半导体器件物理习题集new

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1、第二章一、分别采用费米能级和载流子扩散与漂移的观点分析结空间电荷区的形成。答：假设在形成结之前N型和P型材料在实体上是分离的。在N型材料中费米能级靠近导带边缘，在P型材料中费米能级靠近价带边缘，当P型材料和N型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等，否则，就要流过电流。恒定费米能级的条件是由电子从N型一边转移至P型一边，空穴则沿相反方向转移实现的。电子和空穴的+−转移在N型和P型各边分别留下未被补偿的施主离子和受主离子N和N。结果建da立了两个电荷层即空间电荷区。另一方面，也可以通过考虑载流子的扩散和漂移得到这种电荷分布。当把N型和P型材料放在一起时，由于

2、在P型材料中有多得多的空穴，它们将向N型一边扩散。与此同时，在N型一边的电子将沿着相反的方向扩散，即由N型区向P型区扩散。由电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和受主离子建立了一个电场。这一电场是沿着抵消载流子扩散趋势的方向在热平衡时，载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动+相平衡，电子和空穴的扩散与漂移在N型和P型各边分别留下未被补偿的施主离子Nd−和受主离子N。结果建立了两个电荷层即空间电荷区。a二、PN结有哪些主要的击穿机制，并简述其击穿机理。答：齐纳击穿：齐纳提出在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴，即有些价电子通过量子力学的隧道效应从价带转移到导带，

3、从而形成反向隧道电流。齐纳击穿发生在低电压情况下，比如硅PN结低于4伏特情况下发生的击穿。雪崩击穿：在高电压形成的高电强作用下，加速后的电子、空穴会与其它电子空穴碰撞电离，从而不断产生更多的电子空穴对。对于高电压击穿的结，例如，在硅中大于6V的击穿，雪崩机制是产生击穿的原因。三、利用中性区电中性条件导出PN结空间电荷区内建电势差公式。四、简述隧道二极管的产生条件及其特点。答：产生隧道电流的条件：（1）费米能级位于导带或价带的内部；（2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；（3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。当结的两边

4、均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（1）、（2）条件满足。外加偏压可使条件（3）满足。隧道二极管的特点：（1）隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过结的多数载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪声。（2）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子的影响小，使隧道二级管的工作温度范围大。（3）由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子渡越时间的限制，因此可以在极高频率下工作。这种优越的性能，使隧道二级管能够应用于振荡器，双稳态触发器和单稳多谐振荡器，高速逻辑电路以及低噪音微波放大器。五、推导单边突变PN结（Na

5、>>Nd）空间电荷区耗尽层宽度表达式。解：在N侧和P侧的泊松方程分别为2dψqNd=−,0≤x≤xdx2kεn（1）02dψqNa（2）=,−x≤x≤02pdxkε0空间电荷的电中性要求Nx=Nxapdn耗尽层宽度W=xp+xn若令Na>>Nd,则xn>>xp,W≈xn对(1)式积分一次，得dψqNdψd（3）=−(x−x),边界条件：=0nx=xndxkεdx0dψ因为E=−,（3）式可改写为dxxE=E1(−)mxnqNxdn式中E=−mkε0利用边界条件ψ(xn)=0，对(3)再积分可推导出电势2qNdxnx2ψ=−1(−)2kεx0n则内建电势差2qNxd

6、nψ=ψ(x)−ψ(−x)≈ψ(x)−ψ)0(=0npn2kε02kε0ψ02/1耗尽层宽度W=xn=()qNd六、画出理想PN结正（反）向偏压情况下少数载流子分布和少数载流子电流分布，并写出空间电荷区边缘少数载流子浓度大小。答：正偏载流子浓度少数载流子电流P型N型pnnppn0InIpn0空间电荷层p−xp0xnx−xp0xnx（a）少数载流子分布（b）少数载流子电流VVTn=neVVT空间电荷区边缘少数载流子浓度：pn=pn0e，pp0答：反偏载流子浓度少数载流子电流P型N型空间电荷层pn0np0pnInppInx′x′−xp0xnxx−xp0xn（a）少数载

7、流子分布（b）少数载流子电流空间电荷区边缘的少数载流子浓度均为0。15−319−3七、硅突变结二极管的掺杂浓度为：Nd=10cm，Na=10cm，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。10−3−12−19（n=5.1×10cm,k=11,8.ε=.885×10F/m,q=6.1×10C）i0解：对于单边突变节，且N>>N时，有ad1915NdNa10×10自建电势：ψ=Vln=.0026×ln=.082V0T220n.225×10i/12/12−14耗尽层宽度：⎛2kε0ψ0⎞⎛2×118.×.885×10×.082⎞−4cmW

8、=x=⎜⎟