固体电子器件原理期末考试题A卷及答案

固体电子器件原理期末考试题A 卷及答案

一、能带图 (27分)

1. 画出硅pn 结零偏、反偏和正偏条件下的能带图，标出

有关能量。 (9 分)

2. 画出n 型衬底上理想的金属-半导体接触（理想金属-半导体接触的含义：金属-半导体界面无界面态，不考虑镜像电荷的作用）的能带图，(a) φm > φs , (b) φm < φs . 分别指出该接触是欧姆接触还是整流接触? （要求画出接触前和接触后的能带图）( 8 分 )

φm > φs ,

φm < φs ,

3. 画出p 型硅衬底上理想MOS 结构（理想MOS 结构的含义：栅极材料与衬底半导体无功函数差，栅极-氧化层-衬底无界面态，氧化层为理想的介质层）半导

体表面处于反型状态时的能带图。 (5分

)

4. 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。（5分）

二、器件工作机理和概念(35 分)

1. 简述突变空间电荷区近似的概念。 (5分)

现在以突变pn 结为例来研究平衡pn 结的特性。我们知道，在p 型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子；而在n 型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。于是，在pn 结冶金界面的两侧因浓度差而出现了载流子的扩散运动。 p 区的空穴向n 区扩散，在冶金界面的p 型侧留下电离的不可动的受主离子; 同理，n 区的电子向p 区扩散，在冶金界面的n 型侧留下电离的不可动的施主离子。电离的受主离子带负电，电离的施主离子带正电。于是，随着扩散过程的进行，在pn 结界面两侧的薄层内，形成了由不可动的正负电荷组成的非电中性区域。我们把这一区域称为pn 结空间电荷区， 如图所示。

空间电荷的出现，在pn结两侧产生了由正电荷指向负电荷的电场E

，即由n区指向p

bi

区的电场。这一电场称为自建电场或内建电场。在自建电场的作用下，空间电荷区内n型侧空穴向p区漂移，p型侧电子向n区漂移，同时产生与p区空穴和n区电子的扩散方向相反的“推挡”作用，减弱了浓度差引起的扩散运动对载流子的输运作用。当扩散运动与自建电场的作用达到动态平衡时，载流子通过pn结界面的净输运为零，空间电荷区的宽度不再变化，自建电场的大小也不再变化。

由于自建电场的作用，可近似认为空间电荷区内的自由载流子—电子和空穴被完全“扫出”该区域，只剩下电离受主和电离施主原子，空间电荷区是一个高阻区，所以空间电荷区又称为耗尽区或阻挡层。此外，空间电荷区的边界虽然是缓变的，但计算表明过度区很窄，因此，可近似认为空间电荷区边界是突变的。这两个近似条件，称为突变空间电荷区近似或突变耗尽近似。在突变耗尽近似条件下，如图在-x p到x n之间，没有自由载流子，电阻为无穷大；在-x p和x n的外侧是电中性的；在-x p和x n处，存在一个由电中性区到耗尽区的突变界面。

2. 简述耗尽层电容和扩散电容的概念。(6 分)

pn结的耗尽层电容

pn结的耗尽层电容，又称势垒电容，在教材中被称为Junction Capacitance。在耗尽层近似下，当pn结的外加电压变化时，空间电荷区的宽窄跟着发生变化，空间电荷区的电荷也跟着发生变化，如图1所示。这种空间电荷区电荷随外加电压的变化，类似于平板电容器的充放电。也就是说，pn结空间电荷区具有电容效应，称为耗尽层电容。

pn结的扩散电容

当pn结加上正向直流偏压时，pn结空间电荷区外侧的载流子浓度分布如图2所示。如果在直流偏压上叠加一交流电压，即

=

t

sin

vω

V

1

则在交流电压的正半周，pn结总偏压增大，空间电荷区边界处的非平衡载流子浓度增大，并

在扩散区内直流分布之上形成一新的分布。在交流电压的负半周，空间电荷区边界处的非平衡载流子浓度减小，并在扩散区内直流分布之下形成一新的分布。图2表示直流偏压、交流电压的正峰值、交流电压的负峰值时扩散区载流子浓度的分布。

扩散区非平衡载流子分布的改变也改变了积累在扩散区的非平衡电荷总量，电荷量的改变与电容器的充放电相同。这种电容效应称为pn 结的扩散电容。由于电荷量的改变和新的稳态分布的建立有赖于非平衡电荷的注入、积累和输运，输入交流电压的频率受到一定的限制。只有当电荷量的改变和新稳态分布的建立时间比交流电压的周期低得多时，才能保证交流信号经pn 结的输运后不失真。因此，扩散电容使pn 结能处理的最高信号频率受到限制。

3. 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，并定义晶体管的发射结注入效率和基区输运系数T 。 (8 分)

nE

nC

T J J =α pE

nE nE

J J J +=

γ

4. 简述MOSFET 的短沟道效应和窄沟道效应，它们分别会对器件的的哪一个参数发生什么样的影响？ (6分)

(1) 沟道长度方向的尺寸效应：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

ox

d

f FB T C Q V V -

+=φ2 (4.144) 对于n 沟道MOSFET ，max d A d x qN Q -=，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T V 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T V 有贡献的平均电荷密度为Q AG ，由图4.50得到

Q qN x L L L

AG A d =-+max

'

2 (4.145) 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

∆L x x x x j d d j 2

2212

=+--[()]max max / (4.146) 于是，(4.145)式可以表示为

]}1)21[(1{2

/1max max -+

-

-=j

d j d A AG x x L

x x qN Q (4.147) 当L >>j x 时，d AG Q Q ≈，否则，||||d AG Q Q <。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T V 降低。

(2) 窄沟道效应

图4.51 沟道宽度方向的窄沟道效应，栅压控制的耗尽区电荷增加

图4.50 沟道方向的小尺寸效应使栅极实际控制的空间电荷减少