設(shè)ND2時(shí)對(duì)應(yīng)的接觸電勢(shì)差為VD2:對(duì)于Sipn結(jié)，設(shè)其p區(qū)摻雜濃度NA和n區(qū)摻雜濃度ND分別為5×1018cm3和1016cm3，τp=τn=1μs，結(jié)面積A=0.01cm2，結(jié)兩邊的寬度遠(yuǎn)大于各自少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度，p區(qū)的電子遷移率μn=500cm2/(V·s)，n區(qū)的空穴遷移率μp=180cm2/(V·s)。試求300K時(shí)正向電流為1mA時(shí)的外加電壓。答：根據(jù)愛因斯坦關(guān)系式，求得擴(kuò)散系數(shù)，空穴在n區(qū)中的擴(kuò)散系數(shù)和電子在p區(qū)中的擴(kuò)散系數(shù)為：擴(kuò)散長度為：少子濃度為：由電流電壓方程得14．對(duì)于Sip+n結(jié)，其n區(qū)雜質(zhì)濃度為1×1016/cm3，試分別求在反向電壓為10V、50V時(shí)的勢(shì)壘區(qū)寬度和單位面積勢(shì)壘電容。答：因?yàn)閜+n結(jié)，所以設(shè)硅pn結(jié)內(nèi)建電勢(shì)為0.7V，則當(dāng)反向電壓為10V時(shí)當(dāng)反向電壓為10V時(shí)描述雙極型晶體管的基本工作情況。答：雙極性晶體管有4個(gè)工作模式:截止,正向有源,反向有源,飽和。如果B-E電壓為零或反偏(VBE<=0),那么發(fā)射區(qū)中的多子電子就不會(huì)注入到基區(qū)。由于B-C結(jié)也是反偏的;于是這種情況下,發(fā)射極電流和集電極電流是零。這種情況稱為截止?fàn)顟B(tài)-所有的電流均為零。B-E結(jié)變?yōu)檎?發(fā)射極電流就產(chǎn)生了,電子注入基區(qū)從而產(chǎn)生集電極電流,如果Vcc足夠大,而VR足夠小,那么Vcb>0以為著B-C結(jié)反偏。這種工作狀態(tài)就是工作在正向有源區(qū)。隨著B-E結(jié)電壓增大,集電極電流會(huì)增大,從而VR也會(huì)增大。VR增大以為著反偏的C-B電壓降低,于是|VCB|減小。在某一點(diǎn)處,集電極電流會(huì)增大倒足夠大。而使得VR和Vcc的組合在B-C結(jié)零偏置。過了這一點(diǎn),集電極電流Ic的微笑增加會(huì)導(dǎo)致VR的微小增加,從而使得B-C結(jié)變?yōu)檎?VCB<0)。這種情況稱為飽和。工作于飽和模式時(shí),B-E結(jié)和B-C結(jié)都是正偏的,并且集電極電流不再守控與B-E結(jié)電壓。反偏有源出線在B-E結(jié)反偏而B-C結(jié)正偏時(shí),在這種情況下晶體管的工作情況是顛倒的。發(fā)射極和集電極的較色反轉(zhuǎn)過來。試畫出處于放大偏置模式npn型晶體管的少子分布及載流子輸運(yùn)過程示意圖。答：少子分布圖：載流子輸運(yùn)過程：雙極型晶體管的飽和態(tài)的特點(diǎn)是什么？畫出飽和態(tài)時(shí)晶體管內(nèi)各區(qū)的少子分布圖。答：當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏時(shí)，雙極型晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，飽和狀態(tài)時(shí)，集電極電流不再隨基極電流的增加而增加。少子分布圖：雙極型晶體管為什么具有對(duì)微弱電信號(hào)的放大能力？怎樣提高晶體管的放大系數(shù)？答：當(dāng)采用共發(fā)射極接法時(shí)，輸出電流是，輸入電流是，直流電流增益是。在pnpBJT中，是電子電流，主要是空穴電流，它們通過E-B結(jié)的作用而結(jié)合在一起；也就是說，增大會(huì)成比例地增大。雙結(jié)耦合在物理上把流過E-B結(jié)的小的電子電流和大的空穴電流分成圖3-9所示的兩個(gè)獨(dú)立的電流環(huán)路，從而使通過小的控制大的成為可能。增加電流放大系數(shù)的途徑：(1)減小基區(qū)寬度（最有效措施）；(2)增加發(fā)射區(qū)摻雜濃度，減少基區(qū)摻雜濃度，提升發(fā)射區(qū)與基區(qū)Gummel數(shù)“GE/GB”的比值；(3)增大基區(qū)雜質(zhì)分布梯度，增強(qiáng)基區(qū)自建場(chǎng)的影響；(4)加強(qiáng)工藝控制，減少工藝缺陷，在提高DB和τB礎(chǔ)上提高LnB。解釋發(fā)射效率γ和基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)的物理意義。答：注入效率描述在輸入電流中注入到基區(qū)的那一部分所占的比例?；鶇^(qū)輸運(yùn)系數(shù)是注入到基區(qū)的電流中順利通過基區(qū)的那一部分所占的比例。畫出晶體管共基極、共發(fā)射極直流輸入、輸出特性曲線，并討論它們之間的異同。答：輸入特性曲線：輸出特性曲線：討論略。試描述共發(fā)射極狀態(tài)下晶體管的雪崩倍增過程。答：在晶體三極管集電極與發(fā)射極之間加有較高電壓時(shí),集電結(jié)空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)隨之加強(qiáng),在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下將形成電子空穴對(duì).新產(chǎn)生的電子和空穴與原有的電子空穴一樣向相反的方向運(yùn)動(dòng),重新獲得足夠的能量后,又可通過碰撞再產(chǎn)生電子空穴對(duì),這種現(xiàn)象稱為載流子的"倍增效應(yīng)".當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值后,載流子的倍增情況就像發(fā)生雪崩一樣增加得又多又快,從而使反向電流急劇增大,造成集電結(jié)雪崩擊穿。試描述高頻下雙極型晶體管的電流放大系數(shù)為何會(huì)下降。答：雙極型晶體管中存在發(fā)射結(jié)、集電結(jié)勢(shì)壘電容等寄生電容，在低頻下可以忽略寄生電容的影響，隨著頻率的加，寄生電容對(duì)電流放大系數(shù)的影響增加，同時(shí)頻率越高，基區(qū)渡越對(duì)放大系數(shù)的影響增加。雙極型晶體管為何具有開關(guān)作用？試描述雙極型晶體管的開關(guān)過程。答：延遲過程過程：基極輸入端施加壓降后，輸入回路中有了驅(qū)動(dòng)電流，基極電流提供的空穴的一部分從基區(qū)側(cè)填充發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)，中和離化的受主；發(fā)射極流入的電子在另一側(cè)填充空間電荷區(qū)，中和離化的施主。導(dǎo)致發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)變窄，發(fā)射結(jié)從反偏轉(zhuǎn)向正偏，這一過程實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)電容的充電。與此同時(shí)，集電結(jié)雖然在延遲過程中始終處于反偏狀態(tài)，但反偏電壓的數(shù)值逐漸減小，勢(shì)壘變窄，這是靠基極電流提供的另一部分空穴，從發(fā)射區(qū)傳輸?shù)郊娊Y(jié)的電子對(duì)集電結(jié)耗盡區(qū)電容充電實(shí)現(xiàn)的。上升過程：延遲過程結(jié)束后，基極電流保持不變，繼續(xù)對(duì)發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充電。由于發(fā)射結(jié)偏壓升高，向兩側(cè)的少子注入明顯增加，基區(qū)和發(fā)射區(qū)都積累了過剩載流子，同時(shí)集電極電流也開始增加，負(fù)載電阻上的電壓降增大，使集電結(jié)反偏電壓數(shù)值開始減小，直到使輸出電流達(dá)到飽和值，集電結(jié)電壓上升到零，晶體管達(dá)到臨界飽和。存儲(chǔ)過程：上升過程結(jié)束時(shí)，處于臨界飽和狀態(tài)。此時(shí)基極電流除補(bǔ)充基區(qū)復(fù)合損失外仍有多余，這部分多余的電荷引起晶體管內(nèi)部電荷的進(jìn)一步積累，形成超量存貯電荷。下降過程輸入電壓脈沖下降沿到來，此后超量儲(chǔ)存電荷逐漸減少，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的偏壓從飽和態(tài)的正值往下降?；鶚O電流在發(fā)射結(jié)偏壓未過零之前等于常數(shù)。通過基極向外抽出空穴，促使發(fā)射區(qū)和基區(qū)的儲(chǔ)存電荷不斷減少，同時(shí)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容放電。在基區(qū)由于儲(chǔ)存電荷消失，載流子濃度梯度減小，發(fā)射結(jié)變反偏，集電極電流隨之下降，一直下降到接近于反向電流值，下降過程結(jié)束。下降過程實(shí)質(zhì)上是上升過程的逆過程，但是載流子復(fù)合在兩種過程中的作用的不同。上升過程中復(fù)合阻礙過剩載流子積累，延緩上升速度，下降過程中復(fù)合加速儲(chǔ)存電荷消失，加快下降過程。什么是雙極型晶體管的截止頻率？答：當(dāng)保持輸入信號(hào)的幅度不變，改變頻率使輸出信號(hào)降至最大值的0.707倍，即用頻響特性來表述即為-3dB點(diǎn)處即為截止頻率在開關(guān)波形圖中注明延遲時(shí)間td、上升時(shí)間tr、貯存時(shí)間ts、下降時(shí)間tf，說明其物理意義。答：延遲時(shí)間：從輸入信號(hào)變?yōu)楦唠娖介_始，到集電極電流上升到最大值的0.1倍時(shí)所需的時(shí)間。上升時(shí)間：集電極電流從0.1上升至0.9所需的時(shí)間。貯存時(shí)間：從輸入信號(hào)變?yōu)榈碗娖交蜇?fù)脈沖開始，至下降到0.9所需的時(shí)間。下降時(shí)間：集電極電流從0.9下降到0.1所需的時(shí)間。12．在圖3-8所示的pnp型晶體管中，已知IEp=1mA，IEn=100μA，ICp=0.98mA，ICn=0.1μA，試計(jì)算：（1）β*；（2）γ；（3）IE、IC和IB；（4）α0和β0；（5）ICBO和ICEO。（1）β*=ICp/IEp=0.98（2）γ=IEp/(IEp+IEn)=0.91（3）IE=IEp+IEn=1.1mAIC=ICp+ICn=1.08mAIB=IE-IC=0.02mA（4）α0=γβ*=0.891β0=α0/(1-)α0=8.174（5）ICBO=IC-α0IE=0.1mAICEO=ICBO/(1-α0)=0.917mA13．假設(shè)晶體管的3個(gè)電極按照下圖所示的方式連接，假設(shè)發(fā)射結(jié)注入效率γ=1，求發(fā)射極、基極和集電極處的電流。答：如圖所示的雙極性晶體管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)零偏，此時(shí)晶體管處于臨界放大狀態(tài)。IC=IBβ0IE=IB+IC14．在信號(hào)頻率為100MHz的條件下測(cè)試某高頻晶體管的，當(dāng)IC=1mA時(shí)測(cè)得其值為4，當(dāng)IC為4mA時(shí)測(cè)得其值為4.5。試求該晶體管的發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容CTE和基區(qū)渡越時(shí)間τb的值。答：由fT的測(cè)量式可知，當(dāng)IC1=1mA時(shí)，fT1=4×100=400MHz當(dāng)IC2=4mA時(shí)，fT2=4.5×100=450MHz由于fT<500MHz，故可略去τd和τc，則fT計(jì)算式為：于是可得聯(lián)立方程組：從方程組中可解得：15．一高頻雙極型晶體管工作于240MHz時(shí)，其共基極電流放大系數(shù)為0.68，若該頻率為fα，試求其β為5時(shí)的工作頻率。答：已知f=fa=240×106Hz時(shí)，放大系數(shù)α=0.68所以，直流放大系數(shù)由此可得：MOSFET和BJT相比具有哪些特點(diǎn)？它們的工作原理有何不同？答：MOSFET是根據(jù)MOS結(jié)構(gòu)的表面場(chǎng)效應(yīng)原理而工作的。在MOS結(jié)構(gòu)的金屬層相對(duì)于半導(dǎo)體層施加一定的電壓，那么該半導(dǎo)體的表面將隨著這個(gè)電壓的正、負(fù)極性及其大小的變化而出現(xiàn)表面多子耗盡、表面反型和表面多子積累等各種表面狀態(tài)。在半導(dǎo)體表面出現(xiàn)反型層以后，該反型層中載流子的濃度又可以通過金屬上所加的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。MOSFET的溝道電阻就是根據(jù)這一原理進(jìn)行調(diào)節(jié)的。BJT與MOSFET的工作原理完全不同。它是根據(jù)發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的少數(shù)載流子在基區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的過程中，一邊擴(kuò)散，一邊復(fù)合，由于基區(qū)很薄，所以少數(shù)載流子在渡越基區(qū)的過程中只有極少一部分與基區(qū)的多子復(fù)合形成基極電流，而絕大部分的少數(shù)載流子都能夠渡越基區(qū)，到達(dá)集電結(jié)的邊界，被集電極收集并形成集電極電流。根據(jù)這一原理，我們就可以用微小的基極電流變化來控制較大的集電極電流的變化。綜上所述，MOSFET是利用柵極電壓的變化來控制漏源電流的變化，而BJT是利用基極電流的變化來控制集電極電流的變化。前者是場(chǎng)控器件，控制電流很小，可以忽略不計(jì)，功耗也較小;后者是電流控制器件，有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，功耗也較大。n溝道MOSFET和p溝道MOSFET有什么不同？答：n溝道MOSFET襯底為p型摻雜半導(dǎo)體，溝道為反型電子導(dǎo)電溝道；p溝道MOSFET襯底為n型摻雜半導(dǎo)體，溝道為反型空穴導(dǎo)電溝道。什么是閾值電壓？影響閾值電壓的因素有哪些？答：閾值電壓是MOS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體與氧化物界面達(dá)到閾值反型點(diǎn)時(shí)所需的柵壓VG。閾值電壓影響因素：（1）柵氧化層墊層越大，閾值電壓越??；（2）襯底摻雜濃度越小，閾值電壓越??；（3）氧化層正電荷越大，閾值電壓越??；（4）金半功函數(shù)差越大，閾值電壓越小試述MOSFET伏安特性的分段模型，影響直流特性的因素有哪些？答：分段模型如下圖所示，分析略。影響直流特性的因素有柵源電壓、漏源電壓，從器件固有參數(shù)來看有闕值電壓、溝道長度、溝道寬度、襯底摻雜濃度、載流子遷移率、氧化層厚度、氧化層介電常數(shù)及柵區(qū)的有效面積。導(dǎo)致漏源擊穿的機(jī)制有哪幾種？各有何特點(diǎn)？答：漏源擊穿的機(jī)制主要有下面幾種:溝道雪崩擊穿，寄生NPN擊穿，漏源穿通等。溝道雪崩擊穿的特點(diǎn)是漏、襯PN結(jié)上所加的電壓上升到一定程度，發(fā)生雪崩時(shí)所導(dǎo)致的擊穿;寄生NPN擊穿是指NMOSFET的源、襯、漏三個(gè)區(qū)在溝道長度足夠短時(shí)形成寄生NPN晶體管，該晶體管滿足導(dǎo)通條件時(shí)就會(huì)引起漏源擊穿;漏源穿通是指漏端PN結(jié)在高反壓下空間電荷區(qū)展寬，使得漏源之間的中性區(qū)消失時(shí)，源端PN結(jié)注入的載流子可以直接被漏端PN結(jié)反向電場(chǎng)抽取，形成強(qiáng)大的電流所導(dǎo)致的擊穿。如何提高M(jìn)OS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的頻率特性？答：要提高截止頻率可以采取以下措施:①減小溝道長度;②選擇遷移率大的材料;③改善表面狀態(tài)，降低表面態(tài)密度;④