半导体器件物理1987施敏第1版

第7章MESFET及相关器件

7.1 金属-半导体接触 7.2 金半场效应晶体管(MESFET) 7.3 调制掺杂效应晶体管

本章主题

整流性金半接触及电流电压特性 欧姆性金半接触及特定接触电阻 MESFET及其高频表现 MODFET及二维电子气 MOSFET、MESFET、MODFET比较

7.1 金属-半导体接触

7.1.1 基本特性金属与n型，理想情况，势垒高度为金属 功函数与电子亲和力之差：

金属与p型，势垒高度为：

q Bn q m qx

q Bp E g q m qx

金属和n半导体接触能带图(Wn>Ws)

(a)接触前 (b)间隙很大 (c)紧密接触 (d)忽略间隙

对已知半导体与任一金属而言， 在n型和p型衬底上势垒高度和恰好 为半导体的禁带宽度公式如下

q ( Bn Bp ) E g内建电势：

V bi Bn V n

电荷、电场分布 SqND0 W X

与单边突变结p+-n结类似E W 0 -Em X

相关公式1E ( x) Em qND

S S

W

x Em

qN

D

S

x

qN D W

相关公式2Em W qND W Vbi V 2 2 S

施敏 半导体器件物理英文版 第一章习题

1. （a）求用完全相同的硬球填满金刚石晶格常规单位元胞的最大体积分数。 （b）求硅中（111）平面内在300K温度下的每平方厘米的原子数。 2. 计算四面体的键角，即，四个键的任意一对键对之间的夹角。（提示：绘出四个等长度的向量作为键。四个向量和必须等于多少？沿这些向量之一的方向取这些向量的合成。）

3. 对于面心立方，常规的晶胞体积是a3，求具有三个基矢：（0,0,0→a/2,0,a/2），(0,0,0→a/2,a/2,0),和(0,0,0→0,a/2,a/2)的fcc元胞的体积。 4. （a）推导金刚石晶格的键长d以晶格常数a的表达式。

（b）在硅晶体中，如果与某平面沿三个笛卡尔坐标的截距是10.86A，16.29A，和21.72A，求该平面的密勒指数。

5. 指出（a）倒晶格的每一个矢量与正晶格的一组平面正交，以及

（b）倒晶格的单位晶胞的体积反比于正晶格单位晶胞的体积。

6. 指出具有晶格常数a的体心立方（bcc）的倒晶格是具有立方晶格边为4π/a的面心立方（fcc）晶格。[提示：用bcc矢量组的对称性： a?aaa(y?z?x)，b?(z?x?y)，c?(x?y?z) 222

施敏 半导体器件物理英文版 第一章习题

1. （a）求用完全相同的硬球填满金刚石晶格常规单位元胞的最大体积分数。 （b）求硅中（111）平面内在300K温度下的每平方厘米的原子数。 2. 计算四面体的键角，即，四个键的任意一对键对之间的夹角。（提示：绘出四个等长度的向量作为键。四个向量和必须等于多少？沿这些向量之一的方向取这些向量的合成。）

3. 对于面心立方，常规的晶胞体积是a3，求具有三个基矢：（0,0,0→a/2,0,a/2），(0,0,0→a/2,a/2,0),和(0,0,0→0,a/2,a/2)的fcc元胞的体积。 4. （a）推导金刚石晶格的键长d以晶格常数a的表达式。

（b）在硅晶体中，如果与某平面沿三个笛卡尔坐标的截距是10.86A，16.29A，和21.72A，求该平面的密勒指数。

5. 指出（a）倒晶格的每一个矢量与正晶格的一组平面正交，以及

（b）倒晶格的单位晶胞的体积反比于正晶格单位晶胞的体积。

6. 指出具有晶格常数a的体心立方（bcc）的倒晶格是具有立方晶格边为4π/a的面心立方（fcc）晶格。[提示：用bcc矢量组的对称性： a?aaa(y?z?x)，b?(z?x?y)，c?(x?y?z) 222

2014/10/16

2.2 PN结的直流电流电压方程PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明 PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。 PN结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为

本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。这称为“结定律”,并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN结两侧中性区内的少子浓度分布和少子扩散电流； 3、PN结的势垒区产生复合电流

P区 -xp xn

N区

2.2.1外加电压时载流子的运动情况平衡 PN结的能带图 P区 N区外加正向电压 V后，PN结势垒高度由 qVbi降为 q(Vbi -V), xd与 Emax减小，使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。外加电场内建电场

EC Ei

EF EVqVbi

EC EF Ei EV

P

N

E

平衡时外加正向电压时面积为 Vbi面积为 Vbi-V

0

x

正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp (在 N区中推导 ) 2、电子扩散电流密度 Jdn (在 P区中推导 ) 3、势垒区复合电流密度 Jr (在势垒区中推导 ) P区

J J dp J dn J r

Jdp N区

Jdn

势垒高度降低后不能再阻止 N区电子向 P区的扩散及

2014/10/16

2.2 PN结的直流电流电压方程PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明 PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。 PN结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为

本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。这称为“结定律”,并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN结两侧中性区内的少子浓度分布和少子扩散电流； 3、PN结的势垒区产生复合电流

P区 -xp xn

N区

2.2.1外加电压时载流子的运动情况平衡 PN结的能带图 P区 N区外加正向电压 V后，PN结势垒高度由 qVbi降为 q(Vbi -V), xd与 Emax减小，使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。外加电场内建电场

EC Ei

EF EVqVbi

EC EF Ei EV

P

N

E

平衡时外加正向电压时面积为 Vbi面积为 Vbi-V

0

x

正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp (在 N区中推导 ) 2、电子扩散电流密度 Jdn (在 P区中推导 ) 3、势垒区复合电流密度 Jr (在势垒区中推导 ) P区

J J dp J dn J r

Jdp N区

Jdn

势垒高度降低后不能再阻止 N区电子向 P区的扩散及

习题1

1.1 确定晶胞中的原子数：（a）面心立方；（b）体心立方；(c)金刚石晶格。 解：（a）面心立方： 8个拐角原子×1=1个原子

8 6个面原子×1=3个原子

2 ? 面心立方中共含4个原子

（b）体心立方：8个拐角原子×1=1个原子

8 1个中心原子 =1个原子 ? 体心立方中共含2个原子

（c）金刚石晶格：8个拐角原子×1=1个原子

8 6个面原子×1 =3个原子

2 4个中心原子 =4个原子 ? 金刚是晶格中共含8个原子

1.15 计算如下平面硅原子的面密度：（a）（100），（b）（110），（c）（111）。 解：(a):（100）平面面密度，通过把晶格原子数与表面面积相除得：

面密度=

2个原子?5.43?10?-82=6.78?1014个原子/cm2

4个原子25.43?104个原子35.43?10-8(b):(110)表面面密度=

?-82?=

半导体器件物理复习题

一． 平衡半导体：

概念题：

1. 平衡半导体的特征（或称谓平衡半导体的定义）

所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体，是指无外界（如电压、电场、磁场或温度梯度等）作用影响的半导体。在这种情况下，材料的所有特性均与时间和温度无关。 2. 本征半导体：

本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。 3. 受主（杂质）原子：

形成P型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅲ族元素）。 4. 施主（杂质）原子：

形成N型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅴ族元素）。 5. 杂质补偿半导体：

半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。 6. 兼并半导体：

对N型掺杂的半导体而言，电子浓度大于导带的有效状态密度， 费米能级高于导带底（EF?Ec?0）；对P型掺杂的半导体而言，

空穴浓度大于价带的有效状态密度。费米能级低于价带顶（E

F?Ev?0）。

1

7. 有效状态密度： 在导带能量范围（

gc?E??4??2mh3*nEc~?）内，对导带量子态密度函数

?3/2E?Ec与电子玻尔兹曼分布函数乘积进行积分*n2fF?E??e?E?EF?x??pkT???*n的2（3即称谓?n

第1章 常用半导体器件

1.1 选择合适答案填入空内。

（1）在本征半导体中加入素可形成N型半导体，加入素可形成P型半导体。

A. 五价 B. 四价 C. 三价 （2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流将 。 A. 增大 B. 不变 C. 减小

（3）工作在放大区的某三极管，如果当IB从12μA增大到22μA时，IC从1mA变为2mA，那么它的β约为 。

A. 83 B. 91 C. 100

（4）当场效应管的漏极直流电流ID从2mA变为4mA时，它的低频跨导gm将 。

A.增大 B.不变 C.减小

解：（1）A ，C （2）A （3）C （4）A

1.2 能否将1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？ 解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V时，管子会因电流过大而烧坏。

1.3 电路如图P1.3所示，已知ui＝10sinωt(v)，试画出ui与uO的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。

图P1.3

（ ）半导体中的电子浓度越大，则空穴浓度越小。 （ ）同一种材料中，电子和空穴的迁移率是相同的。 （ ）非简并半导体处于热平衡状态的判据是n0p0=ni2。 （ ）PN结空间电荷区宽度随反偏电压的增大而减小。 （ ）MOSFET只有一种载流子（电子或空穴）传输电流。 （ ）平衡PN结中费米能级处处相等。

（ ）双极性晶体管的放大作用是在工作在饱和区。

（ ）要提高双极晶体管的直流电流放大系数α、β值，就必须提高发射结的注入系数和基区输运系数。

（ ）金属与N型半导体接触，如果金属的功函数大于半导体的功函数则形成欧姆接触，反之形成肖特基势垒接触。

（ ）场效应晶体管的源极和漏极可以互换，双极型晶体管的发射极和集电极也是可以互换的。

1．下列固体中，禁带宽度Eg最大的是（ ）

A金属 B 半导体 C 绝缘体 D超导体

2．受主杂质电离后向半导体提供（ ）

A 空穴 B 电子 C质子 D中子

3．硅中非平衡载流子的复合主要依靠（ ）

A 直接复合 B 间接复合 C 俄歇复合 D直接和间接复合

4．衡量电子填充能级水平的是

1. P-N结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的原理 2. 简述晶体管开关的原理

3. 简述晶体管4个频率参数的定义并讨论它们之间的大小关系 4. 简述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、共同点和关系

5. 以NPN型晶体管为例，试论述晶体管在不同工作模式下基区少数载流子分

布特征及与晶体管输出特性间的关系

6. 请阐述MOSFET的基本结构并结合示意图说明在不同外置电压情况下其工

作状态和输出特性

7. 叙述非平衡载流子的产生和复合过程，并描述影响非平衡载流子寿命的因素 8. 论述在外加直流电压下P-N结势垒的变化、载流子运动以及能带特征 9. 试叙述P-N结的形成过程以及P-N结外加电压时其单向导电特征

10. 何谓截止频率、特征频率及振荡频率，请叙述共发射极短路电流放大系数与

频率间的关系

11. 请叙述晶体管四种工作模式并分析不同模式下基区少数载流子的分布特征 12. 请画出P型半导体理想MOS的C-V曲线，并叙述曲线在不同外加电信号作

用下的曲线特征及原因

13. 影响MOS的C-V特性的因素有哪些？它们是如何影响C-V曲线的 14. MOS中硅-二氧化硅，二氧化硅层中有哪些影响器件性能的不利因素 15. 介绍MIS结构及其特点，并结合能带变化论述理