1、簡(jiǎn)答題答案：1.空間電荷區(qū)是怎樣形成的。畫出零偏與反偏狀態(tài)下pn結(jié)的能帶圖。答：當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體緊密結(jié)合時(shí)，在其交界面附近存在載流子的濃度梯度，它將引起p區(qū)空穴向n區(qū)擴(kuò)散，n區(qū)電子向p區(qū)擴(kuò)散。因此在交界面附近，p區(qū)留下了不能移動(dòng)的帶負(fù)電的電離受主，n區(qū)留下了不能移動(dòng)的帶正電的電離施主，形成所謂空間電荷區(qū)。PN結(jié)零偏時(shí)的能帶圖：PN結(jié)反偏時(shí)的能帶圖：2.為什么反偏狀態(tài)下的pn結(jié)存在電容？為什么隨著反偏電壓的增加，勢(shì)壘電容反而下降？答：由于空間電荷區(qū)寬度是反偏電壓的函數(shù)，其隨反偏電壓的增加而增加。空間電荷區(qū)內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷在空間上又是分離的，當(dāng)外加反偏電壓時(shí)，空間電荷區(qū)內(nèi)的正負(fù)電荷數(shù)會(huì)跟

2、隨其發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣PN結(jié)就有了電容的充放電效應(yīng)。對(duì)于大的正向偏壓，有大量載流子通過(guò)空間電荷區(qū), 耗盡層近似不再成立，勢(shì)壘電容效應(yīng)不凸顯。所以，只有在反偏狀態(tài)下的PN結(jié)存在電容。由于反偏電壓越大，空間電荷區(qū)的寬度越大。勢(shì)壘電容相當(dāng)于極板間距為耗盡層寬度的平板電容，電容的大小又與寬度成反比。所以隨著反偏電壓的增加，勢(shì)壘電容反而下降。3.什么是單邊突變結(jié)？為什么pn結(jié)低摻雜一側(cè)的空間電荷區(qū)較寬？答：對(duì)于一個(gè)半導(dǎo)體，當(dāng)其P區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于N區(qū)（即Nd>>Na）時(shí)，我們稱這種結(jié)為P+N；當(dāng)其N區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于N區(qū)（即Na >> Nd）時(shí)，我們稱這種結(jié)為N+P。這兩類特殊

3、的結(jié)就是單邊突變結(jié)。由于PN結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)區(qū)的受主離子所帶負(fù)電荷量與區(qū)的施主離子所帶正電荷的量是相等的，而這兩種帶電離子是不能自由移動(dòng)的。所以，對(duì)于空間電荷區(qū)內(nèi)的低摻雜一側(cè)，其帶電離子的濃度相對(duì)較低，為了與高摻雜一側(cè)的帶電離子的數(shù)量進(jìn)行匹配，只有增加低摻雜一側(cè)的寬度。因此，結(jié)低摻雜一側(cè)的空間電荷區(qū)較寬。4.對(duì)于突變p+-n結(jié)，分別示意地畫出其中的電場(chǎng)分布曲線和能帶圖：答：熱平衡狀態(tài)時(shí)：突變p+-n結(jié)的電場(chǎng)分布曲線：突變p+-n結(jié)的能帶圖：注：畫的時(shí)候把兩條虛線對(duì)齊。5.畫出正偏時(shí)pn結(jié)的穩(wěn)態(tài)少子濃度分布圖。答：6.畫出正偏pn結(jié)二極管電子和空穴電流圖。答：7.解釋pn結(jié)二極管擴(kuò)散電容形成的機(jī)制

4、；解釋產(chǎn)生電流和復(fù)合電流的形成機(jī)制。答：在擴(kuò)散區(qū)中存在有等量的非平衡電子和空穴的電荷,在直流電壓下的少子濃度會(huì)隨其中的交流成分的改變而改變。隨著外加電壓的變化，由于少子濃度變化而形成的少子電荷存儲(chǔ)量的變化不斷地被交替充電與放電，從而表現(xiàn)為電容效應(yīng)，少子電荷存儲(chǔ)量的變化與電壓變化量的比值即為擴(kuò)散電容。反偏產(chǎn)生電流的形成機(jī)制：反偏電壓下，空間電荷區(qū)產(chǎn)生了新的電子空穴對(duì)，由于反偏空間電荷區(qū)的電子濃度與空穴濃度為零，這些新產(chǎn)生的電子空穴對(duì)會(huì)重新建立新的熱平衡。電子空穴對(duì)一經(jīng)產(chǎn)生，就會(huì)被電場(chǎng)掃出空間電荷區(qū)。這些被掃出電荷流動(dòng)產(chǎn)生的電流即為反偏產(chǎn)生電流。正偏復(fù)合電流的形成機(jī)制：當(dāng)PN結(jié)外加正偏電壓時(shí)，電子

5、與空穴會(huì)穿過(guò)空間電荷區(qū)注入到相應(yīng)的區(qū)域，電子與空穴在穿越空間電荷區(qū)時(shí)有可能會(huì)發(fā)生復(fù)合，這部分復(fù)合的電子與空穴的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的電流即為復(fù)合電流。8.什么是存儲(chǔ)時(shí)間？答：P區(qū)與N區(qū)均存在過(guò)剩載流子。空間電荷區(qū)邊緣的過(guò)剩載流子由正偏PN結(jié)電壓維持。當(dāng)外加電壓由正偏變?yōu)榉雌珪r(shí)，空間電荷區(qū)邊緣處的少子濃度就不能再維持，于是就會(huì)慢慢衰減，如下圖所示。空間電荷區(qū)邊緣少子濃度達(dá)到熱平衡值時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間ts即為存儲(chǔ)時(shí)間。存儲(chǔ)時(shí)間內(nèi)，反向電流大小是基本不變的。9.為什么隨著摻雜濃度的增大，擊穿電壓反而下降？答：隨著摻雜濃度的增大，雜質(zhì)原子之間彼此靠的很近而發(fā)生相互影響，分離能級(jí)就會(huì)擴(kuò)展成微帶，會(huì)使原來(lái)的導(dǎo)帶底下移

6、，造成禁帶寬度變窄，不加外加電壓時(shí)，能帶的傾斜處隧道長(zhǎng)度Dx變得更短，當(dāng)Dx短到一定程度，當(dāng)加微小電壓時(shí)，就會(huì)使P區(qū)價(jià)帶中的電子通過(guò)隧道效應(yīng)穿過(guò)窄窄的禁帶而到達(dá)N區(qū)導(dǎo)帶，使得反向電流急劇增大而發(fā)生隧道擊穿。所以，摻雜濃度越大，禁帶寬度越窄，也就越容易發(fā)生隧穿，擊穿電壓也就越小。10.畫出有偏壓時(shí)理想金屬半導(dǎo)體結(jié)的能帶圖，在圖上標(biāo)出肖特基勢(shì)壘。答：注：左邊是N型金屬半導(dǎo)體結(jié)能帶圖，右邊是P型金屬半導(dǎo)體能帶圖，肖特基勢(shì)壘圖中已標(biāo)出。11.比較肖特基二極管和pn結(jié)二極管正偏時(shí)的I-V特性。答：1. I-V關(guān)系式形式相同，由于電流輸運(yùn)機(jī)制不同，肖特基二極管的電流要比pn結(jié)的大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。2. 相應(yīng)的肖

7、特基二極管的導(dǎo)通壓降也比較低。3. 因?yàn)樾ぬ鼗O管是單極性器件，只有多子，少子很少，可認(rèn)為無(wú)少子存儲(chǔ)電荷，高頻特性好，開(kāi)關(guān)時(shí)間短，一般在ps數(shù)量級(jí)。pn結(jié)開(kāi)關(guān)時(shí)間在ns數(shù)量級(jí)。12.什么是異質(zhì)結(jié)？答：用兩種不同材料組成的一個(gè)結(jié)叫做異質(zhì)結(jié)，它可以按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)又分為由導(dǎo)電類型相同的兩種不同材料所形成的同型異質(zhì)結(jié)和由導(dǎo)電類型相反的兩種不同材料所形成的反型異質(zhì)結(jié)，以及突變異質(zhì)結(jié)和緩變異質(zhì)結(jié)。13. 對(duì)于n+pn晶體管（基區(qū)寬度<<少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度），分別示意畫出其中各個(gè)區(qū)域中的少數(shù)載流子濃度的分布曲線：正向放大工作狀態(tài)；截止?fàn)顟B(tài)；臨界飽和狀態(tài)；注：該圖C區(qū)的少子電子的濃度應(yīng)維持在

8、平衡濃度上，臨界飽和的條件就是（Vbe>0,Vbc=0）.深飽和狀態(tài)。14共基極電流增益的三個(gè)限制因素（發(fā)射極注入效率系數(shù)、基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)和復(fù)合系數(shù)）的定義和對(duì)共基極電流增益的影響。答：交流共基極電流增益：發(fā)射極注入效率系數(shù)：考慮了發(fā)射區(qū)中的少子空穴擴(kuò)散電流對(duì)電流增益的影響。該電流是發(fā)射極的一部分，但它對(duì)晶體管的工作沒(méi)有作用，因?yàn)镴pE不是集電極電流的一部分，它的存在會(huì)降低共基極電流的增益。基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)：考慮了基區(qū)過(guò)剩少子電子的復(fù)合作用的影響。理想情況下，我們是希望基區(qū)中沒(méi)有復(fù)合的，不過(guò)復(fù)合是不可避免的，所以復(fù)合的存在使基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)小于1，也就降低了共基極電流的增益。復(fù)合系數(shù)：考慮了正偏B

9、-E結(jié)中的復(fù)合的影響。電流JR對(duì)發(fā)射極電流有貢獻(xiàn)，但對(duì)集電極電流沒(méi)有貢獻(xiàn)，所以它的存在也降低了共基極電流的增益。15.什么是基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)？該效應(yīng)的另一個(gè)稱呼是什么？答：事實(shí)上，晶體管的基區(qū)寬度是B-C結(jié)電壓的函數(shù)，因?yàn)殡S著結(jié)電壓的變化，B-C結(jié)空間電荷區(qū)會(huì)擴(kuò)展進(jìn)基區(qū)。隨著B(niǎo)-C結(jié)反偏電壓的增加，B-C結(jié)空間電荷區(qū)寬度增加，使得基區(qū)寬度減小。中性基區(qū)寬度的變化使得集電極電流發(fā)生變化，基區(qū)寬度的減小使得少子濃度梯度增加，這種效應(yīng)稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，又稱厄爾利（Early）效應(yīng)。16.什么是大注入效應(yīng)？答：我們確定少子分布時(shí)所用的雙極傳輸方程默認(rèn)采用了小注入。但隨著VBE的增加，注入的少子濃度

10、開(kāi)始接近，甚至變得比多子濃度還要大。如果我們假定準(zhǔn)電荷中性，那么p型基區(qū)中在靠近發(fā)射區(qū)的那一側(cè)由于過(guò)剩空穴的存在，多子空穴濃度將會(huì)增加。此時(shí)發(fā)生大注入，促使晶體管發(fā)生兩種效應(yīng)發(fā)射極注入效率降低 ( Webster效應(yīng) )；集電極電流增大速率變慢。這種效應(yīng)就是大注入效應(yīng)。17.晶體管的截止頻率是如何定義的？限制雙極型晶體管的頻率響應(yīng)的延時(shí)因素有那些？答：. a截止頻率 fa ：共基極電流放大系數(shù)減小到低頻值的1/2 時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率.b截止頻率f b ：共發(fā)射極電流放大系數(shù)減小到低頻值的1/2 時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率. .晶體管的頻率參數(shù)與晶體管的載流子渡越時(shí)間有關(guān),它包括電子從發(fā)射極到集電極的有效渡越時(shí)

11、間、發(fā)射結(jié)充電時(shí)間、發(fā)射極擴(kuò)散電容充電時(shí)間、集電結(jié)耗盡區(qū)渡越時(shí)間等。18.大致繪出p溝道pnJFET的截面圖，標(biāo)明器件工作時(shí)的電壓極性。答：注：這是n溝道的，類似的p溝道可畫出，并標(biāo)明工作電壓極性。19.定性闡述n溝道耗盡型pnJFET的基本工作原理。答：基本工作原理：如上圖1，顯示了一個(gè)當(dāng)柵極零偏時(shí)的n溝道pnJFET。如果源極接地，并在漏極上加一個(gè)小的正電壓，這漏極產(chǎn)生一個(gè)漏電流ID。n溝道實(shí)質(zhì)上是個(gè)電阻，因此，對(duì)于小的VDS，ID與VDS的曲線接近于線性變化，如上圖所示。當(dāng)我們給pnJFET的柵極與源極之間加一個(gè)電壓后，溝道電導(dǎo)系數(shù)就會(huì)發(fā)生變化，如上圖所示，當(dāng)在柵極加一個(gè)負(fù)壓時(shí)，柵極與溝

12、道形成結(jié)反偏，其空間電荷區(qū)增寬，溝道寬度變窄，溝道電阻增加。當(dāng)反偏電壓達(dá)到一定程度時(shí)，空間電荷區(qū)會(huì)將溝道完全填滿，這種情況稱為溝道夾斷，此時(shí)漏電流幾乎為零，因?yàn)楹谋M層隔離了源端與漏端。當(dāng)柵電壓為零，漏電壓變化時(shí)，如上圖，隨著漏源電壓的增大（正值），柵與溝道形成的結(jié)反偏，空間電荷區(qū)向溝道區(qū)擴(kuò)展。隨著空間電荷區(qū)的擴(kuò)展，有效溝道電阻增大。此時(shí)沿溝道長(zhǎng)度方向，溝道電阻隨位置的不同而變化，而溝道電流是一個(gè)常數(shù)，所以溝道壓降將隨位置的不同發(fā)生相應(yīng)的變化。如果漏極電壓進(jìn)一步升高，溝道將在漏極處夾斷。漏電壓繼續(xù)增大，漏電流將保持不變，此時(shí)晶體管工作在飽和區(qū)，漏電流與VDS無(wú)關(guān)，將體現(xiàn)為柵壓控制。20.分別繪出

13、工作在堆積、耗盡和反型模式下的n型襯底MOS電容的能帶圖。答：堆積模式：耗盡模式：反型模式：21.為什么當(dāng)反型層形成時(shí)MOS電容器的空間電荷區(qū)認(rèn)為達(dá)到最大寬度？答：當(dāng)反型層形成時(shí)，表面處的的少子濃度等于半導(dǎo)體體內(nèi)多子的濃度，此時(shí)所加電壓稱為閾值電壓。如果柵壓大于這個(gè)閾值，導(dǎo)帶會(huì)輕微向費(fèi)米能級(jí)彎曲，表面處導(dǎo)帶的變化只是柵壓的函數(shù)。然而表面少子的濃度是表面勢(shì)的指數(shù)函數(shù)。表面勢(shì)增加數(shù)伏特（），將使電子濃度以的冪次方增加，但是空間電荷區(qū)的寬度的變換卻非常微弱，這種情況下，空間電荷區(qū)已經(jīng)達(dá)到了最大值。22.繪出低頻時(shí)n型襯底MOS電容器的C-V特性曲線。當(dāng)高頻時(shí)曲線如何變化？答：低頻時(shí)：高頻時(shí)：23.定

14、性闡述MOSFET的基本工作原理。答：對(duì)于較小的，當(dāng)時(shí)，漏電流為零。當(dāng)時(shí)，反型層的厚度會(huì)定性的表明相對(duì)電荷密度，這時(shí)的相對(duì)電荷密度在溝道長(zhǎng)度方向上為一常數(shù)，相應(yīng)的特征曲線如左上角圖所示。隨著漏電壓的增大，漏端附近的反型層電荷密度也將減小，漏端的溝道電導(dǎo)減小，ID-VDS特性曲線的斜率也將減小，如右上角圖所示。當(dāng)增大到漏端的氧化層壓降等于時(shí)，漏端的反型層電荷密度為零，此時(shí)漏端的電導(dǎo)為零，即ID-VDS特性曲線的斜率也為零，如左下角圖所示。當(dāng)繼續(xù)增大，使其大于（sat）時(shí)，溝道中的反型電荷為零的點(diǎn)移向源端。這時(shí)，電子從源端進(jìn)入溝道，通過(guò)溝道流向漏端。在電荷為零的點(diǎn)處，電子被注入空間電荷區(qū)，并被電場(chǎng)

15、掃向漏端。如果假設(shè)溝道長(zhǎng)度的變化L相對(duì)于初始溝道長(zhǎng)度L而言很小，那么（sat）時(shí)漏電流為一常數(shù)，如右下角圖所示。24.襯底加偏置電壓會(huì)對(duì)器件工作造成怎樣的影響？答： 當(dāng)在襯底加偏置電壓時(shí)，氧化層下面的空間電荷區(qū)寬度將從初始值XdT開(kāi)始增加，對(duì)于n溝道MOSFET，當(dāng)有VSB>0時(shí)，將會(huì)有更多的電荷與此區(qū)有關(guān)。考慮到MOS電中性的條件，金屬柵上的正電荷必須增多，以補(bǔ)償負(fù)空間電荷的增多，從而達(dá)到閾值反型點(diǎn)。對(duì)于p溝道MOSFET有同樣的效果，所以當(dāng)襯底加偏置電壓時(shí)，會(huì)使MOSFET的閾值電壓增加（p溝道為閾值電壓絕對(duì)值增大）。25.什么是MOSFET的亞閾特性？對(duì)電路工作有何影響？答：MOS

16、FET的亞閾特性就是指在|VGS|VT時(shí)，漏源電流ID并不為零，也就是晶體管不能準(zhǔn)確進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。 如果MOSFET被偏置在等于或稍低于閾值電壓時(shí)，漏電流并不為零。在含有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的大規(guī)模集成電路中，亞閾值電流可以造成很大的功耗。26.為什么通常情況下反型層中載流子的遷移率不是常數(shù)？答：一是由于遷移率隨柵壓會(huì)發(fā)生改變；二是隨著載流子接近飽和速度這個(gè)極限，有效載流子遷移率將減小。這兩個(gè)原因?qū)е路葱蛯又械妮d流子的遷移率不會(huì)是常數(shù)。27.什么是速度飽和現(xiàn)象？它對(duì)MOSFET的I-V特性有何影響？答：在增大電場(chǎng)時(shí)，載流子的漂移速度不會(huì)無(wú)限地增大，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，載流子的速度會(huì)出現(xiàn)飽和，這種現(xiàn)象叫做速度飽和現(xiàn)象。由于垂直電場(chǎng)與表面散射的影響，飽和速度會(huì)隨著所見(jiàn)柵壓而減小一些。速度飽和會(huì)導(dǎo)致ID(sat)和VDS(sat)的值比理想關(guān)系中的小些。ID(