2014年贵州大学半导体器件物理复习题

化而变化，这种效应类似于电容器的充放电。这就是耗尽层电容。耗尽层两边的中性区类似于平板电容器的两个极板，耗尽层是极板之间的介质，因此，耗尽层电容可用平板电容器公式来计算，单位面积电容等于耗尽层介电常数除以耗尽层厚度，即Cj?常数，W为耗尽层厚度。

pn结扩散电容：耗尽层外非平衡载流子扩散区内积累的非平衡电荷的总量，随着外加电压的增减而增减，这种电容效应就是扩散电容。以单边突变p+n结为例，n区非平衡空穴扩散区内积累的非平衡空穴电荷的总量为J?,?为非平衡空穴寿命。扩散电容为C?dQD?d(J?)?qJ?。

ddVdVkT??0，其中，?、?分别半导体的相对介电常数和真空介电

0W13. 简述pn结的反向恢复过程。缩短反向恢复过程的措施有哪些？

反向恢复过程的物理实质是PN结正偏时，扩散区积累的非平衡载流子的消散过程和PN结空间电荷区势垒电容的放电过程，空间电荷边界处非平衡载流子浓度降到零时，存储过程结束，当扩散区非平衡空穴降为零时，下降过程结束。

措施一：降低非平衡载流子的寿命，掺入适量的复合中心杂质。 措施二：减薄低掺杂一侧的厚度。

14. 简述npn晶体管开关过程中的存储过程。缩短存储过程的措施有哪些?

当双极型晶体管BE极电压由高电平跳变到低电平时，集电极电流并不立即跳变到截止状态（截止状态只有很小的C、E间反向漏电流），而是继续维持正向大电流，然后开始下降，最后进入截止状态。晶体管的存储过程对应于晶体管维持正向大电流直至开始下降的过程。从输入负跳时刻起到到输出大电流开始下降经历的时间，称为存储时间，如图9(a)。

如图9(b)，BJT饱和导通，BE、BC结均正偏，在基区和集电区出现超量存储电荷(主要是集电区的存储的空穴电荷)。存储过程就是超量存储电荷的因反抽和复合而消散的过程。

15. 简述MOSFET短沟道效应对阈值电压的影响。

短沟道效应：当沟道长度缩短到与漏源结深相比拟时，栅压所控制的沟道电荷和耗尽层电荷减少。在分析阈电压时已经得到

VT?VFB?2?f?Qd 144

Cox对于n沟道MOSFET，Qd??qNAxdmax，意味着沟道下面的矩型区域的电荷都是由栅压所控制的，或者说矩形区域的电荷对阈电压VT都有贡献。实际上，这个矩型区域包括了漏源耗尽区的一部分，如图4.50所示，栅压控制的耗尽区电荷只是梯形区域的部分。设对VT有贡献的平均电荷密度为QAG，由图4.50得到

QAG??qNAxdmaxL?L' 145 2L式中，L为沟道的结构长度，L'为梯形耗尽区域的底边长度。令L? L'= ?L，则由图4.50得到

?L21/2?[(xj?xdmax)2?xd?xj (4.146) max]2于是，(4.145)式可以表示为

QAG??qNAxdmax{1?xjL[(1?2xdmax1/2 (4.147)

)?1]}xj当L >>xj时，QAG?Qd，否则，|QAG|?|Qd|。从(4.144)式可以看出，对于n沟道MOSFET，沟道方向的尺寸效应使阈电压VT降低。

16. 简述MOSFET衬底偏置效应对阈值电压的影响。

17. 简述MOSFET亚阈值区导电现象，它对集成电路的运行特性有何影响？

18. 简述双极型晶体管的基区宽度调制效应。

晶体管在放大态工作时，当集电结上的电压发生变化时，集电结的势垒宽度随之发生变化，相应地使得基区宽度W也发生变化，势垒宽度随着Vcb的增大而增大，基区宽度则随着Vcb的增大而减小，这种集电结电压的变化而使基区宽度发生变化的现象。

分析与计算

1. 计算pn结的接触电势差。

例题：分别计算室温锗pn结和硅pn结的接触电势差，pn结两边的杂质浓度 ND=5?1017 cm?3，NA=5?1016 cm?3。(ni(Si)?1.5?1010cm?3,ni(Ge)?2.5?1013cm?3。)

硅pn结： 锗pn结：

kTNDNA5?1017?5?1016Vbi?ln?0.0259?lnqni2(1.5?1010)2 ?0.0259?(ln ?0.837 (V)

2. 计算空间电荷区宽度。

Vbi?

kTNDNA5?1017?5?1016ln?0.0259?lnqni2(2.5?1013)225?ln107)6.25

25?ln1013)2.25 ?0.0259?(ln ?0.453 (V)例题：突变硅pn结的参数为 Na = 2.25?1017 cm?3 ，Nd = 1015 cm?3. T = 300 K，计算零偏时的空间电荷区宽度 W。(Si: ni =1.5?1010 cm?3)

Vbi?0.0259ln2?Vbi?qNd2.25?1017?1015?0.7156 (V) 102(1.5?10)W?2?11.7?8.85?10?14?0.7156 ?9.6?10?5(cm)1.6?10?19?10153. 计算双极型晶体管的发射结注入效率?、基区输运系数?T。 4. 计算pn结的击穿电压。

例题：硅pn结NA=1.5?1018 cm-3, ND=1.5?1016 cm-3, 设pn 结击穿时的最大电场为5?105 V/cm, 计算pn结的击穿电压。

VB?2?sEcrit2qNB?11.7?8.85?10?14?25?1010 ?53.9 (V)?19162?1.6?10?1.5?105. 计算长沟道MOSFET的阈值电压。计算阈值电压调整所需的杂质注入量。

例题：硅n沟道MOSFET， n+多晶硅栅极， NA= 1017 cm?3, tox = 5 nm, Qox = 3?1010 cm?2。 计算阈值

电压。若将阈值电压调整到0.5V，计算注入杂质的面密度和类型。

NAkT1017?fp?ln?0.0259?ln?0.407 (V)10qni1.5?10氧化层电容

Cox??oxtox?3.9?8.85?10?14 ?6.9?10?7 (F/cm2)?75?10衬底最大耗尽层厚度

xdmax?[2?s(2?fp)qNA]1/2?[ 2?11.7?8.85?10?14?0.8141/2]?1.03?10?5 (cm)?19171.6?10?10衬底耗尽层电荷

Qd??qNAxdmax??1.6?10?19?1017?1.03?10?5??1.648?10?7 (C/cm2)

氧化层等效电荷

Qox?1.6?10?19?3?1010?4.8?10?9 (C/cm2)

近似认为，对于n+ 多晶硅栅极，费米能级EF与导带底能级EC重合，则n+ 多晶硅栅极与衬底功函数差为

?ms??(Eg2??fp)??(0.56?0.407)??0.967 (V)

阈值电压

VT?2?fp?

QdQ??ms?oxCoxCox(1.648?0.048)?10?7?0.814?0.967?6.9?10?7?0.814?0.967?0.232

?0.082 (V)将阈值电压调整到0.5V，需要增大耗尽层电离受主电荷密度，应注入p型杂质。设注入耗尽区的受主杂质密度为DI, 则

?VT?0.5?0.082?0.418?DI?qDICox

?VTCoxq?0.418?6.9?10?7?1.8?1012 ( cm?2 )?191.6?106. 计算pn结的反向饱和电流和反向产生电流。

例题：室温硅pn结NA=1018 cm?3，ND=1016 cm?3，τn=τp=0.1μs，Dn=25 cm2/s, Dp=13 cm2/s，计算: (1) pn结的反向饱和电流密度；(2) 2V反偏电压下的反向产生电流密度； 接触电势差：

Vbi?kTNDNA1018?1016ln?0.0259?lnqni2(1.5?1010)2 ?0.0259?(?ln2.25?ln1014) ?0.814 (V) (~0.817)耗尽区宽度?2??0(Vbi?|V|)?W(?2V)???qN??1/2

?2?11.7?8.85?10(0.814?2)? ???1.6?10?19?1016???4 ?0.6035?10 cm?141/2

电子和空穴扩散长度

Ln?Lp?Dn?Dp?n??10?7?25?15.8?10?4 (cm)10?7?13?11.4?10?4 (cm)

ppn结反向饱和电流密度

?qDnnp0qDppn0?qDppn0Js??????LLp?Lpn??1.6?10?19?13?2.25?104 ?11.4?10?4 ?4.105?10?11 (A/cm2)2V反偏下的产生电流qnWJgen?i2?1.6?10?19?1.5?1010?0.6035?10?4 ?2?10?7 ?7.24?10?7 (A/cm2)