半导体器件物理第六章习题
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
6-1．绘出在偏压条件下MOS 结构中对应载流子积累、耗尽以及强反型的能带和电荷分布的示意图，采用N 型衬底并忽略表面态和功函数的影响。
6-2．推导出体电荷、表面电势以及表面电场的表达式，说明在强反型时他们如何依赖于衬底的掺杂浓度a N 。在1410至1810 3
?cm 范围内画出体电荷、表面电势及电场与a N 的关系。
6-3．在受主浓度为31610?cm 的P 型硅衬底上的理想MOS 电容具有0.1um 厚度的氧化层，40=K ，在下列条件下电容值为若干？（a ）V V G 2+=和Hz f 1=，（b ） V V G 20=和Hz f 1=，（c ）V V G 20+=和MHz f 1=。
6-4．采用叠加法证明当氧化层中电荷分布为)(x ρ时，相应的平带电压变化可用下式表示：
0000
()x FB q x x V dx C x ρΔ=?∫ 6-5．一MOS 器件的01000x =?，eV q m 0.4=φ，eV q s 5.4=φ，并且有21610?cm
的均匀正氧化层电荷，计算出它的平带电压。假设40=K ，运用习题6-4的表达式 6-6．利用习题6-4中的结果对下列情形进行比较。
(a) 在MOS 结构的氧化层中均匀分布着212105.1?×cm 的正电荷，若氧化层的厚度为150nm ，计算出这种电荷引起的平带电压。
(b) 若全部电荷都位于硅-氧化硅的界面上，重复(a)。
(c) 若电荷成三角分布，它的峰值在0=x ，在0x x =处为零，重复(a)。 6-7．在31510?=cm N a 的P 型Si<111>衬底上制成一铝栅MOS 晶体管。栅氧化层厚度为120nm ，表面电荷密度为211103?×cm 。计算阈值电压。
6-8． 一MOS 结构中由315105?×=cm N a 的N 型衬底，100nm 的氧化层以及铝接触构成，测得阈值电压为2.5V ，计算表面电荷密度。
6-9． 一P 沟道铝栅极MOS 晶体管具有下列参数：01000x = ?，315102?×=cm N d ，112010Q cm ?=，10L m μ=，50Z m μ=，S V cm p ?=/2302μ ，计算在GS V 等于-4V 和-8V 时的DS I ，并绘出电流-电压特性。
6-10．一N 沟道MOS 晶体管具有下列参数：40=K ，0100x nm =，10=L Z ，s V cm n ?=/10002μ，V V TH 5.0=，计算在V V G 4=时的饱和电流。
6-11．在习题6-10中的MOS 晶体管中，令V V V TH G 1=?。
（a ） 计算氧化层电容和截止频率。
（b ） 若m Z μ10=，及50L m μ=，重复（a ）。
6-12． (a) 若N 沟道MOS 增强型FET 的源和衬底接地，栅和漏极短路，推导出描述源-漏
两极I V ?特性的公式（假设TH V 为常数）。
(b) 用习题6-10的数据画出V I ?曲线。
(c) 计算 V V V TH G 1=?时的on R .
(d) 若L/Z =1.0，重复（c ）
6-13． .(a) 一P 沟道MOS 晶体管制造在15310cm ?的N 型衬底上，栅氧化层厚度为100nm ，
若0.60ms V φ=?，0.60ms φ=?以及1520510,Q cm ?=×计算阈值电压。
(b)采用硼离子注入降低（a ）中的MOSFET 的阈值电压，问要得到 1.5?V 阈值电压
所需的掺硼浓度为若干？
6-14．考虑一个长沟道MOSFET ，其中1533.21,510a L m Z m N cm μμ?===×，
720 1.510/C F cm ?=×， 1.5m V V =。求4G V V =时的Dsat V 。若用常数比例因子将沟道收缩到1m μ，求按比例缩小后的下列参数：0,,Dsat Z C I 和0f 。
6-15． 设计一个栅长为0.75m μ的亚微米MOSFET (栅的长度是沟道长度加上2倍结深)，
若结深为0.2m μ，栅氧化层厚度为20nm 。最大漏电压限制为2.5V ，求沟道掺杂浓度为多少时才能使这个MOSFET 具有长沟道特性。
6-16． 对于图6－30中的亚微米MOSFET ：（a ）求2G V V =，2 2.5D V V V <<情况下的
沟道电导，（b ）0.75,2 2.5D G V V V V V =<<情况下的跨导，（c ）解释为什么电流不随（V 2
)TH G V ?变化，（d ）根据跨导估算饱和速度。
6-17． 草绘采用硅栅工艺生产MOS 晶体管的一套掩膜。
6.18. MOS 已知MOSFET 的输出特性如图1所示，结构如图2所示
t OX=0.05μm, N A=1015cm-3, μn=550cm2/V-sec, L=7μm, W=70μm, T=23℃
图(6.20)2
a.在图2中绘出V G=V D=5V时，反型层、耗尽区边界，并标注各区掺杂类型
b.根据萨方程，仅通过图1，粗略得出MOSFET的阈电压，并解释是如何得到的
c.根据已知数据计算阈电压
d.通过图1得出V G =5V，V D=0V是的漏源电导g d ，并解释是如何得到的
e.计算V G=V D=5V时的栅跨导
半导体器件物理课后习题解答
半导体器件物理课后作业 第二章 对发光二极管（LED）、光电二极管（PD）、隧道二极管、齐纳二极管、变容管、快恢复二极管和电荷存储二极管这7个二端器件，请选择其中的4个器件，简述它们的工作原理和应用场合。 解： 发光二极管 它是半导体二极管的一种，是一种固态的半导体器件，可以把电能转化成光能；常简写为LED。 工作原理：发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少是不同的，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短；反之，则发出的光的波长越长。 应用场合：常用的是发红光、绿光或黄光的二极管，它们主要用于各种LED显示屏、彩灯、工作（交通）指示灯以及居家LED节能灯。 光电二极管 光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性，但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。 工作原理：普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光，而电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子—空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流迅速增大到几十微安，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 光电二极管有多种类型，用途也不尽相同，主要有以下几种： PN型特性：优点是暗电流小，一般情况下，响应速度较低。 用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。 PIN型特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应 用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真 发射键型特性：使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体 用途：主要用于紫外线等短波光的检测 雪崩型特性：响应速度非常快，因具有倍速做用，故可检测微弱光 用途：高速光通信、高速光检测 隧道二极管 隧道二极管（Tunnel Diode）又称为江崎二极管，它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。隧道二极管是采用砷化镓（GaAs）和锑化镓（GaSb）等材料混合制成的半
半导体器件物理 试题库
半导体器件试题库 常用单位： 在室温（T = 300K ）时，硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C μn =1350 2cm /V s ? μp =500 2 cm /V s ? ε0=8.854×10-12 F/m 一、半导体物理基础部分 （一）名词解释题 杂质补偿：半导体内同时含有施主杂质和受主杂质时，施主和受主在导电性能上有互相抵消 的作用，通常称为杂质的补偿作用。 非平衡载流子：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度， 额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。 迁移率：载流子在单位外电场作用下运动能力的强弱标志，即单位电场下的漂移速度。 晶向： 晶面： （二）填空题 1．根据半导体材料内部原子排列的有序程度，可将固体材料分为 、多晶和 三种。 2．根据杂质原子在半导体晶格中所处位置，可分为 杂质和 杂质两种。 3．点缺陷主要分为 、 和反肖特基缺陷。 4．线缺陷，也称位错，包括 、 两种。 5．根据能带理论，当半导体获得电子时，能带向 弯曲，获得空穴时，能带 向 弯曲。 6．能向半导体基体提供电子的杂质称为 杂质；能向半导体基体提供空穴的杂 质称为 杂质。 7．对于N 型半导体，根据导带低E C 和E F 的相对位置，半导体可分为 、弱简 并和 三种。 8．载流子产生定向运动形成电流的两大动力是 、 。
9．在Si-SiO 2系统中，存在 、固定电荷、 和辐射电离缺陷4种基 本形式的电荷或能态。 10．对于N 型半导体，当掺杂浓度提高时，费米能级分别向 移动；对于P 型半 导体，当温度升高时，费米能级向 移动。 （三）简答题 1．什么是有效质量，引入有效质量的意义何在？有效质量与惯性质量的区别是什么？ 2．说明元素半导体Si 、Ge 中主要掺杂杂质及其作用？ 3．说明费米分布函数和玻耳兹曼分布函数的实用范围？ 4．什么是杂质的补偿，补偿的意义是什么？ （四）问答题 1．说明为什么不同的半导体材料制成的半导体器件或集成电路其最高工作温度各不相同？ 要获得在较高温度下能够正常工作的半导体器件的主要途径是什么？ （五）计算题 1．金刚石结构晶胞的晶格常数为a ，计算晶面（100）、（110）的面间距和原子面密度。 2．掺有单一施主杂质的N 型半导体Si ，已知室温下其施主能级D E 与费米能级F E 之差为 1.5B k T ，而测出该样品的电子浓度为 2.0×1016cm -3，由此计算： （a ）该样品的离化杂质浓度是多少？ （b ）该样品的少子浓度是多少？ （c ）未离化杂质浓度是多少？ （d ）施主杂质浓度是多少？ 3．室温下的Si ，实验测得430 4.510 cm n -=?，153510 cm D N -=?， （a ）该半导体是N 型还是P 型的？ （b ）分别求出其多子浓度和少子浓度。 （c ）样品的电导率是多少？ （d ）计算该样品以本征费米能级i E 为参考的费米能级位置。 4．室温下硅的有效态密度1932.810 cm c N -=?，1931.110 cm v N -=?，0.026 eV B k T =，禁带 宽度 1.12 eV g E =，如果忽略禁带宽度随温度的变化
半导体器件物理(第二版)第二章答案
2-1．P N + 结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用2T V V i np n e =导出)(n n x p 表达式。给 出N 区空穴为小注入和大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。 解：在n x x =处 ()()??? ??????? ??-=?? ? ??-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn i n n FP i i n n exp exp ()()VT V i Fp Fn i n n n n e n KT E E n x n x p 22exp =??? ? ??-= 而 ()()() 000n n n n n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ （n n n p ?=?） ()()T T V V i n n n V V i n n n e n p n p e n n n p 2020=?+?=?+ 2001T V V n i n n n p n p e n n ???+= ?? ? T V V 2 2n n0n i p +n p -n e =0 n p = (此为一般结果) 小注入：（0n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22=或 T V V i n e n p 2= 2-2．热平衡时净电子电流或净空穴电流为零，用此方法推导方程 2 0ln i a d T p n n N N V =-=ψψψ。 解：净电子电流为 ()n n n n I qA D n x με?=+? 处于热平衡时，I n ＝0 ，又因为 d dx ψ ε=-
半导体器件物理_复习重点
第一章 PN结 1.1 PN结是怎么形成的？ 耗尽区：正因为空间电荷区内不存在任何可动的电荷，所以该区也称为耗尽区。 空间电荷边缘存在多子浓度梯度，多数载流子便受到了一个扩散力。在热平衡状态下，电场力与扩散力相互平衡。 p型半导体和n型半导体接触面形成pn结，p区中有大量空穴流向n区并留下负离子，n区中有大量电子流向p区并留下正离子（这部分叫做载流子的扩散），正负离子形成的电场叫做空间电荷区，正离子阻碍电子流走，负离子阻碍空穴流走（这部分叫做载流子的漂移），载流子的扩散与漂移达到动态平衡，所以pn 结不加电压下呈电中性。 1.2 PN结的能带图（平衡和偏压） 无外加偏压，处于热平衡状态下，费米能级处处相等且恒定不变。 1.3 内建电势差计算 N区导带电子试图进入p区导带时遇到了一个势垒，这个势垒称为内建电势差。
1.4 空间电荷区的宽度计算 n d p a x N x N = 1.5 PN 结电容的计算 第二章 PN 结二极管 2.1理想PN 结电流模型是什么？ 势垒维持了热平衡。 反偏：n 区相对于p 区电势为正，所以n 区内的费米能级低于p 区内的费米能级，势垒变得更高，阻止了电子与空穴的流动，因此pn 结上基本没有电流流动。 正偏：p 区相对于n 区电势为正，所以p 区内的费米能级低于n 区内的费米能级，势垒变得更低，电场变低了，所以电子与空穴不能分别滞留在n 区与p 区，所以pn 结内就形成了一股由n 区到p 区的电子和p
区到n 区的空穴。电荷的流动在pn 结内形成了一股电流。 过剩少子电子：正偏电压降低了势垒，这样就使得n 区内的多子可以穿过耗尽区而注入到p 区内，注入的电子增加了p 区少子电子的浓度。 2.2 少数载流子分布（边界条件和近似分布） 2.3 理想PN 结电流 ?? ????-??? ??=1exp kT eV J J a s ?? ? ? ? ?+=+= 0020 11p p d n n a i n p n p n p s D N D N en L n eD L p eD J ττ 2.4 PN 结二极管的等效电路（扩散电阻和扩散电容的概念）？ 扩散电阻：在二极管外加直流正偏电压，再在直流上加一个小的低频正弦电压，则直流之上就产生了个叠加小信号正弦电流，正弦电压与正弦电流就产生了个增量电阻，即扩散电阻。 扩散电容：在直流电压上加一个很小的交流电压，随着外加正偏电压的改变，穿过空间电荷区注入到n 区内的空穴数量也发生了变化。P 区内的少子电子浓度也经历了同样的过程，n 区内的空穴与p 区内的电子充放电过程产生了电容，即扩散电容。
半导体器件物理试题
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想MIS结构在加不同偏压 时半导体表面特征 16.晶体管具备放大能力须具备哪些条件 17.饱和开关电路和非饱和开关电路的区别（各自有缺点）是什么 18.简述势垒区正负空间电荷区的宽度和该区杂质浓度的关系 19.结合能带图简述绝缘体、半导体及导体的导电能力 20.说明晶体管具有电信号放大能力的条件并画出不同情况下晶体管的输入输 出曲线并描述其特征 21.请画图并叙述晶体管电流放大系数与频率间的关系 22.请画出MOSFET器件工作中的输出特性及转移特性曲线并描述其特征 23.请叙述双极型晶体管和场效应晶体管的工作原理及区别 24.画出CMOS倒相器的工作图并叙述其工作原理 25.提高双极型晶体管功率增益的途径有哪些 26.请描述双极型晶体管大电流特性下的三个效应 27.画出共基极组态下的晶体管输入及输出特性曲线
半导体器件物理复习题
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（0F c E E ->）；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（0F v E E -<）。
7. 有效状态密度： 在导带能量范围（ ~c E ∞ ）内，对导带量子态密度函数 导带中电子的有效状态密度。 在价带能量范围（ ~v E -∞） 内，对价带量子态密度函数 8. 以导带底能量c E 为参考，导带中的平衡电子浓度： 其含义是：导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘以能量为导带低能量时的玻尔兹曼分布函数。 9. 以价带顶能量v E 为参考，价带中的平衡空穴浓度： 其含义是：价带中的平衡空穴浓度等于价带中的有效状态密度乘以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10.
11. 12. 13. 14. 本征费米能级Fi E ： 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带 带宽度g c v E E E =-。？ 15. 本征载流子浓度i n ： 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度 00i n p n ==。硅半导体，在300T K =时，1031.510i n cm -=?。 16. 杂质完全电离状态： 当温度高于某个温度时，掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质；掺杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质，称谓杂质完全电离状态。 17. 束缚态： 在绝对零度时，半导体内的施主杂质与受主杂质成电中性状态称谓束缚态。束缚态时，半导体内的电子、空穴浓度非常小。 18. 本征半导体的能带特征： 本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近，且跟温度有关。如果电子和空穴的有效质量严格相等，那么本征半导体费米能级
半导体器件物理第二章答案
2-1.P N + 结空间电荷区边界分别为p x -与n x ,利用2T V V i np n e =导出)(n n x p 表达式。给出N 区空穴为小注入与大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。 解:在n x x =处 ()()??? ??????? ??-=?? ? ??-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn i n n FP i i n n exp exp ()()VT V i Fp Fn i n n n n e n KT E E n x n x p 22exp =? ?? ? ??-= 而 ()()() 000n n n n n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ (n n n p ?=?) ()()T T V V i n n n V V i n n n e n p n p e n n n p 2020=?+?=?+ 2001T V V n i n n n p n p e n n ???+= ?? ? T V V 2 2n n0n i p +n p -n e =0 n p = (此为一般结果) 小注入:(0n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22=或 T V V i n e n p 2= 2-2.热平衡时净电子电流或净空穴电流为零,用此方法推导方程 2 0ln i a d T p n n N N V =-=ψψψ。 解:净电子电流为 ()n n n n I qA D n x με?=+? 处于热平衡时,I n ＝0 ,又因为 d dx ψ ε=- 所以n n d n n D dx x ψμ?=?,又因为n T n D V μ=(爱因斯坦关系)
69第6章3_半导体器件物理EM3模型
半导体器件物理(1)
半导体器件物理(I ) 在E-M2模型基础上进一步考虑晶体管的二阶效应，包括基区宽度调制、小电流下复合电流的影响、大注入效应等，就成为E-M3模型. 第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型 四、E-M3模型
半导体器件物理(I ) 1.基区宽度调制效应(Early 效应) 按照器件物理描述的方法，正向放大应用情况下，采用正向Early 电压V A （记为VA ）描述c’-b’势垒区两端电压Vc’b’对有效基区宽度X b 的影响，进而导致I S 、βF 等器件特性参数的变化。 同样引入反向Early 电压（记为VB ）描述反向放大状态下Ve’b’的作用。 第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型 四、E-M3模型
半导体器件物理(I ) 考虑基区宽变效应引入两个模型参数： 正向Early 电压VA 反向Early 电压VB 这两个模型参数的默认值均为无穷大。 若采用其内定值，实际上就是不考虑基区宽度调制效应。 考虑基区宽变效应等效电路并不发生变化。 第6章BJT模型和BJT版图1.基区宽度调制效应(Early 效应) 6-1 E-M 模型 四、E-M3模型
半导体器件物理(I ) 小电流下正偏势垒区存在的复合和基区表面复合效应使基极电流增大。引入下述基区复合电流项描述正向放大情况下be 结势垒区的影响： I 2＝I SE [exp(qV b’e’/Ne kT)-1] 反向放大情况下引入下述基区复合电流描述bc 结势垒区的影响： I 4＝I SC [exp(qV b’c’/Nc kT)-1] 相当于等效电路中I B 增加两个电流分量。 2.小电流下势垒复合效应的表征 第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型 四、E-M3模型
半导体器件物理习题
●在300K 下，Si 在价带中的有效态密度为2,66X 19 103 cm -,而GaAs 为7X 18 10 3 cm -，求 出空穴的有效质量，并与自由电子质量比较。 ●画出在77K ，300K,及600K 时掺杂 1610个/3cm 的As 原子的Si 简化能带图，标示出费米能 级且使用本征F E 作参考量。 ●求出i S 在300K 时掺入下列掺杂情形下电子空穴浓度及费米能级。 ●对一半导体而言，其具有一固定的迁移率比 b=n u /p u >1,且与杂质浓度无关，求其最大的电 阻率m ρ并以本征电阻率i ρ及迁移率比表示。 ●给定一个未知掺杂的i S 晶样品，霍耳测量提供了以下信息： ω=0.05cm,A=1.6x 3-103cm -,I=2.5mA,磁场为30nT(1T=4-10wb/2 cm ),若测出的霍耳电压为 10mV ,求半导体样品的霍耳系数，导体型态，多子浓度，电阻率及迁移率。 ●线性缓变Si 结，其掺杂梯度为420 cm 10 -，计算内建电势及4V 反向偏压的结电容（T=300K ）。 对一理想突变p-n 结，其 D N =316cm 10-，当外加正偏压1V 时，求出中性区（n 区）没单位 面积储存的少子、中性区的长度为1μm,p L 5μm. ●对一理想突变p-n 结，其 D N =316cm 10-，当外加正偏压1V 时，求出中性区（n 区）没单 位面积储存的少子、中性区的长度为1μm, p L =5μm. ●设计一+ p -n Si 突变结二极管，其反向击穿电压为130V ，正偏电流在V V 7.0h =时为2.2mA,设. 1070p s -=τ
半导体器件物理(第六章)_93140777
半导体器件 物理进展 第六章其它特殊半导体器件简介Introduction to other Special Semiconductor Devices
本章内容提要： LDMOS、VDMOS等高压功率器件 IGBT功率器件简介 SOI器件与集成电路 电荷耦合器件的原理与应用
1. LDMOS、VDMOS功率器件 （1）MOSFET作为功率器件的优势： MOSFET为多子（多数载流子）器件，电流温度系数为负值（由迁移率随温度的变化引起），不会发生双极型功率器件的二次击穿现象（由Iceo，β随温度的升高而引起）； 没有少子（少数载流子）的存贮效应，开关响应速度较快； 栅极输入阻抗较高，所需的控制功率较小； 具有一定的功率输出能力，可与控制电路集成在一起，形成Smart Power IC，例如LCD显示器的高压驱动电路（Driver）。
（2）MOSFET的击穿特性： （A）导通前的击穿： 源漏穿通： 早期的解释：随着源漏电压增大，→源漏耗尽区不断展宽，直至相碰到一起，→导致发生源漏穿通效应（这里仍然采用的是平面PN结耗尽区的概念，尽管可能不是十分准确）； 目前的理解：由于DIBL效应引起的源漏穿通，与器件的沟道长度及沟道掺杂分布有关，其特点是（与PN结的击穿特性相比）击穿特性的发生不是非常急剧，换句话说，器件的击穿特性不是十分陡直的硬击穿，而是比较平缓的软击穿特性。
漏端PN结击穿： 比单纯的非MOSFET漏区的PN结击穿电压要低（原因：受场区离子注入、沟道区调开启离子注入等因素的影响），由于侧向双极型晶体管的放大作用，使得BV PN 有所下降（类似BV CEO 小于BV CBO ），不同点在于MOS器件的衬底（相当于BJT器件的基区）不是悬空的，而是接地（只是接地电阻可能偏大），这种击穿特性的特点是雪崩电流的发生比较急剧，发生雪崩效应之前的反向电流也很小。 （B ）导通后的击穿：主要是由于侧向双极型晶体管效应所导致，特别是由于器件衬底电流的影响，将使源衬PN 结出现正偏现象，致使侧向双极型晶体管效应更为严重。
半导体器件物理施敏课后答案
半导体器件物理施敏课后答案 【篇一：半导体物理物理教案(03级)】 >学院、部：材料和能源学院 系、所；微电子工程系 授课教师：魏爱香，张海燕 课程名称；半导体物理 课程学时：64 实验学时：8 教材名称：半导体物理学 2005年9-12 月 授课类型：理论课授课时间：2节 授课题目（教学章节或主题）： 第一章半导体的电子状态 1.1半导体中的晶格结构和结合性质 1.2半导体中的电子状态和能带 本授课单元教学目标或要求： 了解半导体材料的三种典型的晶格结构和结合性质；理解半导体中的电子态, 定性分析说明能带形成的物理原因，掌握导体、半导体、绝缘体的能带结构的特点 本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：
1．半导体的晶格结构：金刚石型结构；闪锌矿型结构；纤锌矿型 结构 2．原子的能级和晶体的能带 3．半导体中电子的状态和能带（重点，难点） 4．导体、半导体和绝缘体的能带（重点） 研究晶体中电子状态的理论称为能带论，在前一学期的《固体物理》课程中已经比较完整地介绍了，本节把重要的内容和思想做简要的 回顾。 本授课单元教学手段和方法： 采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授 本授课单元思考题、讨论题、作业： 作业题：44页1题 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出） 1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005? 2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导和典型题解》?电子工 业 出版社2005 3. 施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理和工艺》，苏州大学出 版社，2002 4. 方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社 5．曾谨言，《量子力学》科学出版社 注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3. “重点”、“难点”、“教学手段和方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。
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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（0F c E E ->）；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（0F v E E -<）。 7. 有效状态密度： 穴的有效状态密度。 8. 以导带底能量c E 为参考，导带中的平衡电子浓度：
其含义是：导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘以能量为导带低能量时的玻尔兹曼分布函数。 9. 以价带顶能量v E 为参考，价带中的平衡空穴浓度： 其含义是：价带中的平衡空穴浓度等于价带中的有效状态密度乘以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10. 11. 12. 13. 14. 本征费米能级Fi E ： 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带 中央附近， g c v E E E =-。？ 15. 本征载流子浓度i n ： 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度00i n p n ==。硅半导体，在 300T K =时，1031.510i n cm -=?。 16. 杂质完全电离状态： 当温度高于某个温度时，掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质；掺杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质，称谓杂质完全电离状态。 17. 束缚态： 在绝对零度时，半导体内的施主杂质与受主杂质成电中性状态称谓束缚态。束缚态时，半导体内的电子、空穴浓度非常小。 18. 本征半导体的能带特征：
半导体器件物理 试题库
题库(一) 半导体物理基础部分 1、计算分析题 已知：在室温（T = 300K ）时，硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C μn =1350 2cm /V s ? μp =500 2 cm /V s ? 半导体硅材料在室温的条件下，测得 n 0 = 4.5×104/cm 3， N D =5×1015/cm 3 问：⑴ 该半导体是n 型还是p 型？ ⑵ 分别求出多子和少子的浓度 ⑶ 样品的电导率是多少？ ⑷ 分析该半导体的是否在强电离区，为什么0D n N ≠？ 2、说明元素半导体Si 、Ge 中的主要掺杂杂质及其作用？ 3、什么叫金属-半导体的整流接触和欧姆接触，形成欧姆接触的主要方法有那些？ 4、为什么金属与重掺杂半导体接触可以形成欧姆接触？ P-N 部分 5、什么叫pn 结的势垒电容？分析势垒电容的主要的影响因素及各因素导致垒电容大小变化的趋势。 6、什么是pn 结的正向注入和反向抽取？ 7、pn 结在正向和反向偏置的情况下，势垒区和载流子运动是如何变化的？ 8、简述pn 结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的机理． 9、什么叫二极管的反向恢复时间，提高二极管开关速度的主要途径有那些？ 10、如图1所示，请问本PN 结的偏压为正向，还是反向？准费米能级形成的主要原因? PN 结空间电荷区宽度取决的什么因素，对本PN 结那边空间电荷区更宽？
图1 pn结的少子分布和准费米能级 三极管部分 11、何谓基区宽变效应？ 12、晶体管具有放大能力需具备哪些条件？ 13、怎样提高双极型晶体管的开关速度？ 14、双极型晶体管的二次击穿机理是什么？ 15、如何扩大晶体管的安全工作区范围？ 16、详细分析PN结的自建电场、缓变基区自建电场和大注入自建电场的异同点。 17、晶体管的方向电流I CBO、I CEO是如何定义的？二者之间有什么关系？ 18、高频时，晶体管电流放大系数下降的原因是什么？ 19、如图2所示，请问双极型晶体管的直流特性曲线可分为哪些区域，对应图中的什么位置？ 各自的特点是什么?从图中特性曲线的疏密程度，总结电流放大系数的变化趋势，为什么？
半导体器件物理习题与参考文献
半导体器件物理习题与参考文献 第一章习题1–1．设晶格常数为a的一维晶体，导带极小值附近能量为Ec(k)：?2k2?2(k?k1)2 Ec(k)??3mm?2k23?2k2?价带极大值附近的能量为：Ev(k)?式中m为电子能量，6mmk1??a?，试求：,a?禁带宽度；导带底电子的有效质量；价带顶空穴的有效质量。1–2．在一维情况下：利用周期性边界条件证明：表示独立状态的k值数目等于晶体的原胞数；?2k2设电子能量为E?，并考虑到电子的自旋可以有两种不同的取向，试*2mn*2mn证明在单位长度的晶体中单位能量间隔的状态数为N(E)?E?12。h1–3．设硅晶体电子中电子的纵向有效质量为mL，横向有效质量为mt 如果外加电场沿[100]方向，试分别写出在[100]和[001]方向能谷中电子的加速度；如果外加电场沿
[110]方向，试求出[100]方向能谷中电子的加速度和电场之间的夹角。?2k21–4．设导带底在布里渊中心，导带底Ec附近的电子能量可以表示为E(k)?Ec? *2mn*式中mn是电子的有效质量。试在二维和三维两种情况下，分别求出导带附近的状态密度。1–5．一块硅片掺磷10原子/cm。求室温下的载流子浓度和费米能级。1–6．若n 型半导体中Nd?ax，式中a为常数；Nd?N0e?ax推导出其中的电场。1–7．一块硅样品的Nd?1015cm?3，?p?1?s，GL?5?10cms，计算它的电导率和准费米能级。求产生10个空穴/cm的GL值，它的电导率和费米能级为若干？1–8．一半导体Na?1016cm?3,?n?10?s,ni?1010cm?3，以及GL?10cms，计算300K 时的准费米能级。1–9．一块半无限的n 型硅片受到产生率为GL的均匀光照，写出此条件下的空穴连续方程。若在x?0处表面复合速度为S，解新的连
半导体器件物理(第二版)第二章答案
2-1．P N +结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用2T V V i np n e =导出)(n n x p 表达式。给 出N 区空穴为小注入和大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。 解：在n x x =处 ()()??? ??????? ??-=??? ??-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn i n n FP i i n n exp exp 而 ()()()000n n n n n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ （n n n p ?=?） n p =(此为一般结果) 小注入：（0n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22 =或 T V V i n e n p 2= 2-2．热平衡时净电子电流或净空穴电流为零，用此方法推导方程 20ln i a d T p n n N N V =-=ψψψ。 解：净电子电流为 ()n n n n I qA D n x με?=+? 处于热平衡时，I n ＝0 ，又因为 d dx ψε=- 所以n n d n n D dx x ψμ?=?，又因为n T n D V μ=（爱因斯坦关系） 所以dn n V d T =ψ， 从作积分，则 2-3．根据修正欧姆定律和空穴扩散电流公式证明，在外加正向偏压V 作用下，PN 结N 侧 空穴扩散区准费米能级的改变量为qV E FP =?。 证明： 从12x x →积分：
将T n 2n0V /V 1n0P (x )P Pn(x )P e =???=??代入 得FP E qV ?= 2-4． 硅突变结二极管的掺杂浓度为：31510-=cm N d ，320104-?=cm N a ，在室温下计算： （a ）自建电势（b ）耗尽层宽度 （c ）零偏压下的最大内建电场。 解：（a ）自建电势为 （b ）耗尽层宽度为 (с) 零偏压下最大内建电场为 2–5．若突变结两边的掺杂浓度为同一数量级，则自建电势和耗尽层宽度可用下式表示 试推导这些表示式。 解：由泊松方程得： 积分一次得 由边界条件 所以 再积分一次得 令 ()()0 0p p n n x x ψψψ?-=??=?? 得： 10D = ， 20D ψ= 于是()()()()2020022a p p d n n qN x x x k qN x x x k ψεψψε?=+????=--+?? ()()n p x x o x x ≤≤≤≤-0 再由电势的连续性，当x ＝0时 ， ()()00p n ψψ=： 所以 ()2200 2a p d n q N x N x k ψε=+ 再由 ?????=+=n d p a n p x N x N x x W 得 故 ()()()2 2222020022a d n p a d d a a d a d qN N x x N N W N N W q k k N N N N ψεε??++==??++???? 将 p a n d x N x N =代入上式，得 2–6．推导出线性缓变PN 结的下列表示式：（a ）电场（b ）电势分布（c ）耗尽层宽度（d ）
半导体器件物理课程大纲_施敏
《半导体器件物理》教学大纲 课程名称: 半导体器件物理 学分: 4 总学时:64 实验学时:（单独设课）其它实践环节：半导体技术课程设计 适用专业:集成电路设计与集成系统 一、本课程的性质和任务 本课程是高等学校本科集成电路设计与集成系统、微电子技术专业必修的一门专业主干课，是研究集成电路设计和微电子技术的基础课程。本课程是本专业必修课和学位课。 本课程的任务是：通过本课程的学习，掌握半导体物理基础、半导体器件基本原理和基本设计技能，为学习后续的集成电路原理、CMOS模拟集成电路设计等课程以及为从事与本专业有关的集成电路设计、制造等工作打下一定的基础。 二、本课程的教学内容和基本要求 一、半导体器件简介 1．掌握半导体的四种基础结构； 2．了解主要的半导体器件； 3．了解微电子学历史、现状和发展趋势。 二、热平衡时的能带和载流子浓度 1．了解主要半导体材料，掌握硅、锗、砷化镓晶体结构； 2．了解基本晶体生长技术； 3．掌握半导体、绝缘体、金属的能带理论； 4．掌握本征载流子、施主、受主的概念。 三、载流子输运现象 １．了解半导体中两个散射机制；掌握迁移率与浓度、温度的关系； ２．了解霍耳效应； ３．掌握电流密度方程式、爱因斯坦关系式； ４．掌握非平衡状态概念；了解直接复合、间接复合过程； ５．掌握连续性方程式；
６．了解热电子发射过程、隧穿过程和强电场效应。 四、p-n结 １．了解基本工艺步骤：了解氧化、图形曝光、扩散和离子注入和金属化等概念； ２．掌握热平衡态、空间电荷区的概念；掌握突变结和线性缓变结的耗尽区的电场和电势分布、势垒电容计算； ３．了解理想p-n结的电流-电压方程的推导过程； ４．掌握电荷储存与暂态响应、扩散电容的概念； ５．掌握p-n结的三种击穿机制。 ６．了解异质结的能带图。 五、双极型晶体管及相关器件 １．晶体管的工作原理：掌握四种工作模式、电流增益、发射效率、基区输运系数；２．双极型晶体管的静态特性：掌握各区域的载流子分布；了解放大模式下的理想晶体管的电流-电压方程；掌握基区宽度调制效应； 3．双极型晶体管的频率响应与开关特性：掌握跨导、截止频率、特征频率、最高振荡频率的概念； 4．了解异质结双极型晶体管HBT的结构及电流增益； 5．了解可控硅器件基本特性及相关器件。 六、MOSFET及相关器件 1．掌握MOS二极管基本结构、三种表面状态、C-V特性、平带电压；了解CCD器件；2．掌握MOSFET基本原理，掌握阈值电压的计算及影响因素； 3．了解电流-电压方程推导过程，掌握MOSFET的种类及亚阈值区的概念； ４．短沟道效应、CV及CE理论； ５．MOS反相器的原理与闩锁效应； ６．T和SOICMOS结构。 七、MESFET及相关器件 １．金属-半导体接触的能带图及肖特基势垒理论； ２．MESFET基本器件结构及工作原理； ３．MESFET电流-电压方程推导及截止频率的概念； ４．了解MODFET的基本原理。 八、微波二极管、量子效应和热电子器件
半导体器件物理复习题完整版
半导体器件物理复习题 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（ 般为兀素周期表中的 川族兀素）。 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（ 般为兀素周期表中的 V 族兀 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， 费米能级咼于导带底 （E F -E c ）；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 - E v ：：： 0 ）。 7. 有效状态密度: * 3/2 2n ?）J E 二 E 与 在价带能量范围（亠~ E v ）内，对价带量子态密度函数 g v （E ）= 4叮 空穴玻尔兹曼函数f F E=exp-E F —E 的乘积进行积分（即 1 kT 」 8. 以导带底能量E c 为参考，导带中的平衡电子浓度: “ * 3/2 ;4 応（2g ） 启_— 「 E —E F dE ）得到的 2 二 m n kT 称谓导带中 h 3
9. 以价带顶能量E v 为参考，价带中的平衡空穴浓度: 以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10. * 3/2 4二 2m n 导带量子态密度函数 g c E - 3 h > E - E c 14.本征费米能级E Fi : 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近， 1 3 f *冷 m p 3 i —E midgap + — kT ln 4 I m p E 丿 ； 其中禁带宽度 E g = E-Q 。E 15. 本征载流子浓度n : 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度 n o 二P o 二n j 。硅半导体，在 10 3 T =300K 时，n i =1.5 10 cm 。 16. 杂质完全电离状态： 当温度高于某个温度时， 掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质； 掺 杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质，称谓杂质完全电离状态。 17. 束缚态： 在绝对零度时，半导体内的施主杂质与受主杂质成电中性状态称谓束缚态。 束缚态时，半导 体内的电子、空穴浓度非常小。 18. 本征半导体的能带特征： 本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近， 且跟温度有关。如果电子和空穴的有效质量 严格相等，那么本征半导体费米能级的位置严格位于禁带中央。 在该书的其后章节中， 都假 肌=2 m *kT “ < h 2丿 3 2 Nv =2| ‘2兀 m ；kT ' < h 2丿 3 2 12.导带中电子的有效状态密度 13?价带中空穴的有效状态密度 ？ n 严肌旳卜空^斤幻其含义是: 导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘
《半导体器件物理》教学大纲(精)
《半导体器件物理》教学大纲 （2006版） 课程编码：07151022学时数：56 一、课程性质、目的和要求 半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。 二、教学内容、要点和课时安排 第一章半导体物理基础（复习）（2学时） 第二节载流子的统计分布 一、能带中的电子和空穴浓度 二、本征半导体 三、只有一种杂质的半导体 四、杂质补偿半导体 第三节简并半导体 一、载流子浓度 二、发生简并化的条件 第四节载流子的散射 一、格波与声子 二、载流子散射 三、平均自由时间与弛豫时间 四、散射机构
第五节载流子的输运 一、漂移运动迁移率电导率 二、扩散运动和扩散电流 三、流密度和电流密度 四、非均匀半导体中的自建场 第六节非平衡载流子 一、非平衡载流子的产生与复合 二、准费米能级和修正欧姆定律 三、复合机制 四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程 第二章PN结（12学时） 第一节热平衡PN结 一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结 突变结、缓变结、线性缓变结 二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1） 三、空间电荷区、内建电场与电势 四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程 五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势 及PN结空间电荷区两侧的内建电势差 六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差 和空间电荷区宽度（利用耗尽近似） P 结 第二节加偏压的N