半导体器件物理简答题

简答题答案：

1.空间电荷区是怎样形成的。画出零偏与反偏状态下pn结的能带图。

答：当p型半导体和n型半导体紧密结合时，在其交界面附近存在载流子的浓度梯度，它将引起p区空穴向n区扩散，n区电子向p区扩散。因此在交界面附近，p区留下了不能移动的带负电的电离受主，n区留下了不能移动的带正电的电离施主，形成所谓空间电荷区。

PN结零偏时的能带图：

PN结反偏时的能带图：

2.为什么反偏状态下的pn结存在电容？为什么随着反偏电压的增加，势垒电容反而下降？答：①由于空间电荷区宽度是反偏电压的函数，其随反偏电压的增加而增加。空间电荷区内的正电荷与负电荷在空间上又是分离的，当外加反偏电压时，空间电荷区内的正负电荷数会跟随其发生相应的变化，这样PN结就有了电容的充放电效应。对于大的正向偏压，有大量载流子通过空间电荷区, 耗尽层近似不再成立，势垒电容效应不凸显。所以，只有在反偏状态下的PN结存在电容。

②由于反偏电压越大，空间电荷区的宽度越大。势垒电容相当于极板间距为耗尽层宽度的平板电容，电容的大小又与宽度成反比。所以随着反偏电压的增加，势垒电容反而下降。

3.什么是单边突变结？为什么pn结低掺杂一侧的空间电荷区较宽？

答：①对于一个半导体，当其P区的掺杂浓度远大于N区（即N d>>Na）时，我们称这种结为P+N；当其N区的掺杂浓度远大于N区（即Na >> N d）时，我们称这种结为N+P。这两类特殊的结就是单边突变结。

②由于PN结空间电荷区内Ｐ区的受主离子所带负电荷量与Ｎ区的施主离子所带正电荷的量是相等的，而这两种带电离子是不能自由移动的。所以，对于空间电荷区内的低掺杂一侧，其带电离子的浓度相对较低，为了与高掺杂一侧的带电离子的数量进行匹配，只有增加低掺杂一侧的宽度。因此，ＰＮ结低掺杂一侧的空间电荷区较宽。

4.对于突变p+-n结，分别示意地画出其中的电场分布曲线和能带图：

答：①热平衡状态时：

突变p+-n结的电场分布曲线：

突变p+-n结的能带图：

注：画的时候把两条虚线对齐。

5.画出正偏时pn结的稳态少子浓度分布图。答：

6.画出正偏pn结二极管电子和空穴电流图。答：

7.解释pn结二极管扩散电容形成的机制；解释产生电流和复合电流的形成机制。

答：①在扩散区中存在有等量的非平衡电子和空穴的电荷,在直流电压下的少子浓度会随其中的交流成分的改变而改变。随着外加电压的变化，由于少子浓度变化而形成的少子电荷存储量的变化△Ｑ不断地被交替充电与放电，从而表现为电容效应，少子电荷存储量的变化与电压变化量的比值即为扩散电容。

②反偏产生电流的形成机制：反偏电压下，空间电荷区产生了新的电子—空穴对，由于反偏空间电荷区的电子浓度与空穴浓度为零，这些新产生的电子—空穴对会重新建立新的热平衡。电子—空穴对一经产生，就会被电场扫出空间电荷区。这些被扫出电荷流动产生的电流即为反偏产生电流。

正偏复合电流的形成机制：当PN结外加正偏电压时，电子与空穴会穿过空间电荷区注入到相应的区域，电子与空穴在穿越空间电荷区时有可能会发生复合，这部分复合的电子与空穴的相对运动形成的电流即为复合电流。

8.什么是存储时间？

答：P区与N区均存在过剩载流子。空间电荷区边缘的过剩载流子由正偏PN结电压维持。当外加电压由正偏变为反偏时，空间电荷区边缘处的少子浓度就不能再维持，于是就会慢慢衰减，如下图所示。

空间电荷区边缘少子浓度达到热平衡值时所经历的时间ts即为存储时间。存储时间内，反向电流大小是基本不变的。

9.为什么随着掺杂浓度的增大，击穿电压反而下降？

答：随着掺杂浓度的增大，杂质原子之间彼此靠的很近而发生相互影响，分离能级就会扩展成微带，会使原来的导带底下移，造成禁带宽度变窄，不加外加电压时，能带的倾斜处隧道长度∆x变得更短，当∆x短到一定程度，当加微小电压时，就会使P区价带中的电子通过隧道效应穿过窄窄的禁带而到达N区导带，使得反向电流急剧增大而发生隧道击穿。所以，掺杂浓度越大，禁带宽度越窄，也就越容易发生隧穿，击穿电压也就越小。

10.画出有偏压时理想金属半导体结的能带图，在图上标出肖特基势垒。

答：

注：左边是N型金属半导体结能带图，右边是P型金属半导体能带图，肖特基势垒图中已标出。

11.比较肖特基二极管和pn结二极管正偏时的I-V特性。

答：

1.I-V关系式形式相同，由于电流输运

机制不同，肖特基二极管的电流要

比pn结的大几个数量级。

2.相应的肖特基二极管的导通压降也

比较低。

3.因为肖特基二极管是单极性器件，

只有多子，少子很少，可认为无少

子存储电荷，高频特性好，开关时

间短，一般在ps数量级。pn结开

关时间在ns数量级。

12.什么是异质结？

答：用两种不同材料组成的一个结叫做异质结，它可以按照不同的分类标准又分为由导电类型相同的两种不同材料所形成的同型异质结和由导电类型相反的两种不同材料所形成的反型异质结，以及突变异质结和缓变异质结。

13. 对于n+pn晶体管（基区宽度<<少数载流子扩散长度），分别示意画出其中各个区域中的少数载流子浓度的分布曲线：

①正向放大工作状态；

②截止状态；

③临界饱和状态；注：该图C区的少子电子的浓度应维持在平衡浓度上，临界饱和的条件就是（Vbe>0,Vbc=0）.

④深饱和状态。

14共基极电流增益的三个限制因素（发射极注入效率系数、基区输运系数和复合系数）的定义和对共基极电流增益的影响。

答：

发射极注入效率系数：考虑了发射区中的少子空穴扩散电流对电流增益的影响。该电流是发射极的一部分，但它对晶体管的工作没有作用，因为J pE 不是集电极电流的一部分，它的存在会降低共基极电流的增益。

基区输运系数：考虑了基区过剩少子电子的复合作用的影响。理想情况下，我们是希望基区中没有复合的，不过复合是不可避免的，所以复合的存在使基区输运系数小于1，也就降低了共基极电流的增益。

复合系数：考虑了正偏B-E 结中的复合的影响。电流J R 对发射极电流有贡献，但对集电极电流没有贡献，所以它的存在也降低了共基极电流的增益。

15.什么是基区宽度调制效应？该效应的另一个称呼是什么？

答：事实上，晶体管的基区宽度是B-C 结电压的函数，因为随着结电压的变化，B-C 结空间电荷区会扩展进基区。随着B-C 结反偏电压的增加，B-C 结空间电荷区宽度增加，使得交流共基极电流增益： pE

R nE nC E C J J J J J J ++=∂∂≡α