2022年微电子器件物理阶段测试题answer简 .pdf

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1、多练出技巧巧思出硕果微电子器件物理阶段测试题学号姓名得分1硅 pn 结，分别画出并说明正偏0.5V、反偏 1.5V 时的能带图。 (10%) 对比平衡态能带图， 得到的正偏和反偏p 结能带图如下图所示。 图中，扩散区长度未按比例画出。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页多练出技巧巧思出硕果正偏 pn 结能带图说明 1：在 xp处，空穴浓度等于p 区空穴浓度，空穴准费米能级等于 p 区平衡态费米能级。 在耗尽区， 空穴浓度下降， 但本征费米能级下降，根据载流子浓度计算公式， 可认为空穴浓度的下降是由本征费米能级的下降引起

2、的，而空穴准费米能级在耗尽区近似为常数。空穴注入 n 区中性区后， 将与电子复合，经过几个扩散长度后，复合殆尽，最终与n 区平衡态费米能级重合。因此空穴准费米能级在n 区扩散区内逐渐升高，并最终与EFn合一。同理可说明电子准费米能级的变化趋势。正偏 pn 结能带图说明 2：正偏 pn 结耗尽区电流为常数，而正偏pn 结耗尽区载流子浓度较高， 而 pn 结电流nnFnppFpJn Ep E及J，因而耗尽区内载流子准费米能级梯度近似为常数。耗尽区外准费米能级的变化趋势与前述相同。正偏 pn 结能带图说明 3：从 xp开始，空穴准费米能级将随着空穴浓度的降低而逐步抬升，并最终在 n 区扩散区几个扩散

3、长度之后， 非平衡空穴浓度降为零，空穴准费米能级与n 区费米能级合二为一。而空穴扩散长度比耗尽区宽度长得多，因而可近似认为耗尽区空穴准费米能级为常数。同理，从 xn开始向左，电子准费米能级将随着电子浓度的降低而逐步降低，并最终在 p 区扩散区几个扩散长度之后， 非平衡电子浓度降为零， 电子准费米能级与 p 区费米能级合二为一。 而电子扩散长度比耗尽区宽度长得多，因而可近似认为耗尽区电子准费米能级为常数。反偏 pn 结能带图可作类似的三种说明。2简述 pn 结耗尽层电容和扩散电容的概念。怎样计算这两种电容？(10%) pn 结耗尽层电容： pn 结耗尽层厚度随外加电压的变化而变化，从而耗尽层电荷

4、总量也随外加电压的变化而变化，这种效应类似于电容器的充放电。这就是耗尽层电容。 耗尽层两边的中性区类似于平板电容器的两个极板，耗尽层是极板之间的介质， 因此，耗尽层电容可用平板电容器公式来计算，单位面积电容等于耗尽层介电常数除以耗尽层厚度，即0jCW，其中，0、分别半导体的相对介电常数和真空介电常数，W 为耗尽层厚度。pn 结扩散电容： 耗尽层外非平衡载流子扩散区内积累的非平衡电荷的总量，随着外加电压的增减而增减， 这种电容效应就是扩散电容。 以单边突变 p+n结为例， n 区非平衡空穴扩散区内积累的非平衡空穴电荷的总量为,J为非平衡空穴寿命。扩散电容为()DddQd JqCJdVdVkT。3

5、分别计算室温锗pn 结和硅 pn 结的接触电势差， pn结两边的杂质浓度ND=5 1017 cm3，NA=5 1016 cm3。(103133(Si)1.5 10 cm ,(Ge)2.5 10 cmiinn。) (10%) 硅 pn 结：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页多练出技巧巧思出硕果17162102135 105 10ln0.0259 ln(1.5 10 )250.0259 (lnln10 )2.250.837 (V)DAbiiN NkTVqn锗 pn 结：1716213275 105 10ln0.0259

6、ln(2.5 10 )250.0259 (lnln10 )6.250.453 (V)DAbiiN NkTVqn4硅 pn 结 NA=1018cm3，ND=1016cm3，计算正偏 0.52V 下耗尽区边界处的少数载流子浓度，并画出耗尽区外侧载流子浓度分布示意图。(20%) 22023018022043016040420481332.25 102.25 10 cm102.25 102.25 10 cm100.52()exp()2.25 10exp()0.0262.25 102.25 104.85 101.09 10 (cm )ippinnnnnnnpnpnqVp xpkTe20220281130

7、.52()exp()2.25 10exp()0.0262.25 102.25 104.85 101.09 10 (cm )pppqVnxnkTe精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页多练出技巧巧思出硕果5室温硅 pn 结 NA=1018 cm3，ND=1016 cm3，n=p=0.1s，Dn=25 cm2/s, Dp=13 cm2/s，计算: (1) pn 结的反向饱和电流密度； (2) 2V 反偏电压下的反向产生电流密度；(20%) 接触电势差18162102141010ln0.0259ln(1.5 10 )0.025

8、9(ln 2.25ln10)0.814 (V) (0.817)DAbiiN NkTVqn1/201/214191642(|)( 2 )2 11.78.8510(0.8142)1.6 10100.603510 cmbiVVWVqN耗尽区宽度电子和空穴扩散长度7474102515.8 10 (cm)101311.410 (cm)nnnpppLDLDpn 结反向饱和电流密度0001944112191047721.6 1013 2.25 1011.4 104.105 10 (A/cm )221.6 101.5 100.6035 102 107.24 10 (A/cm )nppnpnsnppigenqD

9、 nqD pqD pJLLLVqnWJ反偏下的产生电流精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页多练出技巧巧思出硕果6突变 pn 结杂质浓度分别为NA，ND，假定临界击穿电场CE 为常数，根据电场分布曲线推导击穿电压表达式。(20%) 根据突变 pn 结电场分布曲线，如下图如图，设 pn 结外加反向电压为 V，则0001 (1)2,1 (2)2,2(12biCBbiCBBbiCVVE WEEVVE WVVVE当等于临界击穿电场时 外加电压为击穿电压即将耗尽区宽度公式代入即20) (3)(3),12biDADABbiBCVqN

10、N NNNNVVVEqN其中式两边平方 且通常有得到7(10%)参考下图，用电荷控制法推导pn 结理想电流 -电压方程。根据连续性方程的解，已知 p 区和 n 区的非平衡载流子分布为00,( )exp() 1 exp(),( )exp()1 exp()nnpppnnxxqVxp xpkTLpxxqVxn xnkTL区 以为坐标原点 向右为 的正方向区 以-为坐标原点 向左为 的正方向精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页多练出技巧巧思出硕果对于 n 区，以 xn为坐标原点，则0000000001exp1exp()exp1exp() |exp1,exp11exp1exp()expppnppppnpppnpPPnppnnpnnnnpnQqVxJqpdxkTLqLqVxpkTLqLqVpkTDqD pqVJLkTQqVxJqndxkTLqLqVnk上下同乘以得到同理可推导00001exp() |exp1exp()1nnpnnpPnpnpnxTLqD nqVLkTpnqD nqD pqVJJJLLkT结总电流密度精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页