半導(dǎo)體器件物理復(fù)習(xí)題

半導(dǎo)體器件物理復(fù)習(xí)題平衡半導(dǎo)體：概念題：平衡半導(dǎo)體的特征〔或稱謂平衡半導(dǎo)體的定義〕所謂平衡半導(dǎo)體或處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，是指無外界〔如電壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng)或溫度梯度等〕作用影響的半導(dǎo)體。在這種情況下，材料的所有特性均與時(shí)間和溫度無關(guān)。本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體是不含雜質(zhì)和無晶格缺陷的純潔半導(dǎo)體。受主〔雜質(zhì)〕原子：形成P型半導(dǎo)體材料而摻入本征半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子〔一般為元素周期表中的Ⅲ族元素〕。施主〔雜質(zhì)〕原子：形成N型半導(dǎo)體材料而摻入本征半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子〔一般為元素周期表中的Ⅴ族元素〕。雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體：半導(dǎo)體中同一區(qū)域既含受主雜質(zhì)又含施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體。兼并半導(dǎo)體：對(duì)N型摻雜的半導(dǎo)體而言，電子濃度大于導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度，費(fèi)米能級(jí)高于導(dǎo)帶底〔〕；對(duì)P型摻雜的半導(dǎo)體而言，空穴濃度大于價(jià)帶的有效狀態(tài)密度。費(fèi)米能級(jí)低于價(jià)帶頂〔〕。有效狀態(tài)密度：在導(dǎo)帶能量圍〔〕，對(duì)導(dǎo)帶量子態(tài)密度函數(shù)與電子玻爾茲曼分布函數(shù)的乘積進(jìn)展積分〔即〕得到的稱謂導(dǎo)帶中電子的有效狀態(tài)密度。在價(jià)帶能量圍〔〕，對(duì)價(jià)帶量子態(tài)密度函數(shù)與空穴玻爾茲曼函數(shù)的乘積進(jìn)展積分〔即〕得到的稱謂價(jià)帶空穴的有效狀態(tài)密度。以導(dǎo)帶底能量為參考，導(dǎo)帶中的平衡電子濃度：其含義是：導(dǎo)帶中的平衡電子濃度等于導(dǎo)帶中的有效狀態(tài)密度乘以能量為導(dǎo)帶低能量時(shí)的玻爾茲曼分布函數(shù)。以價(jià)帶頂能量為參考，價(jià)帶中的平衡空穴濃度：其含義是：價(jià)帶中的平衡空穴濃度等于價(jià)帶中的有效狀態(tài)密度乘以能量為價(jià)帶頂能量時(shí)的玻爾茲曼分布函數(shù)。導(dǎo)帶量子態(tài)密度函數(shù)價(jià)帶量子態(tài)密度函數(shù)導(dǎo)帶中電子的有效狀態(tài)密度價(jià)帶中空穴的有效狀態(tài)密度？本征費(fèi)米能級(jí)：是本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)；本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)的位置位于禁帶中央附近，；其中禁帶寬度。？本征載流子濃度：本征半導(dǎo)體導(dǎo)帶中電子濃度等于價(jià)帶中空穴濃度的濃度。硅半導(dǎo)體，在時(shí)，。雜質(zhì)完全電離狀態(tài)：當(dāng)溫度高于*個(gè)溫度時(shí)，摻雜的所有施主雜質(zhì)失去一個(gè)電子成為帶正電的電離施主雜質(zhì)；摻雜的所有受主雜質(zhì)獲得一個(gè)電子成為帶負(fù)電的電離受主雜質(zhì)，稱謂雜質(zhì)完全電離狀態(tài)。束縛態(tài)：在絕對(duì)零度時(shí)，半導(dǎo)體的施主雜質(zhì)與受主雜質(zhì)成電中性狀態(tài)稱謂束縛態(tài)。束縛態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體的電子、空穴濃度非常小。本征半導(dǎo)體的能帶特征：本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)的位置位于禁帶中央附近，且跟溫度有關(guān)。如果電子和空穴的有效質(zhì)量嚴(yán)格相等，則本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)的位置嚴(yán)格位于禁帶中央。在該書的其后章節(jié)中，都假設(shè)：本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)的位置嚴(yán)格位于禁帶中央?！伯嫵霰菊靼雽?dǎo)體的能帶圖〕。非本征半導(dǎo)體：進(jìn)展了定量的施主或受主摻雜，從而使電子濃度或空穴濃度偏離了本征載流子濃度，產(chǎn)生多子電子〔N型〕或多子空穴〔P型〕的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體平衡時(shí)載流子濃度之間的關(guān)系：，，本征載流子濃度強(qiáng)烈依賴與溫度。以本征費(fèi)米能級(jí)為參考描述的電子濃度和空穴濃度：從上式可以看出：如果，可以得出，此時(shí)的半導(dǎo)體具有本征半導(dǎo)體的特征。上式的載流子濃度表達(dá)式既可以描述非本征半導(dǎo)體，又可以描述本征半導(dǎo)體的載流子濃度。非本征半導(dǎo)體平衡時(shí)載流子濃度之間的關(guān)系：，補(bǔ)償半導(dǎo)體的電中性條件：其中：是熱平衡時(shí)，導(dǎo)帶中總的電子濃度；是熱平衡時(shí)，價(jià)帶中總的空穴濃度；是熱平衡時(shí)，受主能級(jí)上已經(jīng)電離的受主雜質(zhì)；是熱平衡時(shí)，施主能級(jí)上已經(jīng)電離的施主雜質(zhì)；是受主摻雜濃度；是施主摻雜濃度；是占據(jù)受主能級(jí)的空穴濃度；是占據(jù)施主能級(jí)的電子濃度。也可以將〔1〕寫成：在完全電離時(shí)的電中性條件：完全電離時(shí)，，有對(duì)凈雜質(zhì)濃度是N型時(shí)，熱平衡時(shí)的電子濃度是；少子空穴濃度是：。對(duì)凈雜質(zhì)濃度是P型時(shí)，熱平衡時(shí)的空穴濃度是；少子電子濃度是：。理解題：23.結(jié)合下列圖，分別用語言描述N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在能帶中的位置：24.費(fèi)米能級(jí)隨摻雜濃度是如何變化的？利用可分別求出：如果摻雜濃度，且利用〔5〕式得到，；如果摻雜濃度，且利用〔4〕式得到，；帶入〔6〕式得：所以，隨著施主摻雜濃度的增大，N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離本征費(fèi)米能級(jí)向?qū)Э拷矠槭裁磿?huì)向?qū)Э拷俊?；同樣，隨著受主摻雜濃度的增大，P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離本征費(fèi)米能級(jí)向價(jià)帶靠近〔為什么會(huì)向價(jià)帶靠近？〕。25.費(fèi)米能級(jí)在能帶中隨溫度的變化？由于，溫度升高時(shí)，本征載流子濃度增大，N型和P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)都向本征費(fèi)米能級(jí)靠近。為什么？26.硅的特性參數(shù)：在室溫〔時(shí)，〕硅的導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度價(jià)帶的有效狀態(tài)密度；本征載流子濃度：禁帶寬度〔或稱帶隙能量〕27.常用物理量轉(zhuǎn)換單位28.常用物理常數(shù)：29.電離能的概念：受主能級(jí)與價(jià)帶能量的差值稱謂受主雜質(zhì)電離能,即；導(dǎo)帶能量與施主能級(jí)的差值稱謂施主雜質(zhì)電離能,即；問：受主能級(jí)在能帶中的什么位置？施主能級(jí)在能帶中的什么位置？結(jié)合下列圖用語言描述。計(jì)算能使玻爾茲曼近似成立的最大摻雜濃度及費(fèi)米能級(jí)的位置。解：考慮時(shí)對(duì)硅進(jìn)展了硼摻雜，假設(shè)玻爾茲曼近似成立的條件是，硼在硅中的電離能是，假設(shè)本征費(fèi)米能級(jí)嚴(yán)格等于禁帶中央。在時(shí)，P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在與之間，所以玻爾茲曼近似成立的最大摻雜濃度是費(fèi)米能級(jí)高于本征費(fèi)米能級(jí)。半導(dǎo)體中的載流子輸運(yùn)現(xiàn)象與過剩載流子：概念題：30.半導(dǎo)體中存在兩種根本的電荷輸運(yùn)機(jī)理，一種稱謂載流子的漂移，漂移引起的載流子流動(dòng)與外加電場(chǎng)有關(guān)；另一種電荷輸運(yùn)現(xiàn)象稱謂載流子的擴(kuò)散，它是由雜質(zhì)濃度梯度引起的〔或理解為有“擴(kuò)散力〞存在引起的電荷輸運(yùn)〕。31.給半導(dǎo)體施加電場(chǎng)，載流子的漂移速度不會(huì)無限增大，而是在散射作用下，載流子會(huì)到達(dá)平均漂移速度。半導(dǎo)體主要存在著兩種散射現(xiàn)象：晶格散射和電離雜質(zhì)散射。32.載流子遷移率定義為載流子的平均漂移速度與所加電場(chǎng)的比值。電子遷移率和空穴遷移率既是溫度的函數(shù)，也是電離雜質(zhì)濃度的函數(shù)。33.當(dāng)所加的電場(chǎng)很小時(shí)，載流子的平均漂移速度與電場(chǎng)成線性關(guān)系；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)時(shí)，載流子的漂移速度到達(dá)飽和值。34.載流子的漂移電流等于電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度的乘積〔〕電導(dǎo)率與載流子濃度、遷移率成正比；電阻率是電導(dǎo)率的倒數(shù)。35.載流子的擴(kuò)散電流密度正比于擴(kuò)散系數(shù)和載流子濃度梯度。非均勻雜質(zhì)摻雜的半導(dǎo)體，在熱平衡時(shí)，會(huì)在半導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)。載流子的擴(kuò)散系數(shù)與遷移率的關(guān)系稱謂愛因斯坦關(guān)系：。練習(xí)題：36.Calculatetheintrinsicconcentrationinsiliconatandat.Thevaluesofandvaryas.Asafirstappro*i-mation,neglectanyvariationofbandgapenergytemperature.Assumethatthebandgapenergyofsiliconis.thevalueofatisthevalueofatisWefindfor,For,Wefind37.DeterminethethermalequilibriumelectronandholeconcentrationinGaAsatT=300KforthecasewhentheFermienergylevelis0.25eVabovethevalence-bandenergyEv.AssumethebandgapenergyisEg=1.42eV.(Ans.p0=4.5*1014cm-3,n0="T=300K，Nc=4.7*1017cm-3,Nv=7*1018cm-3)38.Findtheintrinsiccarrierconcentrationinsiliconat(a)T=200Kandat(b)T=400K<Ans.(a)8.13*104cm-3,(b)2.34*1012cm-3.ni=1.5*1010cm-3>.39.ConsiderapensatedgermaniumsemiconductoratT=300KdopedatconcentrationofNa=5*1013cm-3andNd=1*1013cm-3.Calculatethethermalequilibriumelectronandholeconcentrations.<Ans.p0=5.12*1013cm-3,n0=1.12*1013cm-3,ni=2.4*1013cm-3>.40.ConsiderapensatedGeAssemiconductoratT=300KdopedatconcentrationofNd=5*1015cm-3andNa=2*1016cm-3.Calculatethethermalequilibriumelectronandholeconcentrations.<Ans.p0=1.5*1016cm-3,n0=2.16*104cm-3>.(ni=1.8*106cm-3)41.Considern-typeSiliconatT=300Kdopedwithphosphorus.DeterminethedopingconcentrationsuchthatEd-EF=4.6kT(Asn.Nd=6.52*1016cm-3).(Ec-Ed=0.045eV)42.CalculatethepositionoftheFermienergylevelinn-typesiliconatT=300Kwithrespecttotheintrinsicenergylevel.ThedopingconcentrationareNd=2*1017cm-3andNd=3*1016cm-3.(Asn.EF-EFi=0.421eV).半導(dǎo)體器件物理復(fù)習(xí)題P-N結(jié)：概念題：什么是均勻摻雜P-N結(jié)？半導(dǎo)體的一個(gè)區(qū)域均勻摻雜了受主雜質(zhì)，而相鄰的區(qū)域均勻摻雜了施主雜質(zhì)。值得注意這種結(jié)稱謂同質(zhì)結(jié)。冶金結(jié)？P-N結(jié)交接面稱謂冶金結(jié)?？臻g電荷區(qū)或稱耗盡區(qū)？冶金結(jié)的兩邊的P區(qū)和N區(qū)，由于存在載流子濃度梯度而形成了空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)。該區(qū)不存在任何可移動(dòng)的電子或空穴。N區(qū)的空間電荷區(qū)由于存在著施主電離雜質(zhì)而帶正電，P區(qū)的空間電荷區(qū)由于存在著受主電離雜質(zhì)而帶負(fù)電?？臻g電荷區(qū)的建電場(chǎng)？空間電荷區(qū)的建電場(chǎng)方向由N型空間電荷區(qū)指向P型空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)的建電勢(shì)差？空間電荷區(qū)兩端的建電勢(shì)差維持著熱平衡狀態(tài)，阻止著N區(qū)的多子電子向P區(qū)擴(kuò)散的同時(shí)，也阻止著P區(qū)的多子空穴向N區(qū)擴(kuò)散。P-N的反偏狀態(tài)？P-N結(jié)外加電壓〔N區(qū)相對(duì)于P區(qū)為正，也即N區(qū)的電位高于P區(qū)的電位〕時(shí)，稱P-N結(jié)處于反偏狀態(tài)。外加反偏電壓時(shí)，會(huì)增加P-N的勢(shì)壘高度，也會(huì)增大空間電荷區(qū)的寬度，并且增大了空間電荷區(qū)的電場(chǎng)。理解P-N結(jié)的勢(shì)壘電容？隨著反偏電壓的改變，耗盡區(qū)中的電荷數(shù)量也會(huì)改變，隨電壓改變的電荷量可以用P-N結(jié)的勢(shì)壘電容描述。8.何謂P-N結(jié)正偏？并表達(dá)P-N結(jié)外加正偏電壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)何種情況？9.單邊突變結(jié)？冶金結(jié)一側(cè)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于另一側(cè)的摻雜濃度的P-N結(jié)。10.空間電荷區(qū)的寬度？從冶金結(jié)延伸到N區(qū)的距離與延伸到P區(qū)的距離之和。練習(xí)題：11.畫出零偏與反偏狀態(tài)下，P-N結(jié)的能帶圖。根據(jù)能帶圖寫出建電勢(shì)的表達(dá)式。12.導(dǎo)出單邊突變結(jié)空間電荷區(qū)電場(chǎng)的表達(dá)式，并根據(jù)導(dǎo)出的表達(dá)式描述最大電場(chǎng)的表達(dá)式，解釋反偏電壓時(shí)空間電荷區(qū)的參數(shù)如勢(shì)壘電容，空間電荷區(qū)寬度，電場(chǎng)強(qiáng)度如何隨反偏電壓變化。13.假設(shè)固定ND=1015cm-3,分別計(jì)算〔1〕NA=1015cm-3；〔2〕NA=1016cm-3；〔3〕NA=1017cm-3；〔4〕NA=1018cm-3；T=300K時(shí)的建電勢(shì)值。14.假設(shè)硅半導(dǎo)體突變結(jié)的摻雜濃度為NA=2*1016cm-3，ND=2*1015cm-3，T=300K。計(jì)算〔1〕Vbi；〔2〕VR=0與VR=8V時(shí)的空間電荷區(qū)寬度W，〔3〕VR=0與VR=8V時(shí)的空間電荷區(qū)中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度。15.在無外加電壓的情況下，利用p-n結(jié)空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)分布圖推導(dǎo)出：〔1〕建電勢(shì)〔2〕總空間電荷區(qū)寬度W="〔3〕N型一側(cè)的耗盡區(qū)寬度〔4〕P型一側(cè)的耗盡區(qū)寬度〔5〕冶金結(jié)處的最大電場(chǎng)解：解：由〔1〕、〔2〕兩方程得：〔3〕＋〔4〕得：解：將帶入〔3〕和〔4〕得：解：由方程〔1〕得：當(dāng)外加反向電壓等于時(shí)：N型耗盡區(qū)上的壓降：N型耗盡區(qū)上的壓降：建電勢(shì)：半導(dǎo)體器件物理復(fù)習(xí)題四．P-N結(jié)二極管1．在P-N結(jié)外加正偏Va時(shí)，利用Vbi=VTln(NAND/ni2)導(dǎo)出N區(qū)和P區(qū)空間電荷區(qū)邊緣處的少子濃度相關(guān)的邊界條件是：2.畫出正偏電壓下空間電荷區(qū)邊緣附近過剩少數(shù)載流子分布圖，指出少子濃度是按何種關(guān)系分布的。3.假設(shè)硅P-N結(jié)，其摻雜濃度是NA=2*1016cm-3，ND=5*1015cm-3，當(dāng)T=300K時(shí)，外加正偏電壓Va=0.610V。計(jì)算空間電荷區(qū)邊緣處的少子濃度4.少子空穴擴(kuò)散電流密度的表達(dá)式是？少子電子擴(kuò)散電流密度的表達(dá)式是？5.寫出理想二極管電壓－電流關(guān)系方程。6．當(dāng)二極管正偏時(shí)，在T=300K。分別計(jì)算電流變?yōu)樵瓉淼?0倍、100倍時(shí)，正向電壓的改變量是？〔記住ln10=2.3，T=300K時(shí)的VT＝26mV〕。理解MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電流－電壓方程：當(dāng)器件工作在線性區(qū)時(shí)〔即時(shí)〕，NMOS器件漏極電流與電壓的關(guān)系是：