半导体器件试题

作业三答案

一、名词解释

(1) 单边突变结：若pn 结面两侧为均匀掺杂，即由浓度分别为a N 和d N 的

p 型半导体和n 型半导体组成的pn 结，称为突变结。若一边掺杂浓度

远大于另一边掺杂浓度，即d a N N >>或a d N N >>，这种pn 结称为单

边突变结。

(2) 大注入：注入的非平衡载流子浓度与平衡多子浓度相比拟甚至大于平

衡多子浓度的情况称为大注入。

(3) 小信号：信号幅度很小，满足条件V 〈〈(kT/e)=26 mV 。

(4) 雪崩击穿：在反向偏置时，势垒区中电场较强。随着反向偏压的增加，

势垒区中电场会变得很强，使得电子和空穴在如此强的电场加速作用下

具有足够大的动能，以至于它们与势垒区内原子发生碰撞时能把价键上

的电子碰撞出来成为导电电子，同时产生一个空穴。新产生的电子、空

穴在强电场加速作用下又会与晶格原子碰撞轰击出新的导电电子和空

穴……，如此连锁反应好比雪崩一样。这种载流子数迅速增加的现象称

为倍增效应。如果电压增加到一定值引起倍增电流趋于无穷大，这种现

象叫雪崩击穿。

(5) 齐纳击穿

对重掺杂PN 结，随着结上反偏电压增大，可能使P 区价带顶高于N 区

导带底。P 区价带的电子可以通过隧道效应直接穿过禁带到达N 区导带，成为导电载流子。当结上反偏电压增大到一定程度，将使隧穿电流急剧

增加，呈现击穿现象，称为隧道击穿，又称为齐纳击穿。

(6) 势垒电容

当PN 结外加电压变化时，引起势垒区的空间电荷的变化，即耗尽层的

电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充、放电过程相

同。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。

(7) 扩散电容

对于正偏pn 结，当外加偏压增加时，注入n 区的空穴增加，在n 区的

空穴扩散区内形成空穴积累。电子注入p 区情形类似。这种扩散区中的

电荷随外加偏压变化而变化所产生的电荷存储效应等效为电容，称为扩

散电容。

(8) 耗尽层近似

在空间电荷区中，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以忽略，称

为耗尽层近似。

(9) 空间电荷区复合电流和产生电流？

正偏压pn 结空间电荷区边缘处的载流子浓度增加，以致2i n pn >。这些过量载流子穿越空间电荷区，使得载流子浓度超过平衡值，因此在空间电荷区中这些过量载流子会有复合，所产生的电流叫做空间电荷区复合电流。

pn 结在反向偏压的作用下，空间电荷区中2i n pn <，于是会有载流子产生。

产生的载流子在反向偏压的作用下形成pn 结的反向电流—空间电荷

区产生电流。

二、简答题

1. 对于实际的Si pn 结：①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？②正向电流与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？③反向电流与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？④正向电压与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？

答：①对于实际的Si pn 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，pn 结的反向电流往往是复合中心的产生电流为主。②影响Si pn 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 °C，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。③虽然通过Si pn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 °C，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。④p 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/°C）；pn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。

2．简要的回答并说明理由：①pn结的势垒电容与电压和频率分别有何关系？②pn结的扩散电容与电压和频率分别有何关系？

答：①pn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pn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pn结的势垒电容等于零偏时势垒电容的4倍。pn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。②pn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（ω≡2πf > 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