微电子器件基础 思考题和习题答案第2章 半导体器件中的结与电容

平衡pn结有什么特点？试画出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向。答：平衡状态下，扩散与漂移作用相平衡，静电流为零，不存在载流子净流动。试画出正向pn结的能带图，并进行简要说明。答：随着正偏电压增加，势垒高度降低，n区中能量高于p区导带电子能量的电子急剧增加，导致从n区注入p区的电子流急剧增加，因此正向电流快速增大。试解释正、反向pn结的电流转换和传输机理。答：正偏，Va>0，结上电压（Vbi-Va）<Vbi，势垒区电场下降，漂移作用下降,而扩散作用不变，因此出现p区多子空穴向n区的净扩散流，称为“注入（Injection），注入到n区的空穴首先在n区势垒区界处(x=xn)积累，使得pn(xn)>pn0，x=xn处积累的空穴继续向n区内部扩散运动形成从p区向n区的电流。x=xn处空穴电流Ip(xn)就是从p区注入到n区的少子空穴扩散电流。反偏，Va<0，结上电压（Vbi-Va）>Vbi→势垒区电场增大，漂移作用增大,而扩散作用不变，势垒区电场不但将p区向n区扩散的的空穴全部拉回p区，而且将n区势垒区边界处(x=xn)的少子空穴也拉向p区（称为少子抽出）使得x=xn处空穴浓度pn(xn)趋于0，低于n区内部的平衡少子空穴浓度pn0，出现n区内部少子空穴向x=xn的扩散流，形成从n区抽出流向p区的空穴电流。x=xn处空穴电流Ip(xn)就是从n区抽出流向p区的少子空穴电流。pn结的正、反向电流-电压关系的表达式是什么？pn结的单向导电性的含义是什么？答：pn结电流表达式：正偏情况：室温下，kT/e=26mV。若外加电压Va大于0.1V，eVa/kT>4,exp(eVa/kT)>>1得:因此，正偏（Va>0.1V)，流过pn结的电流随Va的增加而指数增加。反偏情况：Va<0若外加电压Va绝对值大于0.1V，exp(eVa/kT)<<1得：因此，反偏(│Va│>0.1V)，流过pn结的电流不随Va变化，呈现“饱和”。IS又称为反向饱和电流（Reversesaturationcurrent）。6．金属和半导体的功函数是如何定义的？半导体的功函数和哪些因素有关？答：金属和半导体的功为费米能级与真空能级的能量差，其表征材料中的电子逸出材料表面所需要的最小能量。影响半导体功函数的主要因素是费米能级，而费米能级与温度、杂质浓度和杂质种类相关。应该如何制作n型Si和金属Al接触，才能实现欧姆接触和整流接触？答：对n型Si的掺杂浓度进行调节，当n型Si费米能级高于Al时，形成整流接触，当n型Si费米能级低于Al时，形成欧姆接触。说明pn结势垒电容和扩散电容的物理意义，分别讨论它们与电流和电压的关系。答：势垒电容：PN结交界处存在势垒区.结两端电压变化引起积累在此区域的电荷数量的改变,从而显现电容效应。当所加的正向电压升高时,PN结变窄,空间电荷区变窄,结中空间电荷量减少,相当于电容放电.同理,当正向电压减小时,PN结变宽,空间电荷区变宽,结中空间电荷量增加,相当于电容充电.加反向电压升高时,一方面会使耗尽区变宽,也相当于对电容的充电.加反向电压减少时,就是P区的空穴、N区的电子向耗尽区流,使耗尽区变窄,相当于放电。PN结电容算法与平板电容相似,只是宽度会随电压变化.扩散电容：PN结势垒电容主要研究的是多子,是由多子数量的变化引起电容的变化.而扩散电容研究的是少子。在PN结反向偏置时,少子数量很少,电容效应很少,也就可以不考虑了.在正向偏置时,P区中的电子,N区中的空穴,会伴着远离势垒区,数量逐渐减少.即离结近处,少子数量多,离结远处,少子的数量少,有一定的浓度梯度。正向电压增加时,N区将有更多的电子扩散到P区,也就是P区中的少子----电子浓度、浓度梯度增加.同理,正向电压增加时,N区中的少子---空穴的浓度、浓度梯度也要增加.相反,正向电压降低时,少子浓度就要减少.从而表现了电容的特性。PN结反向偏置时电阻大,电容小,主要为势垒电容.正向偏置时,电容大,取决于扩散电容,电阻小.频率越高,电容效应越显著。无论是扩散电容还是势垒电容，电容值均随着偏置电压的增大而增大。正偏情况下，随着V增加，I指数增加，而势垒则减小缓慢，因此正偏情况下pn结电容以扩散电容为主。反偏情况下，I非常小，因此反偏情况下pn结电容以势垒电容为主。说明MOS电容的结构和工作状态。答：MOSFET结构的核心是金属-氧化物-半导体电容，即MOS电容。MOS电容的工作状态分为累积、耗尽、反型几种状态，对于P型衬底MOS电容，如果施加负栅压，半导体与氧化层界面存在多子空穴累积，形成多子累积状态，随着负栅压转变为正栅压，半导体与氧化层界面处的多子空穴被抽离界面处，MOS电容进入耗尽状态；进一步增加正栅压，界面处存在反型电子的累积，形成导电沟道，MOS电容进入反型状态。对于N型衬底MOS电容，随着栅压由正到负，MOS电容一次进入累积、耗尽、反型状态。证明通过pn结的空穴电流与总电流之比为。答：流过pn结的电流由肖克莱方程决定：其中，空穴电流为：因此对于Gepn结，设p区的掺杂浓度为NA，n区的掺杂浓度为ND，已知ND为102NA，而NA相当于108个Ge原子中有一个受主杂质原子，已知Ge原子浓度为4.4×1022cm3，计算室温下pn结的接触电势差。如果NA保持不变，而ND增大为原来的102倍，试求接触电势差的改变量。答：（1）已知锗原子的浓度为4.4×1022/cm3所以NA=4.4×1022×10-8=4.4×1014/cm3、ND=4.4×1014×102=4.4×1016/cm3故（2）设ND1时对应的接触电势差为VD1:设ND2时对应的接触电势差为VD2:对于Sipn结，设其p区掺杂浓度NA和n区掺杂浓度ND分别为5×1018cm3和1016cm3，τp=τn=1µs，结面积A=0.01cm2，结两边的宽度远大于各自少数载流子的扩散长度，p区的电子迁移率µn=500cm2/(V·s)，n区的空穴迁移率µp=180cm2/(V·s)。试求300K时正向电流为1mA时的外加电压。答：根据爱因斯坦关系式，求得扩散系数，空穴在n区中的扩散系数和电子在p区中的扩散系