半导体器件总复习

更新时间：2023-11-05 18:23:01 阅读量：综合文库文档下载

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雪崩击穿

电子和空穴受到强电场作用，向相反的方向加速运动，获得很大的动能和很高的速度，就会发生碰撞电离，产生电子—空穴对。电子和空穴还会继续发生碰撞，产生下一代载流子。如此继续下去，载流子的数量大量增加，这种产生载流子的方式称为载流子的倍增。当反向电压增大到一数值时，载流子的倍增如同雪崩现象一样，载流子迅速增多，使反向电压急剧增大，从而产生了PN结的击穿，称为雪崩击穿。缓变基区的自建电场（NPN晶体管）

缓变基区晶体管的基区存在杂质浓度梯度，基区的多数载流子（空穴）相应具有相同的浓度分布梯度，这将导致杂质向浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区的电中性将被破坏。为了维持电中性，必然在基区中产生一个电场，使空穴反方向的漂移运动来抵消空穴的扩散运动，这个电场称为缓变基区的自建电场。 JFET的本征夹断电压UP0

当栅压UGS增至耗尽层宽度时，成为全沟道夹断，沟道电导下降为零，定义使导电沟道消失所加的栅-源电压为夹断电压UP，此时，栅结上相应总电势差称为本征夹断电压UP0。简要说明平衡PN结的空间电荷区是如何形成的（5分）。

P型和N型半导体接触，由于在界面处存在着电子和空穴的浓度差，N区中的电子要向P区扩散，P区中的空穴要向N区扩散。这样，对于P区，空穴离开后，留下了不可动的带负电荷的电离受主，这些电离受主在PN结的P区侧形成了一个负电荷区；（2分）同样，在N区由于失去电子而出现了由不可动电离施主构成的正电荷区。（2分）通常，把PN结附近的这些电离施主和电离受主所带的电荷称为空间电荷，它们所在的区域称为空间电荷区。（1分）

2．双极型晶体管的基区宽变效应及其对晶体管管特性的影响？（5分）

当晶体管的集电结反向偏压发生变化时，集电结空间电荷区宽度Xmc也将发生变化，所以，有效基区宽度也随着发生变化。（2分）这种由于外加电压变化，引起有效基区宽度变化的现象称为基区宽变效应。（2分）

影响：使输出特性曲线向上倾斜，输出电流增加，电流放大系数增大。(1分) 简要说明如何提高双极型晶体管特征频率参数fT？（5分）

（1）减小基区宽度，并采用扩散基区，其中减小基区的宽度是关键。为了得到小的基区宽度，就必须采用浅结扩散。（2分）（2）尽量减小发射结面积。（1分）（3）基区扩散的薄层电阻大些，即浓度低些。（1分）（4）减小集电结面积，适当降低集电区电阻率。（1分） 4．何为强反型?并用能带进行表示（5分）

强反型是指表面积累的少子浓度等于甚至超过衬底多数载流子浓度的状态。用能带表示为，能带弯曲到表面势等于或大于2倍费米势的状态。（3分）用US表示表面势，ΨF表示费米势，则

US?2??2(Ei?EF)qF

其中， Ei和EF 分别为本征与杂质费米能级。（2分） 5．MOS管的沟道夹断及其对电流特性的影响。

当漏—源电压增加到漏端绝缘层上的有效电压低于表面强反型所需的阈值电压UT时，漏端绝缘层中的电力线将由半导体表面耗尽区中的空间电荷所终止，（2分）漏端半导体表面的反型层厚道为0，沟道消失（被夹断），而只剩下耗尽区，这就称为沟道夹断。（2分）对电流的影响：漏电流进入饱和，不随漏电压变化。（1分）

综合题（共15分）

对于一个增强型NMOS管，

（1）给出衬底和沟道中的载流子类型；（2分）（２）画出增强型NMOS管输出特性曲线；（3分）（３）给出线性区饱和区的漏-源电流方程。（5分）

（４）根据饱和区的漏-源电流方程和交流小信号增量参数跨导定义，推导出饱和区的跨导，

并表示为漏电流的表达式。（5分）

（1）衬底为P型，沟道中的载流子类型为电子；（2分）（2）图

ID三极管区饱和区VGS3VGS2VGS1VGS1-VthVGS2-VthVGS3-VthVDS

（3分）（3）

线性区：IDS???(UGS?UT)UDS???12?UDS? （2分） 2?其中??COX?n饱和区I（4）

跨导的定义gm??DS12WL （1分）

2?(UGS?UT) （2分）

?IDS?UGS12UDS?C （2分）

gms??IDS?UGS?{??(UGS?UT)}?UGS??(UGS?UT)?2?IDS （3分）

2一个硅P+N结（单边突变结）的P+区的杂质浓度为 1×1019cm-3，N区杂质浓度为为 1×1016cm-3，其中硅的?s?11.8，?0?8.85?10?14F/cm，ni?1.5?1010cmq?1.6?10?19?3，

，T?300K

（1）求平衡PN结的接触电势差UD；（2分）（2）求PN结的最大雪崩击穿电压；（2分）

（3）在反向偏压10伏时，求出势垒区的宽度和最大电场强度，画出电场强度的分布。（1）

UD?kTqlnNDNAni2+

?0.026ln1?10?1?10(1.5?10)1021916 （2分）

?0.278V（2）

13 UB?6?10ND?3/4?6?10?(10)1316?3/4?60V（2分）

（3）

势垒区的宽度

分）

最大电场强度

?2??(U?U)?Xm??s0D?Nq0???41/2?2?8.85?10?14?11.8?(0.28?10)????16?1910?1.6?10??1/2（3

?1.58?10cm?1.58?m1EM?N0qXm?s?0?2N0q(UD?U???s?0?16?19)?2??1?2?1?10?1.6?10?(0.28?10)?2????1411.8?8.85?10???1.77?10V/cm?1.77?10V/m57 （2分）

图

（1分）

PN结的扩散电容

当PN结的正向电压加大时，为了使正向电流随着增大，扩散区就要积累更多的非平衡载流子。而当PN结的正向电压减小时，为了使正向电流随着减小，积累在扩散区的非平衡载流子就要减小。显然，在扩散区中积累电荷也随着外加电压而改变，因而PN结也可等效成一个电容，这个电容称为PN结的扩散电容。双极型晶体管的高频优质

Gpmf2?fM?2fT8?rbCc，Gpmf2称为晶体管的高频优值，也称为功率增益—带宽积，全

面反映了晶体管的频率和功率性能，优值越高，晶体管的频率和功率性能越好。 MOS场效应晶体管的沟道夹断

当MOS场效应晶体管的漏—源电压增加到漏端绝缘层上的有效电压低于表面强反型所需的阈值电压UT时，漏端绝缘层中的电力线将由半导体表面耗尽区中的空间电荷所终止，漏端半导体表面的反型层厚道为0，沟道消失（被夹断），而只剩下耗尽区，这就称为沟道夹断。画出pn结的能带图，标出空间电荷区接触电势差，写出接触电势差的表达式。（5分）

（3分）

UD?k0TqlnNDNAn2i （2分）

晶体管要具有放大能力，必须满足的条件？（以NPN晶体管说明）（5分）。（1）发射区高掺杂，能发射大量的电子；（1分）

（2）基区低掺杂且基区宽度窄，减少电子的复合损失；（2分）（3）发射结正偏，发射电子；（1分）（4）集电结反偏，收集电子。（1分）

双极型晶体管的特征频率fT？实际测量工作中，如何测量特征频率fT？（5分） fT是当共基极交流电流放大系数β下降到1时所对应的频率，是晶体管具有电流放大作

用的最高频率极限。（2分）根据公式fT??0f??f?，在实际测量fT时，并不需要去测量??1时的频率，而只要在比

f?大得多的任何一频率f下（比fT小得多）测量出?，二者的乘积就是特征频率fT

简要说明MOS管的分类及其特点（衬底、漏源区、沟道载流子、阈值电压）。（5分）

MOS管的分为4类：N沟增强型、N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。（1分）

类型 N沟增强型 N沟耗尽型 P沟增强型衬底 N N P 漏源区 N+ N P+ +沟道载流子电子电子空穴漏源电压正正负阈值电压 >0 <0 <0

gms??IDS?UGS?{?12?(UGS?UT)}?UGS??(UGS?UT)?2?IDS2 （3分）

计算题（共10 分）

一个均匀基区硅NPN晶体管，已知发射系数??0.99，集电结击穿电压BUCB0?150V，基区宽度Wb?18.7?m，以及基区中电子的寿命?nb?1?s，扩散系数Dn?35cm2/s，忽略发射结空间电荷区复合和基区表面复合，计算：（1）求?*，?0和?；（6分）（2）求BUCE0；（4分）（1）基区输运系数 ??1?*Wb22Lnb2?1?Wb22Dn?nb?1?(18.7?10)2?35?10?6?42?1?0.05?0.95（3分）

电流放大系数

?0????0.99?0.95?0.945

*??11??0?11?0.945?15.6 （3分）

（2）

BUCE0与BUCB0的关系为

BUCE0?BUCB0n1?? （2分）

对于硅NPN晶体管，n?4 BUCE0?BUCB041???15041?15.6?74.5V（2分）

雪崩击穿

电子和空穴受到强电场作用，向相反的方向加速运动，获得很大的动能和很高的速度，就会发生碰撞电离，产生电子—空穴对。电子和空穴还会继续发生碰撞，产生下一代载流子。(2分) 如此继续下去，载流子的数量大量增加，这种产生载流子的方式称为载流子的倍增。（1分）当反向电压增大到一数值时，载流子的倍增如同雪崩现象一样，载流子迅速增多，

使反向电压急剧增大，从而产生了PN结的击穿，称为雪崩击穿。（2分）晶体管的电流放大系数与工作电流的关系如图所示，解释原因？（5分）

（1）小电流时，晶体管的电流放大系数小，随工作电流的增加而增加。这是因为小电流时，发射结空间电荷区复合对发射效率的影响和基区表面复合对输运系数的影响。（2分）（2）随着工作电流的增加，晶体管的电流放大系数达到最大值，这是因为随着电流增加，基区载流子复合起主要作用，发射结空间电荷区复合对发射效率的影响和基区表面复合的影响很小。（2分）

（3）随着电流增加，晶体管的电流放大系数下降，这因为大注入效应影响。（1分）双极型晶体管的共基极放大时，在UCB?0时，IC等不等于0？为什么？（5分）在UCB?0时，IC不等于0。（3分）

因为在UCB?0时，基区靠集电结空间电荷区边界处少子浓度等于平衡少子浓度，但是基区中存在少子浓度梯度，不断有少子向集电结扩散，为了保证该处少子浓度等于平衡浓度，漂移通过集电结的少子必须大于从集电区扩散到基区的少子，因而虽然UCB?0，但IC不等于0。（3分）

综合题（共 15 分）

对于理想均匀基区NPN晶体管，正向放大时，

（1）画出少子在基区的分布图，并给出线性近似分布的表达式；（5）（2）证明晶体管注入基区的少子电荷量为：（5分）

QBF?AeqWb2BE?qU?kTnb0?e?1? ??17?3 （3）设基区宽度Wb?3?m，基区载流子浓度NB?10cm，发射结面积

Ae?1?10?4cm，基区中电子寿命?nb?1?s，当发射结偏置电压UBE?0.5V，

2T?300K，计算基区的体复合电流IVb。（5分）

（1）

图

（2分）

根据PN结理论，基区X2和X3处电子浓度分别为 nb(X2)?nb0eqqUE/kT nb(X3)?0 （1分）

其中nb0为基区平衡少子浓度，可以得出基区电子线性分布函数为 ?x nb(x)?nbo?1?Wb??qUE/kT （2分） ?e?（2） QBF??Wb0nb(x)dx??Wb0?x?qUE/kTnbo?1?dx?eWb?? （2分） ?C?AeqWb2qUBEnb(0)ekT当UBE=0时，注入为0，所以QBF?0，代入上式得

C?AeqWb2nb(0) （1分）

所以

QBF?AeqWb2?qUBE?nb(0)?ekT?1? （2分）

??(3) IVb?QBF?AeqWb2?nbBE?qU?kTnb(0)?e?1? （2分）

???nb IVb?10?8?1.6?10?19?6?3?10?32?100.5?0.026??2.25?10?e?1??? （3分）

9?1.21nA计算题（共10分）

一个硅P+N结（单边突变结）的P+区的杂质浓度为 1×1019cm-3，N区杂质浓度为为

1×10cm，其中硅的?s?11.8，?0?8.85?10?14F/cm，ni?1.5?1010cmq?1.6?10?1916-3

?3，

，T?300K

（1）求平衡PN结的接触电势差UD；（2分）（2）求P+N结的最大雪崩击穿电压；（2分）

（3）在反向偏压10伏时，求出势垒区的宽度和最大电场强度，画出电场强度的分布。（6分）（1）