半导体器件物理习题答案
1、简要的回答并说明理由：、简要的回答并说明理由：p+-n 结的势垒宽度主要决定于结的势垒宽度主要决定于 n 型一边、还是型一边、还是 p 型一型一 边的掺杂浓度？边的掺杂浓度？p+-n 结的势垒宽度与温度的关系怎样？结的势垒宽度与温度的关系怎样？p+-n 结的势垒宽度与外加电结的势垒宽度与外加电 压的关系怎样？压的关系怎样？Schottky 势垒的宽度与半导体掺杂浓度和温度分别有关吗？势垒的宽度与半导体掺杂浓度和温度分别有关吗？ 【解答】p+-n 结是单边突变结，其势垒厚度主要是在 n 型半导体一边，所以 p+-n 结的势垒宽度主要决定于 n 型一边的掺杂浓度；而与 p 型一边的掺杂浓度关系不大。因为 势垒区中的空间电荷主要是电离杂质中心所提供的电荷（耗尽层近似） ，则掺杂浓度越大， 空间电荷的密度就越大，所以势垒厚度就越薄。因为在掺杂浓度一定时，势垒宽度与势 垒高度成正比，而势垒高度随着温度的升高是降低的，所以 p+-n 结的势垒宽度将随着温度 的升高而减薄；当温度升高到本征激发起作用时，p-n 结即不复存在，则势垒高度和势垒 宽度就都将变为0。外加正向电压时，势垒区中的电场减弱，则势垒高度降低，相应地 势垒宽度也减薄；外加反向电压时，势垒区中的电场增强，则势垒高度升高，相应地势垒 宽度也增大。Schottky 势垒区主要是在半导体一边，所以其势垒宽度与半导体掺杂浓度 和温度都有关（掺杂浓度越大，势垒宽度越小；温度越高，势垒宽度也越小） 。 2、简要的回答并说明理由：、简要的回答并说明理由：p-n 结的势垒高度与掺杂浓度的关系怎样？结的势垒高度与掺杂浓度的关系怎样？p-n 结结 的势垒高度与温度的关系怎样？的势垒高度与温度的关系怎样？p-n 结的势垒高度与外加电压的关系怎样？结的势垒高度与外加电压的关系怎样？ 【解答】因为平衡时 p-n 结势垒（内建电场区）是起着阻挡多数载流子往对方扩散 的作用，势垒高度就反映了这种阻挡作用的强弱，即势垒高度表征着内建电场的大小；当 掺杂浓度提高时，多数载流子浓度增大，则往对方扩散的作用增强，从而为了达到平衡， 就需要更强的内建电场、即需要更高的势垒，所以势垒高度随着掺杂浓度的提高而升高 （从 Fermi 能级的概念出发也可说明这种关系：因为平衡时 p-n 结的势垒高度等于两边半 导体的 Fermi 能级的差，当掺杂浓度提高时，则 Fermi 能级更加靠近能带极值n 型半导体 的更靠近导带底，p 型半导体的更靠近价带顶，使得两边 Fermi 能级的差变得更大，所以 势垒高度增大） 。因为温度升高时，半导体的 Fermi 能级将远离能带极值，所以 p-n 结 两边半导体的 Fermi 能级的差变小，所以势垒高度将随着温度的升高而降低。当 p-n 结 上加有正向电压时，即使势垒区中的总电场减弱，则势垒高度降低；当加有反向电压时， 即使势垒区中的总电场增强，则势垒高度增大。 3、简要的回答并说明理由：、简要的回答并说明理由：p-n 结的势垒电容与电压和频率分别有何关系？结的势垒电容与电压和频率分别有何关系？p-n 结的扩散电容与电压和频率分别有何关系？结的扩散电容与电压和频率分别有何关系？ 【解答】p-n 结的势垒电容是势垒区中空间电荷随电压而变化所引起的一种效应 （微分电容） ，相当于平板电容。反向偏压越大，势垒厚度就越大，则势垒电容越小。加有 正向偏压时，则势垒厚度减薄，势垒电容增大，但由于这时正偏 p-n 结存在有导电现象， 不便确定势垒电容，不过一般可认为正偏时 p-n 结的势垒电容等于0偏时势垒电容的4倍。 p-n 结的势垒电容与频率无关：因为势垒电容在本质上是多数载流子数量的变化所引起的， 而多数载流子数量的变化是非常快速的过程，所以即使在高频信号下势垒电容也存在，因 此不管是高频还是低频工作时，势垒电容都将起着重要的作用。p-n 结的扩散电容是两 边扩散区中少数载流子电荷随电压而变化所引起的一种微分电容效应，因此扩散电容是伴 随着少数载流子数量变化的一种特性。正向电压越高，注入到扩散区中的少数载流子越多， 则扩散电容越大，因此扩散电容与正向电压有指数函数关系。又，由于少数载流子数量的 变化需要一定的时间 t（产生寿命或者复合寿命的时间） ，当电压信号频率 f 较高（2f > 1/t）时，少数载流子数量的增、减就跟不上，则就呈现不出电容效应，所以扩散电容只有 在低频下才起作用。 4、对于实际的、对于实际的 Si/p-n 结：结：正向电流和反向电流分别主要包含哪些不同性质的电流正向电流和反向电流分别主要包含哪些不同性质的电流 分量？分量？正向电流与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？正向电流与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？反向电流与温度和掺杂浓度的关反向电流与温度和掺杂浓度的关 系分别怎样？系分别怎样？正向电压与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？正向电压与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？【解答】对于实际的 Si/p-n 结，正向电流主要包括有少数载流子在两边扩散区中的 扩散电流和势垒区中复合中心的复合电流，在小电流时复合中心的复合电流将起重要作用； 反向电流主要包括有少数载流子在两边扩散区中的反向扩散电流和势垒区中复合中心的产 生电流，但在大小上，p-n 结的反向电流往往是复合中心的产生电流为主。影响 Si/p-n 结正向电流温度关系的主要是扩散电流分量（复合电流的温度关系较小） 。当温度升高时， 势垒高度降低，则注入的少数载流子浓度增加，并使得少数载流子的浓度梯度增大，所以 正向电流随着温度的升高而增大（温度每增加10 oC，正向电流约增加一倍） 。正向电流将 随着掺杂浓度的提高而减小，这主要是由于势垒高度增大、使得少数载流子的浓度梯度减 小了的缘故。虽然通过 Si/p-n 结的反向电流主要是复合中心的产生电流，但是就随着温 度的变化而言，起作用的主要是其中少数载流子的扩散电流分量（产生电流的温度关系较 小） 。当温度升高时，由于平衡少数载流子浓度增大，使得少数载流子的浓度梯度增大，所 以反向电流随着温度的升高而增大（温度每升高6 oC，反向电流增大一倍） 。当掺杂浓度 提高时，由于平衡少数载流子浓度减小，使得少数载流子的浓度梯度降低，所以反向电流 随着掺杂浓度的提高而减小。p-n 结的正向电压将随着温度的升高而降低，这是由于势 垒高度降低了的缘故（正向电压的温度变化率2 mV/oC） ；p-n 结的正向电压将随着掺杂 浓度的提高而增大，这是由于势垒高度提高了的缘故。 5、对于理想的、对于理想的 p-n 结，已知结，已知 p-n 结两边的掺杂浓度分别为结两边的掺杂浓度分别为 NA 和和 ND：如果少数载如果少数载 流子的扩散长度分别为流子的扩散长度分别为 Ln 和和 Lp，试近似导出该，试近似导出该 p-n 结的正向伏安特性关系；结的正向伏安特性关系；如果如果 p 型半导体电中性区的长度型半导体电中性区的长度 W3kT/q，试近似导出集电极电流的表示式。，试近似导出集电极电流的表示式。 【解答】因为在 VF>3kT/q 时，可忽略发射结势垒区中复合中心的影响；又 W<Ln， 则可 认为基区中少数载流子浓度的分布近似为线性分布，即基区中少数载流子浓度的梯度 可表示为： (dnp/dx) np(0)/W. 而基区中的平衡少数载流子浓度为： pno=ni2/nnoni2/ND； 并且注入到基区的电子浓度为： 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、简要说明：、简要说明：限制限制 BJT 最高工作温度的主要因素是什么？最高工作温度的主要因素是什么？限制限制 BJT 最高工作最高工作 电压的主要因素是什么？电压的主要因素是什么？限制限制 BJT 最高工作电流的主要因素是什么？最高工作电流的主要因素是什么？限制限制 BJT 最高最高 工作频率的主要因素是什么？工作频率的主要因素是什么？限制限制 BJT 最高工作速度的主要因素是什么？最高工作速度的主要因素是什么？ 【解答】限制 BJT 最高工作温度的主要因素是半导体本征化的温度（因为常用的半 导体器件都离不开 p-n 结，而任何半导体在高温下都将可能转变为本征半导体，这样一来， p-n 结在高温下也就不复存在，器件即失效） 。限制 BJT 最高工作电压的主要因素是雪 崩击穿电压和基区穿通电压的较小者。限制 BJT 最高工作电流的主要因素是 Kirk 效应 （对于一般的 Si 平面管）或者基区电导调变效应（对于合金晶体管） ，因为在大电流下这 些效应将使得电流放大系数降低（ 降低到一半时的电流为最大工作电流） 。限制 BJT 最高工作频率的主要因素是 p-n 结势垒电容以及载流子渡越基区和渡越集电结势垒区的时 间。限制 BJT 最高工作速度的主要因素是存储的少数载流子的数量。 9、对于、对于 BJT，若观测到其输出伏安特性都是倾斜程度较大的一组曲线，而且在，若观测到其输出伏安特性都是倾斜程度较大的一组曲线，而且在 IB 很很 小和很大时的各条曲线都排列得很紧密。试简要说明：小和很大时的各条曲线都排列得很紧密。试简要说明：该该 BJT 的性能可能存在哪些方的性能可能存在哪些方 面的问题？面的问题？在在 IB 很小时各条曲线排列得很紧密的原因何在？很小时各条曲线排列得很紧密的原因何在？在在 IB 很大时各条曲线也很大时各条曲线也 排列得很紧密的原因何在？排列得很紧密的原因何在？ 【解答】共存在有六个方面的问题：a）截止电流大（即漏电大） ，关态性能不好； b）小电流时放大系数小（在 IB 很小时的各条曲线排列得很紧密） ；c）大电流时放大系数降低（在 IB 很大时的各条曲线排列得也很紧密） ；d）放大区中各条曲线的分布不均匀，即 电流放大系数不稳定有变化；e）放大区中各条曲线的倾斜较大，即输出交流电阻较 小（这将影响到电压增益） ；f）饱和压降较大（功率损耗大） 。在 IB 很小时的各条曲线 排列得很紧密，这是由于发射结势垒区中间或者表面存在有较大的复合中心的影响，使得 发射结注射效率降低、并导致放大系数变小了的缘故。在 IB 很大时的各条曲线也排列 得很紧密，这对于 Si 平面管则主要是由于 Kirk 效应（基区展宽效应）的影响，使得电流 放大系数降低了的缘故。 10、对于场效应晶体管（、对于场效应晶体管（JFET 和和 MOSFET） ，简要说明：，简要说明：为什么沟道在夹断以后为什么沟道在夹断以后 还能够通过很大的电流？还能够通过很大的电流？为什么输出伏安特性往往不饱和（即输出电阻为什么输出伏安特性往往不饱和（即输出电阻）？）？ 【解答】因为场效应晶体管的沟道（强反型层）是在半导体表面耗尽层厚度达到最 大后才形成的，因此在没有出现沟道时，半导体表面也往往是耗尽的（如弱反型层） 。沟道 夹断，即是在夹断区把沟道变成了耗尽层，因此夹断区是高电场区，其中的电场并不形成 阻挡载流子漂移运动的势垒，而实际上载流子在夹断区中运动得更快。沟道在夹断以后， 器件通过的电流主要决定于没有被夹断的剩余沟道的尺寸，沟道夹断也就意味着起导电作 用的沟道变短了，从而通过的电流将更大。在沟道夹断以后，因为夹断区是耗尽层，所 以源-漏电压就基本上降落在该夹断区，从而输出电流基本上就与源-漏电压无关（输出电 流饱和） 。但是实际上，由于夹断区的尺寸随着源-漏电压的增大而有所增大（沟道长度调 制效应） ，这就使得没有被夹断的剩余沟道的尺寸进一步缩短，从而输出电流进一步增加， 导致场效应晶体管输出伏安特性不饱和。对于小尺寸的场效应晶体管，DI
