半导体器件物理旧版历年试卷

1、半导体器件物理期末试题（A 卷（100时间：150分钟200320066 12（5 分空间电荷区复合电流和产生电流它们是怎么产生的？（5分、3、（5分4电池和光电二极管的主要异同点有哪些？（5分5（BJT半导体器件物理期末试题（A 卷（100时间：150分钟200320066 12（5 分空间电荷区复合电流和产生电流它们是怎么产生的？（5分、3、（5分4电池和光电二极管的主要异同点有哪些？（5分5（BJT）（5 分6 30分二 PN x wn p pn0 xwp nnpo wp wn Ln1 、,PNNWn xL p （x x （10 分nxsinh n Lp2 、写出 P 区少子电子分布（2

2、 分3PN（8 分20三、1 画出理想电池等效电路图并根据等效电路图写出 I-V 特性（5 分2 画出能带图并根据能带图说明发光管的工作原理（5 分10四、 根据E-M方程IE IF0e E T 1 e C T 2 画出能带图并根据能带图说明发光管的工作原理（5 分10四、 根据E-M方程IE IF0e E T 1 e C T V V R IC FIF0e E T 1e C T V V 证明：IE（5 分F1 FR（5分1 F IE0为集电极开路时（IC 0），ICO 为发射极开路（IE 010分q五、 镜象力电子势能为 E1(x16k x ， 外电场能为 E2(xqx，证象0力降低基势垒高度

3、为qb 2xm 16k 。100 0 的能带10分图。采用 型衬底忽略表面态和功函数的影响。七 、画出结构示意图说明结型场效应晶体管工作原理。10分半导体器件物理期末试题（B 卷（100时间：150分钟200320066 30分1PN结注入的少数载流子以扩散的方式运动，这称为扩散运动，为什么？（5分2M-S接触有几种效应（5分3电池的基本结构和工作原理（5 分4BJT5LED半导体器件物理期末试题（B 卷（100时间：150分钟200320066 30分1PN结注入的少数载流子以扩散的方式运动，这称为扩散运动，为什么？（5分2M-S接触有几种效应（5分3电池的基本结构和工作原理（5 分4BJT

4、5LED量子效率的主要途径有哪些？（5 分6（5分二、根据 jp Dpp证明：热平衡时ln Nd 10分iBJT 的低频小信号等效电路图并证明共发射极短路电流增益的截止频率为gm 10 分CD CTE CTC 10NPN缓变基区晶体管基区内电子分布为In xxB 20paqAD xPN 二极管受到一个光源的均匀照射，所引起的电子-空穴产生速率为G LG x/l 1PN结扩散方程证明P p(eV /（10分nlDDpp2P（2分3IL qGL(Ln LpA（8 分20分半导体器件物理期末试题（A 卷（100时间：150分钟200320066 30 分1 （半导体器件物理期末试题（A 卷（100时

5、间：150分钟200320066 30 分1 （5 分答：在空间电荷中，与电离杂质浓度相比， 尽近似。载流子浓度可以忽略，这称为耗空间电荷区复合电流和产生电流它们是怎么产生的？（5分答：正偏压 PN 结空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致 pnn2。这些过量i载流子穿越空间电荷层， 使得载流子浓度可能超过平衡值。因而在空间电荷层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 npn2，于是会有载流子产生。i产生的载流子在反向偏压的作用下形成 P N结的反向电流 空间电荷区产生（5分4电池和光电二极管的主要异同点有哪些？（5分主要不同点：a

6、5 （BJT）（5 分答：四种。正向有源模式，VE 0,VC 0. 反向有源模式，VE 0. 饱和模式，VE VC 0. 截止模式,VE 0,VC 6 P-AlGaAs/P-GaAs/N-GaAsL EDP-AlGaAs层的作用（5分AlGaAs 的禁带宽度（1.83eV）大于 GaAs 的禁带宽度(1.43eV)， 因此从 P-GaAs/N-GaAsLEDAlGaAsAlGaAs层的窗口作用。与此同时，在 AlGaAsGaAs界面上的复合中心密度显著的低于没有 AlGaAs层GaAs 表面的复合中心密度。因而， 距离界面的结深可以做得很小。二、20 分 1 （10分）xn x6 P-AlGa

7、As/P-GaAs/N-GaAsL EDP-AlGaAs层的作用（5分AlGaAs 的禁带宽度（1.83eV）大于 GaAs 的禁带宽度(1.43eV)， 因此从 P-GaAs/N-GaAsLEDAlGaAsAlGaAs层的窗口作用。与此同时，在 AlGaAsGaAs界面上的复合中心密度显著的低于没有 AlGaAs层GaAs 表面的复合中心密度。因而， 距离界面的结深可以做得很小。二、20 分 1 （10分）xn xwn :少子空穴扩散方程为d2p p n0 n0 dxp式中 Lp Dpp 为空穴的扩散长度。方程通解和边界条件为1 - p =K e-xLp +ex 2p - p = p (eV

8、VT -1 )(令x= n- p =x=n(2),(3)分别代入(1)得-xn A=+-w0=p2Ae-wn K2 =w -2sh K1 w -2sh （4（5）（1：shwn -V pn - pn0 = pn0-Tw -sh （6）式即为N2(2分类似地， -wp x 电子分布为w + n -=n 1 .Tw -3（8e (V VTe)1-(x-xn ) L2(2分类似地， -wp x 电子分布为w + n -=n 1 .Tw -3（8e (V VTe)1-(x-xn ) Lp p - p = n -=n )q(xx )/0V / (=) n TppLpqAD 1)e(xxp )/ n V

9、/I (x)D=TnnLn三10分 解1（5分IIII-VI IL II I 1eVVT 2(5 分) F0EFVpEEvv 当正向偏压加于 P N结的两端时，载流子注入穿越 P2(5 分) F0EFVpEEvv 当正向偏压加于 P N结的两端时，载流子注入穿越 P N结，使得载流子浓度超过热平衡值， 形成过量载流子。过量载流子复合，能量以热（声子）或光（光子）。在光子发射过程中，从偏压的电能量得到光能量。这种现象称为电致发光。在 P侧， 注入的非平衡少数载流子电子从导带向下跃迁与价带中的空穴复合， 发射能量为 Eg的光子。在 P N结的 N 侧， 注入的非平衡少数载流子空穴与导带电子复合，同

10、样发出能量为 Eg的光子。四10 分解:由EM方程IE IF0e E T 1 e C T V V R IC FIF0e E T 1e C T V V (1)(2)令(2)式IC 0, e E T 1,则(e E T 1) 代入(1)式且令e E V /V /V /F FIE IE0,得:IE(3)1 FF 同样令(1)IE 0e E T 1得:V /.R1 F 五10 分解:x x E(x) qxx0(1)设势垒高度降低的位置发生在 xm 处，势垒高度降低值为 qb 。令（1）式得到五10 分解:x x E(x) qxx0(1)设势垒高度降低的位置发生在 xm 处，势垒高度降低值为 qb 。令

11、（1）式得到0，由 2x0 q x0 4-6 q16k 0由于2Exm 0 qb 2xm 16k 故0 0六10 分解:（1）载流子积累（VG 0（2）载流子耗尽层（VG 0SMEEF VG EEiEEiQM（3）载流子强反型（VG 0VG 六10 分解:（1）载流子积累（VG 0（2）载流子耗尽层（VG 0SMEEF VG EEiEEiQM（3）载流子强反型（VG 0VG VG 七10 分解:源上栅ZZaNpL5-1 n（a）（b）(两图画任一图即可)在正常工作条件下，反向偏压加于栅 PN结的两侧，使得空间电荷区向沟扩展， 并使耗尽层中的载流子耗尽。结果是，沟道的截面积被减小，因道而沟道电阻

12、增加。这样， 源和漏之间流过的电流就受到栅电压的调制。这就是JFET的基本工作原理。L七10 分解:源上栅ZZaNpL5-1 n（a）（b）(两图画任一图即可)在正常工作条件下，反向偏压加于栅 PN结的两侧，使得空间电荷区向沟扩展， 并使耗尽层中的载流子耗尽。结果是，沟道的截面积被减小，因道而沟道电阻增加。这样， 源和漏之间流过的电流就受到栅电压的调制。这就是JFET的基本工作原理。L半导体器件物理试卷（B 卷（100时间：150分钟200320066 半导体器件物理试卷（B 卷（100时间：150分钟200320066 一30分1（5分）在电中性的 N侧载流子的行为。由于有注入的过量空穴的正

13、电荷存在，建立起一瞬间电场。此电场吸引过量的电子以中和注入的空穴，并使电中性得以恢复在注入载流子的区域，假设空间电荷的电中性条件完全得到满足， 则少数载流子是仅存的一种类型的载流子。这些载流子由于被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。2（5分）金属半导体接触出现两个最重要的效应：其一是整流效应，其二是欧姆效应。前者称为整流接触，又叫做整流结。后者称为欧姆接触， 又叫做非整流结。3（5分）半导体电池是直接把能转换成电能的器件，其基本结构为PN 结、M-S 结或异质结二极管。在光的照射下，半导体中的原子因吸收光子能量而受到激发。如果光子能量大于禁带宽度，在半导体中就会产生电

14、子空穴对。在距 P N 结的空间电荷区一个扩散长度以内产生的电子-空穴对， 一旦进PN结的空间电荷区，就会被空间电荷区的内建电场所分离。非平穴被P区，非平衡电子被拉向 N区。结果在 P区边界将积累非平N边界将积累非平衡电子，产生一个与平衡 P N 结内建电场方向相反的光生电场。于是，在 P 区和 N 区之间建立了光生电动势。4（5 分）正向有源模式下发射结正偏，势垒降低 qVE ，电子将从发射区向基区注入， 空穴将从基区向发射区注入。基区出现过量电子， 发射区出现过量空穴。过量载流子浓度取决于发射结偏压的大小和掺杂浓度。当基区宽度很小（远远小于电子的扩散长度）时，从发射区注入到基区的电子除少部

15、分被复合掉外， 其余大部分能到达集电结耗尽区边缘。集电结处于反向偏压，集电结势垒增加了 q Vc 来到集电结的电子被电场扫入集电区，成为集电极电流。这个注入电子电流远大于反偏集电结所提供的反向饱和电流， 是集电电流的主要部分。如果在集电极回路中接入适当的负载就可以实现信号放大。5（5分可以通过减少 xj 或通过增加 T 来提高外量子效率。产生 h 的发光可以使 减小另法是采用一光学窗口，在这种器件中，例如在GaAs二极管的顶面上生长一附加的 AlGaAs层，因为 AlGaAs材料的禁带宽度大GaAs的禁带宽度，所以发射的光子不会被附加层所吸收。与此同时， 在 AlGaAsGaAs界面上的复合中

16、心密度显著的低于没有 AlGaAs层的 GaAs表面 的复合中心密度。因而， 距离界面的结深可以做得很小。6（5 分）夹断条件规定为两个空间电荷区在沟道中心相遇，当漏极电压进一步增加时，沟道中的载流子耗尽。结果是耗尽区的长度增加， 电中性的沟道长度减小。这种现象称为沟道长度调制二10分解：电子电流In qA(Dn x nun处于热平衡时，In0 ，又因为 E D nDn V 6（5 分）夹断条件规定为两个空间电荷区在沟道中心相遇，当漏极电压进一步增加时，沟道中的载流子耗尽。结果是耗尽区的长度增加， 电中性的沟道长度减小。这种现象称为沟道长度调制二10分解：电子电流In qA(Dn x nun处

17、于热平衡时，In0 ，又因为 E D nDn V 关系nnTundnn从 xp xn N V lnlnN V ln i ln a d TNai三10分 hIig e C h 1 C gm2 1 FE 2(CTE CTC CDgm1当 hFE 212 2C gm h 2 1 FE 2(CTE CTC CDgm1当 hFE 212 2C gm h C 四10分C0Q0 （6-66）上式中第一项是，为消除半导体和金属的功函数差的影响， 金属电极相对于半导体所需要加的外加电压；第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的外加电压； 第三项是当半导体表面开始出现强反型时，半导

18、体空间电荷区中的电荷 QB 与金属电极的相应电荷在绝缘层上所产生的电压降， 亦即支撑出现强反型时所需要的体电荷 QB 所需要的外加电压； 第四项是， 开始出现强反型层时， 半导体表面所需的表面势， 也就是跨在空间电荷区上的电压降。五10分基区的缓变杂质分布，要引入一自建电场dNa （1）N a这个电场沿着杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。这时电子通过扩散和漂移越过基区薄层，致使输运因子增加。现推导缓变基区晶体管基区输运因子的表示式。把（1） 式代入电子电流方程并利用关系得到下列方程：（2）npINa 两边乘以 Na 并对 xxxB 积分，得到IN x n x N xn xx

19、B （3-aqAD x在大多数实际的平面晶体管中，基区复合是可以忽略的，因此 In 在（3）式中是常数。对于正向有源模式，把边界条件 npxB0代入（3） 式，得到基区内电子分布In xxB x（4）paqAD V六10分解：QIp 1，V加到pn接上0Vd2p x 0n n0 pLdxx0d2(p G p G )L L 0dxpLp Dp在大多数实际的平面晶体管中，基区复合是可以忽略的，因此 In 在（3）式中是常数。对于正向有源模式，把边界条件 npxB0代入（3） 式，得到基区内电子分布In xxB x（4）paqAD V六10分解：QIp 1，V加到pn接上0Vd2p x 0n n0 pLdxx0d2(p G p G )L L 0dxpLp Dpxx K1 exp(L )K2 exp(L )GLppx 0, p exp ，V，Tx ,p G L p (exp 1)G L VT 2 LGVVxpL p p )LDLD