半導(dǎo)體器件試題

作業(yè)三答案一、名詞解釋(1)單邊突變結(jié)：若pn結(jié)面兩側(cè)為均勻摻雜，即由濃度分別為N和N的adp型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的pn結(jié)，稱為突變結(jié)。若一邊摻雜濃度遠大于另一邊摻雜濃度，即N>>N或N>>N，這種pn結(jié)稱為單a dd a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擬甚至大于平衡多子濃度的情況稱為大注入。(3)小信號：信號幅度很小，滿足條件V〈〈(kT/e)=26mV。雪崩擊穿：在反向偏置時，勢壘區(qū)中電場較強。隨著反向偏壓的增加，勢壘區(qū)中電場會變得很強，使得電子和空穴在如此強的電場加速作用下具有足夠大的動能，以至于它們與勢壘區(qū)內(nèi)原子發(fā)生碰撞時能把價鍵上的電子碰撞出來成為導(dǎo)電電子，同時產(chǎn)生一個空穴。新產(chǎn)生的電子、空穴在強電場加速作用下又會與晶格原子碰撞轟擊出新的導(dǎo)電電子和空穴……，如此連鎖反應(yīng)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。齊納擊穿對重摻雜PN結(jié)，隨著結(jié)上反偏電壓增大，可能使P區(qū)價帶頂高于N區(qū)導(dǎo)帶底。P區(qū)價帶的電子可以通過隧道效應(yīng)直接穿過禁帶到達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。勢壘電容當(dāng)PN結(jié)外加電壓變化時，引起勢壘區(qū)的空間電荷的變化，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壘電容。(7)擴散電容對于正偏pn結(jié)，當(dāng)外加偏壓增加時，注入n區(qū)的空穴增加，在n區(qū)的空穴擴散區(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)生的電荷存儲效應(yīng)等效為電容，稱為擴散電容。耗盡層近似在空間電荷區(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。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>n2。這些i過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，于是會有載流子產(chǎn)生。i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—空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流。二、簡答題.對于實際的Sipn結(jié)：①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？②正向電流與溫度和摻雜濃度的關(guān)系分別怎樣？③反向電流與溫度和摻雜濃度的關(guān)系分別怎樣？④正向電壓與溫度和摻雜濃度的關(guān)系分別怎樣？答：①對于實際的Sipn結(jié)，正向電流主要包括有少數(shù)載流子在兩邊擴散區(qū)中的擴散電流和勢壘區(qū)中復(fù)合中心的復(fù)合電流，在小電流時復(fù)合中心的復(fù)合電流將起重要作用；反向電流主要包括有少數(shù)載流子在兩邊擴散區(qū)中的反向擴散電流和勢壘區(qū)中復(fù)合中心的產(chǎn)生電流，但在大小上，pn結(jié)的反向電流往往是復(fù)合中心的產(chǎn)生電流為主。②影響Sipn結(jié)正向電流溫度關(guān)系的主要是擴散電流分量(復(fù)合電流的溫度關(guān)系較小)。當(dāng)溫度升高時，勢壘高度降低，則注入的少數(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高而減小，這主要是由于勢壘高度增大、使得少數(shù)載流子的濃度梯度減小了的緣故。③雖然通過Sipn結(jié)的反向電流主要是復(fù)合中心的產(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)載流子的擴散電流分量（產(chǎn)生電流的溫度關(guān)系較?。．?dāng)溫度升高時，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，反向電流增大一倍）。當(dāng)摻雜濃度提高時，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高而減小。④pn結(jié)的正向電壓將隨著溫度的升高而降低，這是由于勢壘高度降低了的緣故（正向電壓的溫度變化率、-2mV/°C）；pn結(jié)的正向電壓將隨著摻雜濃度的提高而增大，這是由于勢壘高度提高了的緣故。.簡要的回答并說明理由：①pn結(jié)的勢壘電容與電壓和頻率分別有何關(guān)系？②pn結(jié)的擴散電容與電壓和頻率分別有何關(guān)系？答：①pn結(jié)的勢壘電容是勢壘區(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，勢壘厚度就越大，則勢壘電容越小。加有正向偏壓時，則勢壘厚度減薄，勢壘電容增大，但由于這時正偏pn結(jié)存在有導(dǎo)電現(xiàn)象，不便確定勢壘電容，不過一般可認為正偏時pn結(jié)的勢壘電容等于零偏時勢壘電容的4倍。pn結(jié)的勢壘電容與頻率無關(guān)：因為勢壘電容在本質(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?？焖俚倪^程，所以即使在高頻信號下勢壘電容也存在，因此不管是高頻還是低頻工作時，勢壘電容都將起著重要的作用。②pn結(jié)的擴散電容是兩邊擴散區(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，注入到擴散區(qū)中的少數(shù)載流子越多，則擴散電容越大，因此擴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間t（產(chǎn)生壽命或者復(fù)合壽命的時間），當(dāng)電壓信號頻率f較高（①三2nf>1/t）時，少數(shù)載流子數(shù)量的增、減就跟不上，則就呈現(xiàn)不出電容效應(yīng)，所以擴散電容只有在

低頻下才起作用。.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：正向偏壓PN1結(jié)PN電流的分布圖象（包括少子與多子的電流）:弟子空穴電癱步子電子電濡空穴擴散電流電子獷散電流弟子空穴電癱步子電子電濡空穴擴散電流電子獷散電流止偏下因結(jié)內(nèi)的理想電子電流與空穴電解成分正偏電流圖像:當(dāng)電流由p區(qū)歐姆接觸進入時，幾乎全部為空穴的漂移電流；空穴在外電場作用下向電源負極漂移；由于少子濃度遠小于多子濃度可以認為這個電流完全由多子空穴攜帶?？昭ㄑ豿方向進入電子擴散區(qū)以后，一部分與n區(qū)注入進來的電子不斷地復(fù)合，其攜帶的電流轉(zhuǎn)化為電子擴散電流；另一部分未被復(fù)合的空穴繼沿x方向漂移，到達-％的空穴電流，通過勢壘區(qū)；若忽略勢p壘區(qū)中的載流子產(chǎn)生-復(fù)合，則可看成它全部到達了x處，然后以擴散運動n繼續(xù)向前，在n區(qū)中的空穴擴散區(qū)內(nèi)形成空穴擴散流；在擴散過程中，空穴還與n區(qū)漂移過來的電子不斷地復(fù)合，使空穴擴散電流不斷地轉(zhuǎn)化為電子漂移電流；直到空穴擴散區(qū)以外，空穴擴散電流全部轉(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。.對PN結(jié)解連續(xù)性方程基于哪幾個基本假設(shè)得到下述I—V特性？eDneDpeVI=A(—n^Pr+—P-^0r)(ekT-1)LLnp請說明實際伏安特性與上述表達式給出的理想伏安特性的主要差別以及導(dǎo)致這些差別的主要原因(只要求說明原因，不要求具體解釋)。答:上述PN結(jié)I—V特性是針對符合以下假設(shè)條件的理想pn結(jié)模型得到的。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Ap<<nno，在p區(qū)中要求An<<ppo。nno和ppo分別為n和p區(qū)平衡電子和空穴濃度。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)載流子的運動純?yōu)閿U散。不考慮耗盡層中的載流子產(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。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。實際PN結(jié)伏安特性與理想特性的主要差別是：(a)正向特性小電流范圍實際電流大于理論值，而且電流與電壓之間的關(guān)系為［exp(eV/2kT)-l］。原因是小電流時勢壘區(qū)實際存在的復(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)-l］。原因是大電流時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。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)在反向偏置時，實際反向電流大于理論值，而且不“飽和”。原因是反向時勢壘區(qū)存在產(chǎn)生而形成勢壘區(qū)產(chǎn)生電流；此外還存在表面復(fù)合電流等影響。.畫出PN結(jié)二極管交流小信號等效電路圖(包括串聯(lián)電阻、直流電導(dǎo)-擴散電阻的倒數(shù)、耗盡層電容和擴散電容)，分別給出它們的定義和主要的影響因素。o i? 「 < ~cc(i--%- V-叩P耗盡層電容。:j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：偏壓擴散電容。：d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-高頻時可以忽略，低頻時變大偏壓的影響-隨正偏壓增大而增大直流電導(dǎo)g：d定義：擴散電阻廠（pn結(jié)的直流電阻）的倒數(shù)。d主要的影響因素：擴散電流。與擴散電流（高的正偏電壓）成正比。反偏電壓時很小。串聯(lián)電阻廠：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。.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:.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：p n理想PN結(jié)反向偏壓情況下少數(shù)載流子分布：nn理想PN結(jié)正向偏壓情況下少數(shù)載流子電流分布:弟子空穴電癱步子電子電浦空穴獷微電流電子獷散電流止偏下因結(jié)內(nèi)的理想電子電流與空穴電解成分弟子空穴電癱步子電子電浦空穴獷微電流電子獷散電流止偏下因結(jié)內(nèi)的理想電子電流與空穴電解成分三、計算題1?從J=eDn ,dn+en日E1?從J=eDn ,處處相等。證明:_ _dn證明:J=en日E+eD一

nnndx

kT——NendnTOC\o"1-5"\h\zJ=enNE+kTN一

n n ndxE-En=Nexp(—f c)ckTdEdE cdxdxc cdxdxc)■ kT——=Nexp(—f <dxckTndE=ndE=——(—FkTdxndEJ=enNE+kTN——(一n n nkTdxdEdEndEJ=enNE+kTN——(一n n nkTdxdEdEdxdx1dEdE=enN[E+—(f—cnedxdx)]dE d[—e[(x)].=dxdxdx1dEJ=enN[E+-(—f—eE)]nnedx1dE=enN[E+ f—E)]nedxdE

=nN——F

ndxdEJ=nN——F

n ndxdEJdx nNn對于熱平衡時，空f空f-0,E

dx F=常數(shù)2.短二極管I-V方程的推導(dǎo)計算（n型區(qū)的長度W遠小于少子空穴的擴散長度nL,即W<<L)；1p 11inIII1fl1I I-“04在P區(qū)內(nèi)%的區(qū)域：P32(8n)6n p———^=0 (x〈一x)3x2 L pn其中L=DTn nn0在n區(qū)內(nèi)x>x的區(qū)域：n32(8p) 8p n-——n=0 (x>x)3x2 L np其中L2=DTp pp0少子濃度邊界條件為TOC\o"1-5"\h\z,、 一i、n(—x)=nexp(-a)pp p0 kT/、 ,eV、p(x)=pexp(—a)nn n0 kTp(x=x+W)=pn nn n0則過剩少子濃度邊界條件為eV、一8n(—x)=n[exp(—a)—1]pp p0 kTe ^Vr8p(x)=p[exp(a)—1]nn n0 kT8p(x=x+W)=0n nn過剩少子濃度為：x. x5n(x)=n(x)-n=Aexp(——)+Bexp(-——),

pppo L Ln n(x<-x)px,x ,、 一，X、_ .X、 、5p(x)=p(x)-p=Cexp(——)+Dexp(-——), (x>x)n n n0 L L nP P由邊界條件可知：系數(shù)B必須為零。, /、zeVx,A=nexp(-p)[exp(—a)-1]p0LkTneV,P[exP( a)-1]C_- n0 kT一—產(chǎn)、rw;exp(-n)-exp(--*)L LeV、p[exp(-Ta)-1]D_ n0 kTW、 /w、exp(-n)-exp(--n)L Lexp(x+w

n n-)L

p則eV x+x5n(x)_n(x)-n_n[exp(—a)-1]ex