微电子习题1-2章

第一章

半导体物理基础

第二章 PN结

填空题

1、若某突变PN结的P型区的掺杂浓度为NA=1.5×1016cm-3，则室温下该区的平衡多子浓度pp0与平衡少子浓度np0分别为（ ）和（ ）。

2、在PN结的空间电荷区中，P区一侧带（ ）电荷，N区一侧带（ ）电荷。内建电场的方向是从（ ）区指向（ ）区。 3、当采用耗尽近似时，N型耗尽区中的泊松方程为（ ）。由此方程可以看出，掺杂浓度越高，则内建电场的斜率越（ ）。

4、PN结的掺杂浓度越高，则势垒区的长度就越（ ），内建电场的最大值就越（ ），内建电势Vbi就越（ ），反向饱和电流I0就越（ ），势垒电容CT就越（ ），雪崩击穿电压就越（ ）。

5、硅突变结内建电势Vbi可表为（ ），在室温下的典型值为（ ）伏特。 6、当对PN结外加正向电压时，其势垒区宽度会（ ），势垒区的势垒高度会（ ）。 7、当对PN结外加反向电压时，其势垒区宽度会（ ），势垒区的势垒高度会（ ）。

8、在P型中性区与耗尽区的边界上，少子浓度np与外加电压V之间的关系可表示为（ ）。若P型区的掺杂浓度NA=1.5×1017cm-3，外加电压V= 0.52V，则P型区与耗尽区边界上的少子浓度np为（ ）。

9、当对PN结外加正向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（ ）；当对PN结外加反向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（ ）。

10、PN结的正向电流由（ ）电流、（ ）电流和（ ）电流三部分所组成。

11、PN结的正向电流很大，是因为正向电流的电荷来源是（ ）；PN结的反向电流很小，是因为反向电流的电荷来源是（ ）。

12、当对PN结外加正向电压时，由N区注入P区的非平衡电子一边向前扩散，一边（ ）。每经过一个扩散长度的距离，非平衡电子浓度降到原来的（ ）。

13、PN结扩散电流的表达式为（ ）。这个表达式在正向电压下可简化为（ ），在反向电压下可简化为（ ）。

14、在PN结的正向电流中，当电压较低时，以（ ）电流为主；当电压较高时，以（ ）电流为主。

15、薄基区二极管是指PN结的某一个或两个中性区的长度小于（ ）。在薄基区二极管中，少子浓度的分布近似为（ ）。

16、小注入条件是指注入某区边界附近的（ ）浓度远小于该区的（ ）浓度，因此该区总的多子浓度中的（ ）多子浓度可以忽略。

17、大注入条件是指注入某区边界附近的（ ）浓度远大于该区的（ ）浓度，因此该区总的多子浓度中的（ ）多子浓度可以忽略。 18、势垒电容反映的是PN结的（ ）电荷随外加电压的变化率。PN结的掺杂浓度越高，则势垒电容就越（ ）；外加反向电压越高，则势垒电容就越（ ）。

19、扩散电容反映的是PN结的（ ）电荷随外加电压的变化率。正向电流越大，则扩散电容就越（ ）；少子寿命越长，则扩散电容就越（ ）。

20、在PN结开关管中，在外加电压从正向变为反向后的一段时间内，会出现一个较大的反向电流。引起这个电流的原因是存储在（ ）区中的（ ）电荷。这个电荷的消失途径有两条，即（ ）和（ ）。

21、从器件本身的角度，提高开关管的开关速度的主要措施是（ ）和（ ）。 22、PN结的击穿有三种机理，它们分别是（ ）、（ ）和（ ）。

23、PN结的掺杂浓度越高，雪崩击穿电压就越（ ）；结深越浅，雪崩击穿电压就越（ ）。 24、雪崩击穿和齐纳击穿的条件分别是（ ）和（ ）。 问答与计算题

1、简要叙述PN结空间电荷区的形成过程。 2、什么叫耗尽近似？什么叫中性近似？

3、什么叫突变结？什么叫单边突变结？什么叫线性缓变结？分别画出上述各种PN结的杂质浓度分布图、内建电场分布图和外加正向电压及反向电压时的少子浓度分布图。 4、PN结势垒区的宽度与哪些因素有关？

5、写出PN结反向饱和电流I0的表达式，并对影响I0的各种因素进行讨论。

6、PN结的正向电流由正向扩散电流和势垒区复合电流组成。试分别说明这两种电流随外加正向电压的增加而变化的规律。当正向电压较小时以什么电流为主？当正向电压较大时以什么电流为主？

7、什么是小注入条件？什么是大注入条件？写出小注入条件和大注入条件下的结定律，并讨论两种情况下中性区边界上载流子浓度随外加电压的变化规律。

8、在工程实际中，一般采用什么方法来计算PN结的雪崩击穿电压？

9、简要叙述PN结势垒电容和扩散电容的形成机理及特点。

10、当把PN结作为开关使用时，在直流特性和瞬态特性这两方面，PN结与理想开关相比有哪些差距？引起PN结反向恢复过程的主要原因是什么？

11、某突变PN结的ND=1.5×10cm, NA=1.5×10cm，试问Jdp是Jdn的多少倍？

12、已知某PN结的反向饱和电流为Io =10 A，试分别求当外加0.5V正向电压和（-0.5V）反向电压时的PN结扩散电流。 13、某硅单边突变结的雪崩击穿临界电场 EC=3.5×10Vcm，开始发生雪崩击穿时的耗尽区宽度xdB= 8.57μm，求该PN结的雪崩击穿电压VB。若对该PN结外加|V|=0.25VB的反向电压，则其耗尽区宽度为多少？

14、某突变结的内建电势Vbi = 0.7V，当外加电压V = 0.3V时的势垒电容与扩散电容分别是2pF和2×10pF，试求当外加电压V = 0.6V时的势垒电容与扩散电容分别是多少？

15、某硅突变结的nA = 1× 1016cm-3，nD = 5× 1016cm-3，试计算平衡状态下的 (1) 内建电势Vbi ；

(2) P区耗尽区宽度xp 、N区耗尽区宽度xn及总的耗尽区宽度xD ； (3) 最大电场强度ε

max

-4

5

-1

-12

15

-3

18

-3

。

16、某单边突变结在平衡状态时的势垒区宽度为xD0 ，试求外加反向电压应为内建电势Vbi的多少倍时，才能使势垒区宽度分别达到2xd0和3xd0 。

17、一块同一导电类型的半导体，当掺杂浓度不均匀时，也会存在内建电场和内建电势。设一块N型硅的两个相邻区域的施主杂质浓度分别为nD1和nD2 ，试推导出这两个区域之间的内建电势公式。如果nD1 = 1× 1020cm-3，

nD2 = 1× 1016cm-3，则室温下内建电势为多少？

18、试推导出杂质浓度为指数分布N = N0exp(-x/l)的中性区的内建电场表达式。若某具有这种杂质浓度分布的硅的表面杂质浓度为 1018cm-3，λ = 0.4μm，试求其内建电场的大小。再将此电场与某突变PN结的耗尽区中最大电场作比较，该突变PN结的nA = 1018cm-3，nD = 1015cm-3。

19、试证明在一个P区电导率σp远大于N区电导率σn的PN结中，当外加正向电压时空穴电流远大于电子电流。 20、某P+N-N+ 结的雪崩击穿临界电场εc为32V/μm，当N- 区的长度足够长时，击穿电压VB为144V。试求当N- 区的长度缩短为3μm时的击穿电压为多少？

21、已知某硅单边突变结的内建电势为0.6V，当外加反向电压为3.0V时测得势垒电容为10pF，试计算当外加0.2V正向电压时的势垒电容。

22、某PN结当正向电流为10mA时，室温下的小信号电导与小信号电阻各为多少？当温度为 100°C时它们的值又为多少？ 23、某单边突变PN结的N区杂质浓度nD = 10cm，N区少子扩散长度Lp = 10μm，结面积A = 0.01cm，外加0.6V的正向电压。试计算当N区厚度分别为100μm和3μm时存储在N区中的非平衡少子的数目。

+

16

-3

2

名词 术语 概念 问题

PN结：两种物质形成原子或分子级接触称为结或接触。由N型和P型半导体形成的结叫做PN结。

同质结：由同种半导体材料形成的结叫做同质结 异质结：由不同种半导体材料形成的结叫做异质结 高低结：由同种导电类型的半导体材料形成的结叫做高低结，比如P+-P结，N+-N结。

金属-半导体结：由金属和半导体形成的结叫做金属-半导体结，常称为金属-半导体接触。 突变结： P型区和N型区之间的杂质分布变化陡峭. 线性缓变结: P型区和N型区之间的杂质分布变化比较缓慢,可看做是线性变化的. 单边突变结：PN结一侧的掺杂浓度比另一侧的高得多，表示为 或

中性区:中性指的是电中性,PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区)的电阻与空间电荷区的电阻相比可以忽略,加偏压时它们承受的电压降可以忽略故称为中性区

耗尽区与耗尽近似: 空间电荷区里自由载流子浓度与电离杂质浓度相比可以忽略,可以说自由载流子被耗尽了,因此把空间电荷区叫做耗尽区.这种近似叫做耗尽近似

势垒区: 空间电荷区两侧存在内建电势差相应电势能差称为势垒.由于空间电荷区两側存在电子和空穴的势垒因此也把空间电荷区叫做势垒区. 势垒区和空间电荷区、耗尽区指的是同一件事。 少子扩散区 ：空间电荷区两侧中性区里一到几个扩散长度的区域内注入少子以扩散方式运动，这个区域称为少子扩散区，简称为扩散区。

扩散近似：在PN结中性区由于有注入的过量少数载流子存在，建立起一瞬间电场。此电场吸引过量多子以中和注入的过量少数载流子，使电中性得以恢复。结果是，在少子注入区，可能有很高的过量载流子浓度而无显著的空间电荷效应。于是可以认为在中性区过量载流子将以扩散方式运动，这种近似称为扩散近似。 正向注入：正偏压使PN结N区多子电子从N区向P区扩散，使P区多子空穴从P区向N区扩散（这些载流子在进入对方区域之后成为对方区域中的少子）这种现象称为少子的正向注入。 反向抽取：反偏PN结空间电荷区电场将N区少子空穴从N区向P区漂移，将P区少子电子从P区向N区漂移，这种现象称为载流子的反向抽取。

正偏复合电流：正偏压使得空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致 ? 。这些过量载流子穿越空间电荷层，使得载流子浓度可能超过平衡值，预料在空间电荷层中会有载流子复合发生，相应的电流称为复合电流

反偏产生电流在 结反向偏压的情况下，空间电荷区中 ? 。于是会载流子的产生，相应的电流即为空间电荷区产生电流。

过渡电容(耗尽层电容)：PN 结空间电荷会随着外加偏压的变化而变化，相应的电容叫做过渡电容也叫做耗尽层电容。表示为：

C?dQdVR?pI2VT其中 Q?qANdW?A2qK?0??0?VR?Nd扩散电容：PN 结扩散区内的贮存电荷量会随着外加偏压的变化而变化，相应的电容叫做扩散电容。表示为：

CD?? 电荷贮存效应 ：PN结由正偏変为反偏，注入的非平衡载流子并不能立即去除。这种现象称为电荷贮存效应。

? 隧道击穿：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移到导带，

从而形成反向隧道电流。这种机制称为齐纳击穿，也叫做隧道击穿。

? 雪崩击穿：在N区（P区）的一个杂散空穴（电子）进入空间电荷层，在它掠向P区（N区）的过程中，它从电场获得动

能。空穴（电子）带着高能和晶格碰撞，并从晶格中电离出一个电子以产生一个电子?空穴对。在第一次碰撞之后，原始的和产生的载流子将继续它们的行程，并且可能发生更多的碰撞，产生更多的载流子。结果，载流子的增加是一个倍增过程，称为雪崩倍增或碰撞电离，由此造成的PN结击穿叫做雪崩击穿。

? 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：

? 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 和 。结果建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和受主离子 和 。结果建立了两个电荷层即空间电荷区。 ? 根据载流子扩散与漂移的观点分析 结的单向导电性：

? 正偏压V使空间电荷区内建电势差由 下降到 －V打破了PN结的热平衡，使载流子的扩散运动占优势即造成少子的正

向注入且电流很大。反偏压使空间电荷区内建电势差由 上升到 ＋VR同样打破了PN结的热平衡，使载流子的漂移运动占优势这种漂移是N区少子空穴向P区和P区少子电子向N区的漂移，因此电流是反向的。由于少子数量很小因此电流很小且呈饱和状态。

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