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【作业】第五周 PN结的势垒电容、PN结的扩散电容、PN结的开关特性 【单元作业】半导体器件基本方程及PN结的基本知识
1、 问题:简要叙述PN结空间电荷区的形成过程。
评分规则: 【 P区与N区接触后，由于存在浓度差的原因，结面附近的空穴将从浓度高的P区向浓度低的N区扩散，在P区留下不易扩散的带负电的电离受主杂质，结果使得在结面的P区一侧出现负的空间电荷；同样地，结面附近的电子从浓度高的N区向浓度低的P区扩散，在N区留下带正电的电离施主杂质，使结面的N区一侧出现正的空间电荷。由此产生的空穴与电子的扩散电流的方向，都是从P区指向N区。
扩散运动造成了结面两侧一正一负的空间电荷区，从而产生内建电场，方向为从带正电荷的N区指向带负电荷的P区。这个电场使空穴与电子发生漂移运动，空穴向P区漂移，电子向N区漂移，由此产生的空穴与电子的漂移电流的方向，都是从N区指向P区，与扩散电流的方向相反。
随着扩散的进行，空间电荷区逐渐变宽，内建电场逐渐增强，空穴与电子的漂移运动也逐渐增强，最终使漂移电流与扩散电流相等，流过PN结的净电流为零，达到平衡状态，形成稳定的空间电荷区。
】
2、 问题:什么叫耗尽近似？什么叫中性近似？
评分规则: 【 “耗尽近似”认为电离杂质构成空间电荷区内电荷的唯一来源。
“中性近似”认为耗尽区以外区域中的多子浓度仍等于电离杂质浓度，因此这部分区域保持了完全的电中性。
】
3、 问题:什么叫突变结？什么叫单边突变结？什么叫线性缓变结？画出突变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。
评分规则: 【 突变结：P型区与N型区的掺杂浓度NA与ND都是均匀分布的，杂质浓度在结面处（x = 0）发生阶跃式的突变。
单边突变结：突变结中某一侧的掺杂浓度远大于另一侧的掺杂浓度。
线性缓变结：冶金结附近的杂质浓度是随距离作线性变化的。
突变结的杂质浓度分布图：
突变结的内建电场分布图：
突变结外加正向电压少子分布图：
突变结外加反向电压少子分布图：
】
4、 问题:PN结势垒区的宽度与哪些因素有关？
评分规则: 【 在制备材料与使用温度确定后，主要与冶金结两边的掺杂浓度有关
】
5、 问题:写出PN结反向饱和电流
的表达式，并对影响的各种因素进行讨论。
评分规则: 【 
半导体材料的种类。半导体材料的禁带宽度越大，则
越小，反向饱和电流就越小。
掺杂浓度。掺杂浓度越高，平衡少子浓度
或
越小，
也就越小。
温度。对于同一种半导体材料和相同的掺杂浓度，温度越高，则越大，反向饱和电流就越大，所以具有正温系数。
】
评分规则: 【 以单边突变结P+N为例说明。扩散电流与复合电流的比值为：
由此可知，当温度一定时，正向电压越小，则比值
越小，总的正向电流中势垒区复合电流Jr的比例就越大；正向电压越大，比值越大，正向扩散电流
的比例就越大。】
7、 问题: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。
评分规则: 【 小注入条件是指注入某区边界附近的非平衡少子浓度远小于该区的平衡多子浓度，结定律为：
大注入条件是指注入某区边界附近的非平衡少子浓度远大于该区的平衡多子浓度，结定律为：
大注入时指数因子只有小注入的值的一半，即大注入时边界处的少子浓度随外加电压的增加要比小注入时的慢。
】
8、 问题: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？
评分规则: 【 采用近似计算方法，即认为：当势垒区中最大电场强度
小于某值
时，则势垒区内各点的
值都很小，雪崩击穿条件
不能满足。一旦势垒区中最大电场强度达到之值时，则在该处及其邻近的窄区域内剧烈增加，使雪崩击穿条件得以满足。称为雪崩击穿临界电场强度。
】
9、 问题:简要叙述PN结势垒电容和扩散电容的形成机理及特点。
评分规则: 【 势垒电容是势垒区中电离杂质电荷随外加电压的变化引起的，与直流偏压成幂函数关系，正偏反偏下均存在。
扩散电容是中性区中非平衡载流子电荷随外加电压的变化引起的，与直流电流成线性关系，与直流偏压成 指数关系，只存在于正偏情况下。
】
10、 问题: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？
评分规则: 【 直流特性：理想情况下，二极管上的正向压降
，正向电流
，而实际情况下，
，
。式中，
代表PN结的正向导通电压；理想情况下，二极管的反向电流
，而实际情况下，
，或
。
瞬态特性：理想情况，当电动势由
突然变为（
）后，电流并不是立刻成为（
），而实际情况则是当电动势由突然变为（）后，电流并不是立刻成为（），而是在一段时间
内，反向电流维持在（
），二极管仿佛仍然处于导通状态而并不关断。段时间结束后，反向电流的值才开始逐渐变小。再经过
时间，二极管的电流才恢复为正常情况下的（）。
引起PN结反向恢复过程的主要原因是PN结正向导通期间存储在中性区的非平衡少子电荷（ΔQ)导致了开关态转换的延迟。
】
【作业】第十周 电流放大系数与频率的关系、高频小信号电流电压方程与等效电路、功率增益和最高震荡频率 【单元作业】双极型晶体管
1、 问题:提高双极型晶体管的电流放大系数可以采取哪些措施？
评分规则: 【 减小基区宽度
减小基区掺杂浓度，增大发射区掺杂浓度
采用硅平面工艺引入加速内建电场
】
2、 问题:请详细分析缓变基区晶体管内建电场的形成过程，并分析在该内建电场的作用下载流子的运动情况。
评分规则: 【 室温下杂质全电离，因此多子空穴有与受主杂质近似相同的浓度分布。
空穴浓度的不均匀导致空穴从高浓度处向低浓度处扩散，而电离杂质却固定不动，于是在杂质浓度高的地方空穴浓度低于杂质浓度，带负电荷；在杂质浓度低的地方空穴浓度高于杂质浓度，带正电荷。空间电荷的分离就形成了内建电场。
内建电场将引起空穴的漂移运动。在平衡状态下，基区中空穴的扩散运动与漂移运动相互抵消，空穴电流密度为零，可解出基区内建电场 。
当dNB/dx < 0时，e < 0，这时电场方向与x轴相反。这个电场促使注入基区的少子（电子）向集电结漂移，与扩散运动的方向相同，因此对基区少子是加速场。反之，当dNB/dx > 0时，电场的作用与上述相反，就是减速场。
】
3、 问题:请简要分析基区宽度调变效应和减小该效应的方法。
评分规则: 【 当VCE增加时，集电结上的反向偏压增加，集电结势垒区宽度增宽。
势垒区的右侧向中性集电区扩展，左侧向中性基区扩展。这使得中性基区宽度WB减小，如图所示。
基区宽度的减小使基区少子浓度梯度增加，必然导致电流放大系数和集电极电流的增大。
减小基区宽度调变效应的措施是增大基区宽度WB 、减小势垒区宽度xdB ，即增大基区掺杂浓度。
】
4、 问题:请描述共射极接法的双极型晶体管的反向击穿特性，并解释具有这种特性的原因。
图1 ICEO的负阻特性图
图2 包括击穿特性的共发射极输出特性曲线
评分规则: 【 图1是表示ICEO随VCE变化的曲线。曲线中会出现一段负阻区，即在击穿发生后出现一段电流上升电压反而下降增量电阻为负值的区域，然后才维持一个相对恒定的电压。通常把电压的最高值称为BVCEO ，而把出现负阻区后维持恒定的那个较低的电压称为维持电压，记为VSUS 。出现负阻特性的原因，是小电流下电流放大系数α的下降。已知共发射极接法的雪崩击穿条件是M → 1/α。当基极开路时，集电极电流只有ICEO，这个电流是极小的。所以刚开始发生击穿时的α值很小，所对应的M值就较大，因此击穿电压较高。随着电流的增加，α上升到正常值，为维持击穿条件所需的M值随之下降到正常值，击穿电压也就下降到维持电压VSUS 。这就解释了击穿后出现电流上升电压下降的负值区的原因。
图2所示为包括击穿特性在内的晶体管共发射极输出特性曲线。图中与IB = 0对应的ICEO曲线具有负阻特性。对于IB > 0的其它曲线，因为集电极电流在击穿前已经达到正常值，所以没有负阻特性。
】
5、 问题:什么是双极型晶体管的高频优值？如何提高双极型晶体管的高频优值？
评分规则: 【 将功率增益与频率平方的乘积称为晶体管的高频优值，记为M，即
M值只取决于晶体管本身而与频率无关，它是综合衡量晶体管的功率放大能力和频率特性的一个重要参数。当工作频率提高时，功率增益就会下降；要增加功率增益，就只能降低频率。因此M又称为功率增益-带宽乘积。
如何提高双极型晶体管的高频优值：1）对 WB 的要求：一般情况下应减小 WB 。但当 WB 减小到 tb 不再是 tec 的主要部分时，再减小 WB 对继续减小tec 已作用不大，而对 rbb’ 的增大作用却不变。同时工艺上的难度也越来越大。
如何提高双极型晶体管的高频优值：2）对 NB 的要求：减小 rbb’ 与减小 teb 及增大 β 对 NB 有相矛盾的要求。可通过采用无源基区（非工作基区）重掺杂来缓解。这可降低 R□B3 ，从而减小 rbb’ 中的 rcon 与 rcb ，但不会影响 teb 与b。
如何提高双极型晶体管的高频优值：3）对 NC 的要求：减小 td 及 rcs 与减小 CTC 及提高 BVCBO 对 NC 有矛盾的要求。这可通过在重掺杂 N+ 衬底上生长一层轻掺杂 N- 外延层来缓解。外延层厚度与衬底厚度的典型值分别为 10 mm 与 200 mm 。
】
【作业】第十三周 MOSFET的小信号交流参数、短沟道效应、MOSFET的发展方向 【单元作业】绝缘栅型场效应晶体管
1、 问题:画出一个P沟道MOSFET的结构示意图。假设该器件为耗尽型器件，画出其转移特性曲线和输出特性曲线示意图。
评分规则: 【 
】
2、 问题:什么是MOSFET的有效沟道长度调制效应？如何抑制有效沟道长度调制效应？
评分规则: 【 当
时，在沟道漏端
处，
，
，沟道在此处被夹断。夹断点的电势为
，沟道上的压降也是 ，夹断点处栅极与沟道间的电势差为
。当
后，沟道中各点的电势均上升，使
及
的位置向左移动，即夹断点向左移动。这使得沟道的有效长度缩短。沟道有效长度随
的增大而缩短的现象称为有效沟道长度调制效应，它使漏极电流随的增大而略有增加。
抑制有效沟道效应的主要措施：增加沟道长度，提高衬底掺杂浓度。
】
3、 问题:对于N沟道MOSFET，在
并且保持固定的条件下，当
从小于阈电压
开始逐渐增大到大于
，则MOSFET依次经过哪几种工作状态？在各种工作状态下，漏极电流分别随
的增加而作怎样的变化？
评分规则: 【 当
时，MOSFET处于亚阈区，漏极电流随的增加而指数式增加
当
时，MOSFET处于饱和区，漏极电流随的增加而平方式增加
当
时，MOSFET处于非饱和区，漏极电流随的增加而线性增加
】
4、 问题:某铝栅P沟道MOSFET的衬底和源极短接，其参数如下：Tox=10nm，衬底掺杂浓度为
，氧化层电荷面密度为
，金属栅和衬底的功函数差为-0.3V，空穴迁移率为
，电子迁移率为
（1）该MOSFET的衬底费米势为多少？（2）该MOSFET的单位面积氧化层电容是多少？（3）写出该MOSFET的阈值电压公式，并计算阈值电压？
评分规则: 【 （1）
（2）
（3）
】
5、 问题:某N沟道增强型MOSFET，其源和衬底接地，栅极和漏极始终短接。当栅极电压为3V时，测得漏源电流IDS为1mA；当栅极电压为4V时，测得漏源电流IDS为9mA。（1）试计算该器件的VT 和β。（2）当栅极电压为5V时，器件的跨导为多少？
评分规则: 【 （1）源和衬底接地，不用考虑衬底偏置效应。栅极和漏极始终短接，器件始终工作在饱和区。由：
代入数据：
得：
（2）饱和区的跨导：
】
6、 问题:按恒场等比例缩小法则，当MOSFET的沟道长度缩小为原来的四分之一，请分析其则其沟道宽度、栅氧化层厚度、衬底掺杂浓度和电源电压应该怎样变化？此时MOSFET的阈值电压、总电容以及跨导将发生怎样的变化？
评分规则: 【 沟道宽度缩小为原来的四分之一、栅氧化层厚度缩小为原来的四分之一、衬底掺杂浓度增加为原来的4倍，电源电压缩小为原来的四分之一。
此时MOSFET的阈值电压减小为原来的四分之一、总电容缩小为缩小为原来的四分之一，跨导不变。
】