半導體器件物理試題庫

1、半導體器件試題庫常用單位：在室溫（T = 300K）時，硅本征載流子的濃度為ni= 1.5x10i0/cm3電荷的電量 q= 1.6x10-i9C 人=1350 cm2/V s pp=500 cm2/V s0=8.854x10-i2 F/m一、半導體物理基礎部分（一）名詞解釋題雜質(zhì)補償：半導體內(nèi)同時含有施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時，施主和受主在導電性能上有互相抵消 的作用，通常稱為雜質(zhì)的補償作用。非平衡載流子:半導體處于非平衡態(tài)時，附加的產(chǎn)生率使載流子濃度超過熱平衡載流子濃度， 額外產(chǎn)生的這部分載流子就是非平衡載流子。遷移率：載流子在單位外電場作用下運動能力的強弱標志，即單位電場下的漂移速度。晶向：晶

2、面：（二）填空題1 .根據(jù)半導體材料內(nèi)部原子排列的有序程度，可將固體材料分為、多晶和三種。2 .根據(jù)雜質(zhì)原子在半導體晶格中所處位置，可分為 雜質(zhì)和 雜質(zhì)兩種。3 點缺陷主要分為、和反肖特基缺陷。4 .線缺陷，也稱位錯，包括、兩種。5 .根據(jù)能帶理論，當半導體獲得電子時，能帶向 彎曲，獲得空穴時，能帶向 彎曲。6 .能向半導體基體提供電子的雜質(zhì)稱為雜質(zhì)；能向半導體基體提供空穴的雜質(zhì)稱為 雜質(zhì)。7 .對于N型半導體，根據(jù)導帶低EC和EF的相對位置，半導體可分為、弱簡 并和三種。8 .載流子產(chǎn)生定向運動形成電流的兩大動力是9 .在Si-SiO2系統(tǒng)中，存在、固定電荷、和輻射電離缺陷4種基本形式的電荷

3、或能態(tài)。10 .對于N型半導體，當摻雜濃度提高時，費米能級分別向 移動；對于P型半導體，當溫度升高時，費米能級向 移動。(三)簡答題1 .什么是有效質(zhì)量，引入有效質(zhì)量的意義何在？有效質(zhì)量與慣性質(zhì)量的區(qū)別是什么？2 .說明元素半導體Si、Ge中主要摻雜雜質(zhì)及其作用？3 .說明費米分布函數(shù)和玻耳茲曼分布函數(shù)的實用范圍？4 .什么是雜質(zhì)的補償，補償?shù)囊饬x是什么？(四)問答題1 .說明為什么不同的半導體材料制成的半導體器件或集成電路其最高工作溫度各不相同？ 要獲得在較高溫度下能夠正常工作的半導體器件的主要途徑是什么？(五)計算題2 .金剛石結(jié)構(gòu)晶胞的晶格常數(shù)為a,計算晶面(100)、(110)的面間距

4、和原子面密度。3 .摻有單一施主雜質(zhì)的N型半導體空，已知室溫下其施主能級ED與費米能級EF之差為1.5kJ,而測出該樣品的電子濃度為2.0X1016cm-3,由此計算：(a)該樣品的離化雜質(zhì)濃度是多少？(b)該樣品的少子濃度是多少？(c)未離化雜質(zhì)濃度是多少？(d)施主雜質(zhì)濃度是多少？3.室溫下的 Si,實驗測得 n0 = 4.5 x 104 cm-3, ND = 5 義 1015 cm-3 ,(a)該半導體是N型還是P型的？(b)分別求出其多子濃度和少子濃度。(c)樣品的電導率是多少？(d)計算該樣品以本征費米能級E .為參考的費米能級位置。 I4.室溫下硅的有效態(tài)密度N = 2.8 x 1

5、019 cm-3 , N = 1.1 x 1019 cm-3 , kg = 0.026 eV，禁帶 寬度Eg = 1.12 eV，如果忽略禁帶寬度隨溫度的變化(a)計算77 K,300 K,473 K 三個不同溫度下的本征載流子濃度；(b) 300 K純硅電子和空穴遷移率是1350 cm2/(V - s)和500 cm2 /(V - s)，計算此時的電 阻率；(c)473 K純硅電子和空穴遷移率是420 cm2 /(V - s)和150 cm2 /(V - s)，計算此時的樣 品電阻率。5 .若硅中的施主雜質(zhì)濃度是1 x 1017 cm-3、施主雜質(zhì)電離能A ED = 0.012 eV時，求施

6、主雜質(zhì) 3/4電離時所需要的溫度是多少？6 .現(xiàn)有一塊摻磷(P)濃度為6x 1016 cm-3的N型Si,已知P在Si中的電離能AED = 0.044 eV， 如果某一溫度下樣品的費米能級E與施主能級重合，此時的導帶電子濃度是多少，對F應的溫度又是多少？7 .對于摻Sb的半導體Si,若Ec - EF = kT為簡并化條件，試計算在室溫下發(fā)生簡并化的 摻雜濃度是多少？8 .半導體電子和空穴遷移率分別是R和R屋證明當空穴濃度為p0 = n.(匕/四p)12時，電導 率最小且omin = 2,( )12/(目+目),o,為本征電導率。9 .摻有3x 1015 cm-3硼原子和1.3x 1016 cm

7、-3磷原子的硅，室溫下計算：(a)熱平衡態(tài)下多子、少子濃度，費米能級位置(E.為參考)。(b)樣品的電導率。°。(c)光注入An = Ap = 3x 1012 cm-3的非平衡載流子，是否小注入，為什么？(d)附加光電導Ao。(e)光注入下的準費米能級EF'和E” ( E,為參考)。(f)畫出平衡態(tài)下的能帶圖，標出Ej Ev、EF、E,等能級的位置，在此基礎上再畫出 光注入時的EF'和EFP，說明為什么EF'和EFp偏離EF的程度是不同的。(g)光注入時的樣品電導率o。10 .用加Eg的光分別照射兩塊N型半導體，假定兩個樣品的空穴產(chǎn)生率都是gp，空穴 壽命都是

8、tp。如果其中一塊樣品均勻地吸收照射光，而另一塊樣品則在光照表面的極 薄區(qū)域內(nèi)照射光就被全部吸收，寫出這兩個樣品在光照穩(wěn)定時非平衡載流子所滿足的方 程并指出它們的區(qū)別。二、P-N部分（一）名詞解釋題平衡PN結(jié)：就是指沒有外加電壓、光照和輻射等的PN結(jié)。單邊突變結(jié)：PN結(jié)一側(cè)的摻雜濃度比另外一側(cè)高很多，表示為P+N或PN+?？臻g勢壘區(qū)：也稱耗盡區(qū)，是指在PN結(jié)的形成過程中，電子從N區(qū)向P區(qū)擴散，從而在N 區(qū)側(cè)留下不能移動的電離施主，在P區(qū)留下不能移動的電離受主，載流子的分布按指數(shù)變 化，該區(qū)域稱空間勢壘區(qū)。隧道擊穿：當PN結(jié)兩邊摻入高濃度的雜質(zhì)時，其耗盡層寬度很小，即使外加反向電壓不太 高，在P

9、N結(jié)內(nèi)就可形成很強的電場，將共價鍵的價電子直接拉出來，產(chǎn)生電子-空穴對，使 反向電流急劇增加，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。勢壘電容：PN結(jié)空間電荷區(qū)的寬度隨外加電壓變化而變化，即正、負電荷的增減靠外加電 壓的改變而改變；當外加電壓不變時，空間電荷的沖、放電停止，類似一個電容，常稱之為 PN結(jié)勢壘電容。歐姆接觸：金屬和半導體之間形成反阻擋層，稱之為歐姆接觸。（二）填空題1 . PN結(jié)的主要制備工藝有：、擴散法和 和中子嬗變法。2 .在PN結(jié)的理論分析中，常假設空間電荷區(qū)中電子和空穴完全被耗盡，即正、負空 間電荷密度分別等于濃度和 濃度，這種假設稱為耗盡層近似。3 . PN結(jié)電容包括 和。4 . PN結(jié)的反向恢

10、復時間包括和。5 .二次擊穿主要包括二次擊穿和 二次擊穿。6 .耗盡層的寬度與摻雜濃度成關系，空間勢壘區(qū)寬度取決于摻雜濃度的一側(cè)。7 . PN結(jié)正向偏壓時的電流為，反向偏壓時的電流為。8 .目前，已提出的PN結(jié)擊穿機理有：、隧道擊穿和三種。9 .在PN結(jié)中，容易發(fā)生雪崩擊穿；容易發(fā)生隧道 擊穿。（三）簡答題1 .什么叫PN結(jié)的動態(tài)平衡和PN結(jié)空間電荷區(qū)？2 .試畫出正向PN結(jié)的能帶圖，并進行簡要說明。3 .試畫出正向PN結(jié)少子濃度分布示意圖。其少子分布表達式是什么？4 .試解釋正、反向PN結(jié)的電流轉(zhuǎn)換和傳輸機理。5 .大注入時PN+結(jié)正向電流公式是什么？試比較大注入與小注入的不同之處。6 .什

11、么是PN結(jié)的正向注入和反向抽取？7 .什么叫PN結(jié)的反向抽取作用？試畫出反向PN結(jié)少子濃度分布示意圖。少子分布的表 達式是什么？8 . PN結(jié)正、反向電流電壓關系表達式是什么？ PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘暮x是什么？9 . PN結(jié)在正向和反向偏置的情況下，勢壘區(qū)和載流子運動是如何變化的？10 .簡述PN結(jié)雪崩擊穿、隧道擊穿和熱擊穿的機理.11 .什么叫二極管的反向恢復時間，提高二極管開關速度的主要途徑有那些？12 .如圖1所示，請問本PN結(jié)的偏壓為正向，還是反向？準費米能級形成的主要原因? PN 結(jié)空間電荷區(qū)寬度取決的什么因素，對本PN結(jié)那邊空間電荷區(qū)更寬？圖1 PN結(jié)的少子分布和準費米能級13 .

12、求出硅突變PN結(jié)空間電荷區(qū)電場分布及其寬度的函數(shù)表達式。14 .求出硅緩變PN結(jié)空間電荷區(qū)電場分布及其寬度的函數(shù)表達式。（四）問答題1 .什么叫PN結(jié)的擊穿及擊穿電壓？試敘述PN結(jié)雪崩擊穿和隧道擊穿的機理，并說明其 不同之處。2 .硅突變結(jié)雪崩擊穿電壓與原材料雜質(zhì)濃度（或電阻率）及半導體層厚度有何關系？3 .硅緩變PN結(jié)擊穿電壓與原材料雜質(zhì)濃度有何關系？5 .什么叫PN結(jié)的勢壘電容？分析勢壘電容的主要的影響因素及各因素導致壘電容大小變 化的趨勢。6 .什么叫PN結(jié)的電容效應？什么是PN結(jié)勢壘電容？寫出單邊突變結(jié)和線性緩變結(jié)的勢 壘電容與偏壓的關系式。7 .什么是PN結(jié)的靜態(tài)、動態(tài)特性？什么叫反

13、向恢復過程、反向恢復時間？產(chǎn)生反向恢復 過程的實質(zhì)是什么？提高PN結(jié)二極管開關速度的途徑是什么？8 .什么叫金屬-半導體的整流接觸和歐姆接觸？形成歐姆接觸的方法主要有哪些？9 .為什么金屬與重摻雜半導體接觸可以形成歐姆接觸？（五）計算題1 .已知硅PN結(jié)的N區(qū)和P區(qū)的雜質(zhì)濃度均為1x1015 cm-3,試求平衡時的PN結(jié)接觸 電位差。已知室溫下，硅的n. =1.5x1016 cm-3o2 .已知硅P+N結(jié)的N區(qū)雜質(zhì)濃度為1x1016 cm-3,，試求當正向電流為0.1 mA時該P+N 結(jié)的導通電壓。若N區(qū)的雜質(zhì)濃度提高到1x1018 cm-3,其導通電壓又是多少？已知：Dp =13 cm2/s

14、，Lp=2x10-3 cm，A=10-5 cm2, q =L6x10T9C, ni =L4x101。cm-3。3 .一個硅P+N結(jié)的N區(qū)雜質(zhì)濃度為1x1016 cm-3。在反向電壓為10 V, 50 V時，分別 求勢壘區(qū)的寬度和單位面積勢壘電容。4 .一個硅 P+N 結(jié)，P 區(qū)的 Na =1x1019 cm-3, N 區(qū)的 ND =1x1016 cm-3,求在反向電壓 300 V時的最大電場強度。三、三極管部分（一）名詞解釋題集邊效應：在大電流下，基極的串聯(lián)電阻上產(chǎn)生一個大的壓降，使得發(fā)射極由邊緣到中心的 電場減小，從而電流密度從中心到邊緣逐步增大，出現(xiàn)了發(fā)射極電流在靠近基區(qū)的邊緣逐漸 增大，

15、此現(xiàn)象稱為發(fā)射極電流集邊效應，或基區(qū)電阻自偏壓效應?；鶇^(qū)寬變效應：由于外加電壓變化，引起有效基區(qū)寬度變化的現(xiàn)象。特征頻率：晶體管共射極時，放大系數(shù)隨頻率增加呈現(xiàn)下降的趨勢，當放大系數(shù)下降為直流 放大系數(shù)的0.707倍時所對應的頻率?；鶇^(qū)擴展效應：（二）填空題1 .根據(jù)晶體管基區(qū)的雜質(zhì)分布情況，將晶體管分為基區(qū)晶體管和基區(qū)晶體管。2 .雙極型晶體管共基極連接具有放大作用，共射極連接具有一放大作用。3 .基區(qū)擴展效應包括擴展和 擴展兩種效應。4 .工作頻率對晶體管的電流放大系數(shù)主要取決于四個過程，主要有 過 程、集電結(jié)勢壘區(qū)渡越過程和集電區(qū)傳輸過程。5 .晶體管的二次擊穿主要包括二次擊穿和 二次擊

16、穿。（三）簡答題1 .雙極型晶體管中重摻雜發(fā)射區(qū)目的？2 .試畫出處于正常偏置的NPN晶體管的少子分布及載流子輸運過程示意圖。3 .解釋NPN晶體管的電流傳輸和轉(zhuǎn)換機理，并畫出示意圖。4 .什么叫發(fā)射效率丫和基區(qū)輸運系數(shù)B* ?5 .什么叫晶體管共基極直流電流放大系數(shù)a。和共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)P0 ? a。、B°與丫,B*之間有什么關系？6 .什么叫均勻基區(qū)晶體管？均勻基區(qū)晶體管的丫、B*、的表達式是什么？7 .什么叫緩變基區(qū)晶體管？緩變基區(qū)晶體管的八B*、a0的表達式是什么？8 .寫出考慮了發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復合和基區(qū)表面復合后均勻基區(qū)晶體管的Y ,B*,a0,B0的表 達式，并

17、簡要說明B0公式的物理意義。9 .何謂基區(qū)寬變效應？10 .晶體管具有放大能力需具備哪些條件?11 .怎樣提高雙極型晶體管的開關速度？答案：晶體管的開關速度取決于開關時間，它包括開啟時間和關斷時間，綜合考慮，提 高速度的主要措施有：（1）采用摻金工藝，以增加復合中心，加速載流子的耗散，降低存儲時間；（2）降低外延層的電阻率，以降低t ；（3）減小基區(qū)寬度，降低基區(qū)渡越 s時間；（4）減小發(fā)射結(jié)結(jié)面積，以減小CJ口CTC，從而減小延遲時間；（5）適當控制并選擇合適的工作條件。12 .雙極型晶體管的二次擊穿機理是什么？13 .詳細分析PN結(jié)的自建電場、緩變基區(qū)自建電場和大注入自建電場的異同點。14

18、 .晶體管的方向電流ICB。、I CEO是如何定義的？二者之間有什么關系？15 .高頻時，晶體管電流放大系數(shù)下降的原因是什么？16 .什么叫晶體管集電極最大耗散功率?優(yōu)？它與哪些因素有關？17 .如何擴大晶體管的安全工作區(qū)范圍？18 .什么叫晶體管的熱阻RT ？內(nèi)熱阻、外熱阻指的是什么？如何減少晶體管的熱阻？19 .什么是晶體管共發(fā)射極正向壓降4疫和飽和壓降uces ？（四）問答題1.如圖2所示，請問雙極型晶體管的直流特性曲線可分為哪些區(qū)域，對應圖中的什么位置?各自的特點是什么?從圖中特性曲線的疏密程度，總結(jié)電流放大系數(shù)的變化趨勢，為什 么？圖2雙極型晶體管共發(fā)射極直流輸出特性曲線2、如圖3所

19、示，對于一個N+PN-N+結(jié)構(gòu)的雙極晶體管，隨著集電極電流的增大出現(xiàn)了那種Kirk effect效應？請詳細描述圖3 （a-c）曲線的形成的過程?；鶇^(qū)縮小3 .什么叫晶體管的二次擊穿，晶體擴屣并偏移流集中二次擊穿和雪崩注入二次擊穿）是什么？什么是二次擊穿臨界線和安全工作區(qū)？4 .什么叫晶體管的飽和狀態(tài)和截止狀態(tài)？什么叫臨界飽和和深飽和？5 .在晶體管開關波形圖中注明延遲時間）、上升時間、貯存時間（、下降時間號，并說 明其物理意義。6 . BJT共基極與共射極輸出特性曲線的比較。答案：（1）輸出電流增益共射極要遠遠高于共基極，即P »。; （2）共射極輸出特性 曲線的末端上翹，是由于E

20、arly效應的緣故緣故；（3）因為共機共基極輸出特性曲線的 斜率比共射極的小，所以其輸出電阻要大于共射極接法的輸出電阻；（4）由于共射極接法的電壓落在兩個結(jié)上，即丫廢=% + VB£，則，E還未減小到零時，1c已經(jīng)開始下降，而共基極揭發(fā)時VCB下降到零以后，1c才開始下降。7 .改善晶體管頻率特性的主要措施。答案：（1）降低基區(qū)渡越時間工，如減小基區(qū)寬度等；（2）降低發(fā)射區(qū)渡越時間工， be如減小W 增加發(fā)射區(qū)少子的擴散長度，作較陡的雜質(zhì)分布，以減小減速場的作用； E（3）降低發(fā)射結(jié)充放電時間Tfe和集電結(jié)充放電時間T屋 如減小發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的面 積等；（4）降低T ,如降低集電極電

21、阻率，但會降低集電區(qū)的擊穿電壓；（5）降低Teb , 如降低發(fā)射結(jié)面積；（6）降低。如降低。*和rC等。（五）計算題1 .某一鍺低頻小功率合金晶體管，其N型Ge基片電阻率為1.5 Q-cm,用錮合金在550c 下燒結(jié)，根據(jù)飽和溶解知發(fā)射區(qū)和集電區(qū)摻雜濃度約為3x10i8/cm-3,求丫。已知卬戶50 .m, Lne=5 .m。2 .雙擴散晶體管,Xjc=3.m，Xe=1.5.m,NB （0） = 5x10i7cm-3, Nc= 5x10i5cm-3。 求基區(qū)雜質(zhì)分布為指數(shù)分布時的基區(qū)自建電場； 計算基區(qū)中工=0.2處擴散電流分量與漂移電流分量之比。 叫b3 .已知某一均勻基區(qū)硅NPN晶體管的丫

22、 = 0.99, BUCBO = 150 V, Wb =18.7.m以及基區(qū)中電 子壽命t =1 .s,求a ,。，P* （忽略發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復合和叢區(qū)表面復合）以及BUfc nb0CEO的數(shù)值。已知Dn = 35 cm2/s。4 . NPN雙擴散外延平面晶體管，集電區(qū)電阻率=1.2 Q-cm,集電區(qū)厚度WC =10 .m,硼擴散 表面濃度NB5x1018cm-3,結(jié)深Xjc =1.4.m。求集電極偏置電壓分別為25V和2V時產(chǎn) 生基區(qū)擴展效應的臨界電流密度。5 .經(jīng)理論計算，某一晶體管的集電結(jié)雪崩擊穿電壓UB =50V,但測量其UPT =20V, BUebo = 6V,能否根據(jù)測量數(shù)據(jù)求出

23、該晶體管BUCBO的數(shù)值？6 .已知某一功率晶體管的管芯熱阻為0.2 /W,管殼熱阻為0.4 /W,散熱器到外界空氣 的熱阻為0.4/W,其集電極電壓為5V,集電極電流為20A,室溫為20,求PN結(jié) 的結(jié)溫是多少。7 .證明在NPN均勻基區(qū)晶體管中，正向放大晶體管注入基區(qū)的少子電荷QBF設基區(qū)寬度Wb=3.m,基區(qū)雜質(zhì)濃度NB = 1017cm-3,發(fā)射結(jié)面積Ae =1x10-4cm2,當發(fā) 射結(jié)偏置電壓UBE分別為0.2 V和0.5 V時，計算基區(qū)的積累電荷Qbf，并對計算結(jié)果 進行分析討論。四、MOSFET部分（一）名詞解釋題跨導：反映外加柵極電壓（Input）變化量控制漏-源電流（Out

24、put）變化量的能力。閾值電壓:在漏和源之間半導體表面處感應出導電溝道所需加在柵電極上的電壓或柵下半導 體表面出現(xiàn)強反型時所加的柵源電壓。溝道長度調(diào)變效應：由于漏-源電壓的增大，漏端耗盡區(qū)不斷增加導致漏源電流隨溝道長度 的減小而增大的效應。夾斷特性:當電壓繼續(xù)增加到漏端柵絕緣層上的有效電壓降低于表面強反型所需的閾值電壓 UT時，漏端表面的反型層厚度減小到零，即漏端處溝道消失，只剩下耗盡區(qū)，這就是 溝道夾斷。表面反型：熱平衡態(tài)的半導體具有統(tǒng)一的費米能級，由于半導體表面能級的出現(xiàn)半導體的表 面與體內(nèi)出現(xiàn)載流子的交換，導致在表面層下面少子的濃度大于多子的濃度，即形成表 面反型。（二）填空題1. MO

25、S場效應晶體管根據(jù)溝道的導電類型可分為和兩類。2. MOS場效應晶體管根據(jù)零柵壓下是否導通可分為和兩類。3. MOS場效應晶體管根據(jù)柵壓情況，導致襯底可出現(xiàn) 狀態(tài)、平帶狀態(tài)狀態(tài)、表面耗盡狀態(tài)和 狀態(tài)四類。4. MOS場效應管的二極效應主要包括：、短溝道效應 和窄短溝道效應。5. MOS場效應管的平帶電壓的起因主要包括 和兩部分。（三）簡答題1 . N溝和P溝MOS場效應晶體管有什么不同？2 . MOS場效應晶體管的閾值電壓UT受哪些因素的影響？其中最主要的是哪個？3 .如何實現(xiàn)低閾值電壓MOS場效應晶體管？4 . MOS場效應晶體管的輸出特性曲線可分為哪幾個區(qū)？每個區(qū)對應什么工作狀態(tài)？5 .試論MOSFET的工作原理和BJT有何不同？6 .試述MOSFET中W/L的大小對其性能參數(shù)有何影響？7 .為