關於半導體器件物理知識三篇

半導體器件物理篇一：半導體器件物理習題答案

1、簡要的回答並説明理由：①p+-n結的勢壘寬度主要決定於n型一邊、還是p型一邊的摻雜濃度？②p+-n結的勢壘寬度與温度的關係怎樣？③p+-n結的勢壘寬度與外加電壓的關係怎樣？④Schottky勢壘的寬度與半導體摻雜濃度和温度分別有關嗎？

【解答】①p+-n結是單邊突變結，其勢壘厚度主要是在n型半導體一邊，所以p+-n結的勢壘寬度主要決定於n型一邊的摻雜濃度；而與p型一邊的摻雜濃度關係不大。因為勢壘區中的空間電荷主要是電離雜質中心所提供的電荷（耗盡層近似），則摻雜濃度越大，空間電荷的密度就越大，所以勢壘厚度就越薄。②因為在摻雜濃度一定時，勢壘寬度與勢壘高度成正比，而勢壘高度隨着温度的升高是降低的，所以p+-n結的勢壘寬度將隨着温度的升高而減薄；當温度升高到本徵激發起作用時，p-n結即不復存在，則勢壘高度和勢壘寬度就都將變為0。③外加正向電壓時，勢壘區中的電場減弱，則勢壘高度降低，相應地勢壘寬度也減薄；外加反向電壓時，勢壘區中的電場增強，則勢壘高度升高，相應地勢壘寬度也增大。④Schottky勢壘區主要是在半導體一邊，所以其勢壘寬度與半導體摻雜濃度和温度都有關（摻雜濃度越大，勢壘寬度越小；温度越高，勢壘寬度也越小）。

2、簡要的回答並説明理由：①p-n結的勢壘高度與摻雜濃度的關係怎樣？②p-n結的勢壘高度與温度的關係怎樣？③p-n結的勢壘高度與外加電壓的關係怎樣？

【解答】①因為平衡時p-n結勢壘（內建電場區）是起着阻擋多數載流子往對方擴散的作用，勢壘高度就反映了這種阻擋作用的強弱，即勢壘高度表徵着內建電場的大小；當摻雜濃度提高時，多數載流子濃度增大，則往對方擴散的作用增強，從而為了達到平衡，就需要更強的內建電場、即需要更高的勢壘，所以勢壘高度隨着摻雜濃度的提高而升高（從Fermi能級的概念出發也可説明這種關係：因為平衡時p-n結的勢壘高度等於兩邊半導體的Fermi能級的差，當摻雜濃度提高時，則Fermi能級更加靠近能帶極值[n型半導體的更靠近導帶底，p型半導體的更靠近價帶頂]，使得兩邊Fermi能級的差變得更大，所以勢壘高度增大）。②因為温度升高時，半導體的Fermi能級將遠離能帶極值，所以p-n結兩邊半導體的Fermi能級的差變小，所以勢壘高度將隨着温度的升高而降低。③當p-n結上加有正向電壓時，即使勢壘區中的總電場減弱，則勢壘高度降低；當加有反向電壓時，即使勢壘區中的總電場增強，則勢壘高度增大。

3、簡要的回答並説明理由：①p-n結的勢壘電容與電壓和頻率分別有何關係？②p-n結的擴散電容與電壓和頻率分別有何關係？

【解答】①p-n結的勢壘電容是勢壘區中空間電荷隨電壓而變化所引起的一種效應（微分電容），相當於平板電容。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，但由於這時正偏p-n結存在有導電現象，不便確定勢壘電容，不過一般可認為正偏時p-n結的勢壘電容等於0偏時勢壘電容的4倍。p-n結的勢壘電容與頻率無關：因為勢壘電容在本質上是多數載流子數量的變化所引起的，而多數載流子數量的變化是非常快速的過程，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，勢壘電容都將起着重要的作用。②p-n結的擴散電容是兩邊擴散區中少數載流子電荷隨電壓而變化所引起的一種微分電容效應，因此擴散電容是伴隨着少數載流子數量變化的一種特性。正向電壓越高，注入到擴散區中的少數載流子越多，則擴散電容越大，因此擴散電容與正向電壓有指數函數關係。又，由於少數載流子數量的變化需要一定的時間t（產生壽命或者複合壽命的時間），當電壓信號頻率f較高（ω≡2πf > 1/t）時，少數載流子數量的增、減就跟不上，則就呈現不出電容效應，所以擴散電容只有在低頻下才起作用。

4、對於實際的Si/p-n結：①正向電流和反向電流分別主要包含哪些不同性質的電流分量？②正向電流與温度和摻雜濃度的關係分別怎樣？③反向電流與温度和摻雜濃度的關係分別怎樣？④正向電壓與温度和摻雜濃度的關係分別怎樣？

【解答】①對於實際的Si/p-n結，正向電流主要包括有少數載流子在兩邊擴散區中的擴

散電流和勢壘區中複合中心的複合電流，在小電流時複合中心的複合電流將起重要作用；反向電流主要包括有少數載流子在兩邊擴散區中的反向擴散電流和勢壘區中複合中心的產生電流，但在大小上，p-n結的反向電流往往是複合中心的產生電流為主。②影響Si/p-n結正向電流温度關係的主要是擴散電流分量（複合電流的温度關係較小）。當温度升高時，勢壘高度降低，則注入的少數載流子濃度增加，並使得少數載流子的濃度梯度增大，所以正向電流隨着温度的升高而增大（温度每增加10 oC，正向電流約增加一倍）。正向電流將隨着摻雜濃度的提高而減小，這主要是由於勢壘高度增大、使得少數載流子的濃度梯度減小了的緣故。③雖然通過Si/p-n結的反向電流主要是複合中心的產生電流，但是就隨着温度的變化而言，起作用的主要是其中少數載流子的擴散電流分量（產生電流的温度關係較小）。當温度升高時，由於平衡少數載流子濃度增大，使得少數載流子的濃度梯度增大，所以反向電流隨着温度的升高而增大（温度每升高6 oC，反向電流增大一倍）。當摻雜濃度提高時，由於平衡少數載流子濃度減小，使得少數載流子的濃度梯度降低，所以反向電流隨着摻雜濃度的提高而減小。④p-n結的正向電壓將隨着温度的升高而降低，這是由於勢壘高度降低了的緣故（正向電壓的温度變化率≈–2 mV/oC）；p-n結的正向電壓將隨着摻雜濃度的提高而增大，這是由於勢壘高度提高了的緣故。

5、對於理想的p-n結，已知p-n結兩邊的摻雜濃度分別為NA和ND：①如果少數載流子的擴散長度分別為Ln和Lp，試近似導出該p-n結的正向伏安特性關係；②如果p型半導體電中性區的長度W<Ln，試給出這時p-n結的正向伏安特性關係。

【解答】①由於通過理想p-n結的電流主要是少數載流子的擴散電流，因此，只要給出了少數載流子的濃度梯度，即可立即得到相應的`電流。根據已知的摻雜濃度可有：

p型半導體中的平衡少數載流子濃度為npo=ni2/ppo≈ni2/NA，

n型半導體中的平衡少數載流子濃度為pno=ni2/nno≈ni2/ND；

當正向電壓為VF時，則由p型半導體注入到n型半導體的空穴濃度為：

pn(0) = pno exp(qVF/kT)，

相應地，由n型半導體注入到p型半導體的電子濃度為：

np(0) = npo exp(qVF/kT)；

若近似認為在p-n結兩邊的少數載流子濃度的分佈是指數函數，則在兩邊擴散區頭部處的少數載流子濃度梯度分別為：

(dnp/dx)|x=0’≈ np(0)/Ln 和 (dpn/dx)|x=0 ≈ pn(0)/Lp。

於是，在n型一邊的空穴擴散電流密度與電壓的關係可求出為：

Jp = －qDp(dpn/dx)|x=0 ≈ －qDp [pn(0)/Lp] = －(qDp pno /Lp) exp(qVF/kT)

≈ －(qDp ni2 / ND Lp) exp(qVF/kT),

同樣，在p型一邊的電子擴散電流密度與電壓的關係可求出為：

Jn = qDn(dnp/dx)|x=0’ ≈ qDn [np(0)/Ln] = (qDn npo /Ln) exp(qVF/kT)

≈ (qDn ni2 / NA Ln) exp(qVF/kT).

所以，通過p-n結的總電流密度與電壓的關係為：

J = |Jp| + |Jn| = [(qDn ni2 / NA Ln)+ (qDp ni2 / ND Lp)] exp(qVF/kT)

= q ni2 [(Dn / NA Ln)+ (Dp / ND Lp)] exp(qVF/kT).

②如果W<Ln，則只要用W代替Ln即可：

J= q ni2 [(Dn / NA W)+ (Dp / ND Lp)] exp(qVF/kT).

可見，中性區長度的減小，將有利於增大少數載流子的擴散電流。

6、對於一般的BJT：①器件工作的電流主要是什麼性質的電流？②原則上應該從哪些方面考慮來提高BJT的電流放大係數？

【解答】①一般BJT工作的電流（集電極電流）主要是少數載流子擴散通過基區的電

流（對於Si平面管等漂移晶體管，還有基區加速電場的漂移作用），它是少數載流子電流，並且主要是擴散電流；電流的大小基本上由少數載流子在基區中的濃度梯度來決定。②可從提高發射結注射效率和提高基區輸運係數兩個方面來考慮。為了提高發射結注射效率，可增大發射區摻雜濃度、降低基區摻雜濃度、減小基區寬度、增大電中性發射區的長度、減小發射結勢壘區中以及表面的複合中心濃度。為了提高基區輸運係數，可減小基區寬度和增大基區中的少數載流子擴散長度（即增長壽命和增大擴散係數）；在基區中設置加速電場（稱為漂移晶體管），可增大少數載流子在基區中的輸運過程（漂移電場的作用可認為是使擴散係數加倍）。

另外，在提高發射結注射效率方面，現在有兩種重要的改進技術：a）若採用摻雜多晶硅來覆蓋發射區表面（稱為摻雜多晶硅晶體管），則能夠在電中性發射區長度很短（很淺）的情況下來獲得較大的電流放大係數；b）若採用寬禁帶半導體材料來製作發射區（稱為HBT），則異質發射結提供了高的注射效率，使得能夠在較大基區摻雜濃度和較低發射區摻雜濃度情況下，獲得很大的電流放大係數，這就克服了一般BJT所存在的固有內在矛盾，從而可實現超高頻和超高速性能。

7、對於處於放大狀態的npn-BJT，已知其基區的寬度和少數載流子擴散長度分別為W和Ln，並且W3kT/q，試近似導出集電極電流的表示式。

【解答】因為在VF>3kT/q時，可忽略發射結勢壘區中複合中心的影響；又W<Ln，則可

認為基區中少數載流子濃度的分佈近似為線性分佈，即基區中少數載流子濃度的梯度可表示為： (dnp/dx) ≈ np(0)/W.

而基區中的平衡少數載流子濃度為： pno=ni2/nno≈ni2/ND；

並且注入到基區的電子濃度為： np(0) = npo exp(qVEB/kT).

另外，可假定JC ≈ JE。所以，

JC ≈ JE ≈ qDn(dnp/dx)|x=0’≈ qDn [np(0)/W]

= (qDn npo /W) exp(qVEB/kT) ≈ (qDn ni2 / NA W) exp(qVEB/kT).

8、簡要説明：①限制BJT最高工作温度的主要因素是什麼？②限制BJT最高工作電壓的主要因素是什麼？③限制BJT最高工作電流的主要因素是什麼？④限制BJT最高工作頻率的主要因素是什麼？⑤限制BJT最高工作速度的主要因素是什麼？

【解答】①限制BJT最高工作温度的主要因素是半導體本徵化的温度（因為常用的半導體器件都離不開p-n結，而任何半導體在高温下都將可能轉變為本徵半導體，這樣一來，p-n結在高温下也就不復存在，器件即失效）。②限制BJT最高工作電壓的主要因素是雪崩擊穿電壓和基區穿通電壓的較小者。③限制BJT最高工作電流的主要因素是Kirk效應（對於一般的Si平面管）或者基區電導調變效應（對於合金晶體管），因為在大電流下這些效應將使得電流放大係數降低（β降低到一半時的電流為最大工作電流）。④限制BJT最高工作頻率的主要因素是p-n結勢壘電容以及載流子渡越基區和渡越集電結勢壘區的時間。⑤限制BJT最高工作速度的主要因素是存儲的少數載流子的數量。

9、對於BJT，若觀測到其輸出伏安特性都是傾斜程度較大的一組曲線，而且在IB很小和很大時的各條曲線都排列得很緊密。試簡要説明：①該BJT的性能可能存在哪些方面的問題？②在IB很小時各條曲線排列得很緊密的原因何在？③在IB很大時各條曲線也排列得很緊密的原因何在？

【解答】①共存在有六個方面的問題：a）截止電流大（即漏電大），關態性能不好；b）小電流時放大係數小（在IB很小時的各條曲線排列得很緊密）；c）大電流時放大係數降低（在IB很大時的各條曲線排列得也很緊密）；d）放大區中各條曲線的分佈不均勻，即電流

放大係數不穩定——有變化；e）放大區中各條曲線的傾斜較大，即輸出交流電阻較小（這將影響到電壓增益）；f）飽和壓降較大（功率損耗大）。②在IB很小時的各條曲線排列得很緊密，這是由於發射結勢壘區中間或者表面存在有較大的複合中心的影響，使得發射結注射效率降低、並導致放大係數變小了的緣故。③在IB很大時的各條曲線也排列得很緊密，這對於Si平面管則主要是由於Kirk效應（基區展寬效應）的影響，使得電流放大係數降低了的緣故。

(來自: 博文學習 網:半導體器件物理)

10、對於場效應晶體管（JFET和MOSFET），簡要説明：①為什麼溝道在夾斷以後還能夠通過很大的電流？②為什麼輸出伏安特性往往不飽和（即輸出電阻≠∞）？

【解答】①因為場效應晶體管的溝道（強反型層）是在半導體表面耗盡層厚度達到最大後才形成的，因此在沒有出現溝道時，半導體表面也往往是耗盡的（如弱反型層）。溝道夾斷，即是在夾斷區把溝道變成了耗盡層，因此夾斷區是高電場區，其中的電場並不形成阻擋載流子漂移運動的勢壘，而實際上載流子在夾斷區中運動得更快。溝道在夾斷以後，器件通過的電流主要決定於沒有被夾斷的剩餘溝道的尺寸，溝道夾斷也就意味着起導電作用的溝道變短了，從而通過的電流將更大。②在溝道夾斷以後，因為夾斷區是耗盡層，所以源-漏電壓就基本上降落在該夾斷區，從而輸出電流基本上就與源-漏電壓無關（輸出電流飽和）。但是實際上，由於夾斷區的尺寸隨着源-漏電壓的增大而有所增大（溝道長度調製效應），這就使得沒有被夾斷的剩餘溝道的尺寸進一步縮短，從而輸出電流進一步增加，導致場效應晶體管輸出伏安特性不飽和。對於小尺寸的場效應晶體管，DIBL效應也可能是引起輸出伏安特性不飽和的一個重要原因。

11、對於實際的增強型MOSFET，簡單説明：①閾值電壓（VT）包括哪幾個部分的電壓分量？②閾值電壓與温度的關係怎樣？③閾值電壓與摻雜濃度的關係怎樣？④在工藝上對閾值電壓的控制主要是考慮哪些方面的問題？⑤襯偏電壓對閾值電壓的影響怎樣？

【解答】①閾值電壓包括有三個部分的電壓：a）加在柵氧化層上的電壓（等於半導體耗盡層中的電荷除以柵氧化層電容）；b）使半導體表面產生強反型層（溝道）所需要的電壓（等於2倍Fermi勢）；c）平帶電壓（由金屬與半導體的功函數之差和Si-SiO2系統內部與表面的電荷所產生）。②閾值電壓隨着温度的升高而減小，這主要是由於半導體Fermi勢隨着温度的升高而減小（Fermi能級往禁帶中央移動）所造成的。③閾值電壓隨着摻雜濃度的提高而增大，這主要是由於半導體Fermi勢隨着摻雜濃度的提高而增大（Fermi能級遠離禁帶中央）所造成的。④在工藝上對閾值電壓的控制，主要是考慮如何避免Si-SiO2系統內部與表面上的電荷沾污，以免干擾精確控制閾值電壓。⑤襯偏電壓是加在場感應結上的反向電壓，將使耗盡層電荷進一步增加，這就需要更大的柵極電壓來平衡，所以襯偏電壓將使閾值電壓增大。

12、簡要説明：①MOSFET的亞閾工作狀態是利用溝道（強反型層）進行導電的嗎？②MOSFET的亞閾工作電流是多數載流子的漂移電流嗎？③亞閾工作電流與柵極電壓之間有什麼樣的關係？④亞閾狀態的重要長處是什麼？

【解答】①MOSFET的亞閾工作狀態是半導體表面弱反型（耗盡層厚度很大）的狀態，沒有出現溝道（強反型層），所以亞閾工作狀態不是利用溝道進行導電的。②亞閾工作電流是MOSFET中的寄生n-p-n/BJT的電流，是少數載流子在半導體表面勢阱（不是溝道）中的擴散電流，不是多數載流子漂移電流。③亞閾工作電流要受到半導體表面勢阱深淺（即表面勢）的影響，而半導體表面勢是受柵電壓控制的，亞閾工作電流與柵電壓基本上有指數函數的關係。④因為亞閾電流很小，則用作放大的增益也很小，所以亞閾工作狀態不宜於放大使用；但是這種很小的亞閾電流卻能夠很好地受到柵電壓控制，所以可用作為開關，並且正因為電流很小，故功耗很低，這就是亞閾工作狀態的重要長處，同時這也就是為什麼大規模集成電路中往往採用亞閾工作狀態MOSFET的原因。

半導體器件物理篇二：半導體器件物理試題庫

題庫(一)

半導體物理基礎部分

1、計算分析題

已知：在室温（T = 300K）時，硅本徵載流子的濃度為 ni = 1.5×1010/cm3 電荷的電量q= 1.6×10-19Cμn=1350 cm/V?sμp=500 cm/V?s 半導體硅材料在室温的條件下，測得 n0 = 4.5×104/cm3，

ND=5×1015/cm3

問：⑴ 該半導體是n型還是p型？

⑵ 分別求出多子和少子的濃度

⑶ 樣品的電導率是多少？

⑷ 分析該半導體的是否在強電離區，為什麼n0?ND？

2、説明元素半導體Si、Ge中的主要摻雜雜質及其作用？

3、什麼叫金屬-半導體的整流接觸和歐姆接觸，形成歐姆接觸的主要方法有那些？

4、為什麼金屬與重摻雜半導體接觸可以形成歐姆接觸？ 22

P-N部分

5、什麼叫pn結的勢壘電容？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、什麼是pn結的正向注入和反向抽取？

7、pn結在正向和反向偏置的情況下，勢壘區和載流子運動是如何變化的？

8、簡述pn結雪崩擊穿、隧道擊穿和熱擊穿的機理．

9、什麼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？

10、如圖1所示，請問本PN結的偏壓為正向，還是反向？準費米能級形成的主要原因? PN結空間電荷區寬度取決的什麼因素，對本PN結那邊空間電荷區更寬？

圖1 pn結的少子分佈和準費米能級

三極管部分

11、何謂基區寬變效應？

12、晶體管具有放大能力需具備哪些條件？

13、怎樣提高雙極型晶體管的開關速度？

14、雙極型晶體管的二次擊穿機理是什麼？

15、如何擴大晶體管的安全工作區範圍？

16、詳細分析PN結的自建電場、緩變基區自建電場和大注入自建電場的異同點。

17、晶體管的方向電流ICBO、ICEO是如何定義的？二者之間有什麼關係？

18、高頻時，晶體管電流放大係數下降的原因是什麼？

19、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域，對應圖中的什麼位置？

各自的特點是什麼?從圖中特性曲線的疏密程度，總結電流放大係數的變化趨勢，為什麼？

圖2 雙極型晶體管共發射極直流輸出特性曲線

20、如圖3所示，對於一個N+PN-N+結構的雙極晶體管，隨着集電極電流的增大

出現了那種效應？請詳細描述圖3（a-c）曲線的形成的過程。 Kirk effect

很

窄

移到襯底

基

區縮

小

圖3 集電結電場分佈隨電流增大的變化趨勢 CCCI(c)?I(b)?I(a)

MOSFET部分 擴展並偏移

21、 金屬－半導體功函數差是如何影響C-V曲線的？

22、MOSFET閾值電壓受哪些因素的影響？

23、試論MOSFET的工作原理和BJT有何不同？

24、什麼是MOSFET的跨導？怎麼提高跨導？

25、試述MOSFET中Ｗ/L的大小對其性能參數有何影響?

26、界面態對肖特基勢壘高度有什麼影響？

27、MOS場效應晶體管的輸出特性曲線可分為那幾個區，每個區有什麼特點？

28、MOS場效應管結構電容隨工作條件是如何變化的？

29、MOS場效應管的二級效應有那些，詳細分析其對MOS場效應管I-V特性的影響？

30、分析MOS場效應管短溝道效應產生的原因及可能產生的不良後果。

半導體器件物理篇三：半導體器件物理_複習重點

第一章 PN結

1.1 PN結是怎麼形成的？ 1.2 PN結的能帶圖（平衡和偏壓） 1.3 內建電勢差計算

1.2 空間電荷區的寬度計算

1.3PN結電容的計算

2.1理想PN結電流模型是什麼？

2.2 少數載流子分佈（邊界條件和近似分佈） 2.3 理想PN結電流

2.4 PN結二極管的等效電路（擴散電阻和擴散電容的概念）？

2.5 產生-複合電流的計算

2.6 PN結的兩種擊穿機制有什麼不同？

3.1 雙極晶體管的工作原理是什麼？

3.2 雙極晶體管有幾種工作模式，哪種是放大模式？ 3.3 雙極晶體管的少子分佈（圖示）

3.4 雙極晶體管的電流成分（圖示），它們是怎樣形成的？

3.5 低頻共基極電流增益的公式總結（分析如何提高晶體管的增益係數）

3.6 等效電路模型（Ebers-Moll模型和Hybrid-Pi模型）（畫圖和簡述）

3.7 雙極晶體管的截止頻率受哪些因素影響？ 3.8 雙極晶體管的擊穿有哪兩種機制？

第四章 MOS場效應晶體管基礎

4.1 MOS結構怎麼使半導體產生從堆積、耗盡到反型的變化？

（加負壓時，半導體產生堆積型，因為負電荷出現在金屬板上，如果電場穿入半導體，作為多子的空穴將會被推向氧化物—半導體表面，形成堆積；加一個小的正壓時，正電荷堆積在金屬板上，如果電荷穿過電場時，作為多子的空穴被推離氧化物—半導體表面，形成一個負的空間電荷區；加一個更大的正壓時，MOS電容中負電荷的增多表示更大的空間電荷區以及能帶彎曲程度更大，半導體表面從P型轉化為N型。） 4.2 MOS結構的平衡能帶圖（表面勢、功函數和親和能）及平衡能帶關係

4.3 柵壓的計算(非平衡能帶關係)

4.4 平帶電壓的計算

4.5 閾值電壓的計算

4.6 MOS電容的計算