2013考试题A卷-Answer..

贵州大学2012-2013学年第二学期考试试卷

科目名：微电子器件物理

参考答案

一、能带图(29分)

1. 画出硅pn结零偏、正偏和反偏条件下的能带图，标出有关能量。(9 分)

图1(a) pn结平衡态能带图

图1(b) pn结正偏能带图

图1(c) pn 结反偏能带图

2. 画出金属-SiO 2-Si 组成的MOS 结构平衡态的能带图，说明半导体表面状态。金属的电子亲和势χ=4.2eV ，Si 的电子亲和势χ=4.05eV ，Si 的杂质浓度N A =1017cm -3。假定栅极-氧化层-衬底无界面态，氧化层为理想的绝缘层。 (6分)

17

A i F 10

i 10()ln ln 4.07 (eV)1.510

N q E E KT KT n -===⨯

图2 金属-SiO 2-Si MOS 结构平衡态的能带图

半导体表面处于耗尽或反型状态。

3. 重掺杂的n +多晶硅栅极-二氧化硅-n 型半导体衬底形成的MOS 结构，假定氧化层电荷为零。画出MOS 结构在平衡态的能带图，说明半导体表面状态。（6

分）

图3 n+多晶硅栅极-二氧化硅-n型半导体MOS结构能带图

半导体表面处于积累状态。

4.画出N型G a0.7Al0.3As(E g=1.8eV, χ=3.74eV,E C–E F=0.10eV)、P型GaAs

(E g=1.43eV, χ=4.00eV, E F–E V=0.60eV)、P型G a0.7Al0.3As(E g=1.80eV, χ=3.74eV,

E F–E V=0.10eV)形成的双异质结平衡态及正偏状态下(p型GaAlAs接电池正极)的能带图，标出有关数据( 8 分)

图4(a) 接触前能带图

图4(b) 平衡态能带图

图4(c) 正偏能带图

5. 画出金属-n型硅半导体理想接触平衡态及偏置条件下的能带图。金属的功函数qφm=3.9eV，Si的电子亲和势qχ=4.05eV。( 5 分)

(c) 偏置后能带图

图5 金属-n-Si 接触能带图

二、器件工作机理和概念(36 分)

1. 简述突变空间电荷区近似（耗尽近似）的概念。 (5分)

耗尽区无自由电荷，只有电离施主或受主电荷；耗尽区电阻无穷大，耗尽区外电阻近似为零；耗尽区与中性区界面突变。

2. 画出npn 晶体管正向有源状态下的非平衡少数载流子分布示意图，标出各电流分量，并定义晶体管的发射结注入效率γ和基区输运系数T α。 (8 分)

nC nE nE

T E nE pE nE

J J J J J J J γα=

≈=+

图5 BJT 载流子浓度分布示意图及主要电流分量

3. 导致MOSFET 饱和区输出特性曲线I D (V DS )上翘原因有哪些？简述其机理。（6分）

沟道长度调制效应(CLM)；漏极电场的诱生势垒降低效应(DIBL)；漏耗尽区的电离倍增效应(SCBE); 漏极电场对于沟道的静电反馈作用。

4. 根据pn 结反偏或正偏条件下的能带图，导出pn 结耗尽区及其边界处载流子浓乘积表达式，画出pn 结反偏和正偏条件下的载流子浓度分布示意图。(6分)

图6 平衡态及正偏pn 结能带图

平衡态载流子浓度用费米能级表示

[()]/0[()]/0..F i

i F E E x kT

i E x E kT

i n n e p n e

--⎧=⎪⎨=⎪⎩ 非平衡态空间电荷区及边界附近，载流子浓度由准费米能级表示

[()]/[()]/. .F n i i F p E E x kT i E x E kT

i n n e

p n e

--⎧=⎪⎨=⎪⎩ 在耗尽区直至耗尽区边界处

()/2/2.. F n F p E E kT i qV kT

i np n e

np n e

-⎧=⎪⎨=⎪⎩ 由此可导出耗尽边界处载流子浓度。求解连续性方程，得到载流子分布为指

数分布，如图7。

图7 pn结载流子浓度分布示意图

5. 画出双极型晶体管交流Ebers-Moll模型等效电路。(6分)

交流Ebers-Moll模型等效电路在直流模型的基础上增加pn结耗尽层电容和扩散电容。

图8 双极型晶体管交流Ebers-Moll模型等效电路

6. 简述双极型晶体管开关过程中的存储过程(存储时间)及其成因。(5分)

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。

图9 BJT的开关响应波形及超量存储电荷

三、计算（共35分）

( T=300K，真空介电常数: 8.85⨯10-14 F/cm,

Si 的相对介电常数: 11.7, SiO 2的相对介电常数: 3.9)

1. 分别计算300K 下GaAs 和Ge 两种pn 结的接触电势差V bi 。 pn 结的参数是：N D = 1017 cm -3, N A = 1016 cm -3. (GaAs: n i =2⨯106 cm -3; Ge: n i =

2.4⨯1013 cm -3). (6 分)

D A

bi 2

i 1716

bi 62

1716

bi 132

ln

1010(GaAs)0.0259ln 1.22 (V)(210)1010(Ge)0.0259ln 0.37 (V)

(2.410)N N kT V q n V V =⨯=⨯=⨯⨯=⨯=⨯

2. 硅突变pn 结两边杂质浓度相等，要使pn 结的击穿电压大于等于200伏，计算pn 结的杂质浓度，同时计算p 区和n 区的最小厚度。(硅pn 结的临界击穿电场可近似为 E crit = 4 ⨯ 105 V/cm ，) (12分)

B bi crit

222

20B bi B bi crit crit

2

0B bi crit

2

0B crit

14210

0crit 19B 15

1

22()11()441212111.78.85100.51610

2 1.61020011.78.851610 0.51V V WE V V V V W E E qN V V E qN

V E qN

N E qV εεεεεεεε--+=++==+=≈

⨯⨯==⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯

即153153D A .6200

2.610 ( cm )2 5.210 ( cm )

N N N --⨯=⨯===⨯

要保证达到200V 的击穿电压，n 区和p 区厚度都必须大于击穿电压下的耗尽区厚度。n 区和p 区耗尽区总厚度为

1/2

0bi B 1/2

141915

42()211.78.8510200 1.610 2.610 9.9810 (cm)

V V W qN εε---⎛⎫+= ⎪

⎝⎭

⎛⎫

⨯⨯⨯⨯= ⎪⨯⨯⨯⎝⎭

=⨯