2013考试题A卷-Answer

第1页共10页贵州大学2012-2013学年第二学期考试试卷科目名：微电子器件物理参考答案一、能带图(29分)1.画出硅pn结零偏、正偏和反偏条件下的能带图，标出有关能量。(9分)图1(a)pn结平衡态能带图图1(b)pn结正偏能带图第2页共10页图1(c)pn结反偏能带图2.画出金属-SiO2-Si组成的MOS结构平衡态的能带图，说明半导体表面状态。金属的电子亲和势=4.2eV，Si的电子亲和势=4.05eV，Si的杂质浓度NA=1017cm3。假定栅极-氧化层-衬底无界面态，氧化层为理想的绝缘层。(6分)17AiF10i10()lnln4.07(eV)1.510NqEEKTKTn图2金属-SiO2-SiMOS结构平衡态的能带图半导体表面处于耗尽或反型状态。3.重掺杂的n+多晶硅栅极-二氧化硅-n型半导体衬底形成的MOS结构，假定氧化层电荷为零。画出MOS结构在平衡态的能带图，说明半导体表面状态。（6第3页共10页分）图3n+多晶硅栅极-二氧化硅-n型半导体MOS结构能带图半导体表面处于积累状态。4.画出N型Ga0.7Al0.3As(Eg=1.8eV,=3.74eV,EC–EF=0.10eV)、P型GaAs(Eg=1.43eV,=4.00eV,EF–EV=0.60eV)、P型Ga0.7Al0.3As(Eg=1.80eV,=3.74eV,EF–EV=0.10eV)形成的双异质结平衡态及正偏状态下(p型GaAlAs接电池正极)的能带图，标出有关数据(8分)图4(a)接触前能带图第4页共10页图4(b)平衡态能带图图4(c)正偏能带图5.画出金属-n型硅半导体理想接触平衡态及偏置条件下的能带图。金属的功函数qm=3.9eV，Si的电子亲和势q=4.05eV。(5分)第5页共10页(c)偏置后能带图图5金属-n-Si接触能带图二、器件工作机理和概念(36分)1.简述突变空间电荷区近似（耗尽近似）的概念。(5分)耗尽区无自由电荷，只有电离施主或受主电荷；耗尽区电阻无穷大，耗尽区外电阻近似为零；耗尽区与中性区界面突变。2.画出npn晶体管正向有源状态下的非平衡少数载流子分布示意图，标出各电流分量，并定义晶体管的发射结注入效率和基区输运系数T。(8分)nCnEnETEnEpEnEJJJJJJJ图5BJT载流子浓度分布示意图及主要电流分量第6页共10页3.导致MOSFET饱和区输出特性曲线ID(VDS)上翘原因有哪些？简述其机理。（6分）沟道长度调制效应(CLM)；漏极电场的诱生势垒降低效应(DIBL)；漏耗尽区的电离倍增效应(SCBE);漏极电场对于沟道的静电反馈作用。4.根据pn结反偏或正偏条件下的能带图，导出pn结耗尽区及其边界处载流子浓乘积表达式，画出pn结反偏和正偏条件下的载流子浓度分布示意图。(6分)图6平衡态及正偏pn结能带图平衡态载流子浓度用费米能级表示[()]/0[()]/0..FiiFEExkTiExEkTinnepne非平衡态空间电荷区及边界附近，载流子浓度由准费米能级表示[()]/[()]/..FniiFpEExkTiExEkTinnepne在耗尽区直至耗尽区边界处()/2/2..FnFpEEkTiqVkTinpnenpne由此可导出耗尽边界处载流子浓度。求解连续性方程，得到载流子分布为指第7页共10页数分布，如图7。图7pn结载流子浓度分布示意图5.画出双极型晶体管交流Ebers-Moll模型等效电路。(6分)交流Ebers-Moll模型等效电路在直流模型的基础上增加pn结耗尽层电容和扩散电容。图8双极型晶体管交流Ebers-Moll模型等效电路第8页共10页6.简述双极型晶体管开关过程中的存储过程(存储时间)及其成因。(5分)当双极型晶体管BE极电压由高电平跳变到低电平时，集电极电流并不立即跳变到截止状态（截止状态只有很小的C、E间反向漏电流），而是继续维持正向大电流，然后开始下降，最后进入截止状态。晶体管的存储过程对应于晶体管维持正向大电流直至开始下降的过程。从输入负跳时刻起到到输出大电流开始下降经历的时间，称为存储时间，如图9(a)。如图9(b)，BJT饱和导通，BE、BC结均正偏，在基区和集电区出现超量存储电荷(主要是集电区的存储的空穴电荷)。存储过程就是超量存储电荷的因反抽和复合而消散的过程。图9BJT的开关响应波形及超量存储电荷三、计算（共35分）(T=300K，真空介电常数:8.851014F/cm,第9页共10页Si的相对介电常数:11.7,SiO2的相对介电常数:3.9)1.分别计算300K下GaAs和Ge两种pn结的接触电势差Vbi。pn结的参数是：ND=1017cm3,NA=1016cm3.(GaAs:ni=2106cm3;Ge:ni=2.41013cm3).(6分)DAbi2i1716bi621716bi132ln1010(GaAs)0.0259ln1.22(V)(210)1010(Ge)0.0259ln0.37(V)(2.410)NNkTVqnVV2.硅突变pn结两边杂质浓度相等，要使pn结的击穿电压大于等于200伏，计算pn结的杂质浓度，同时计算p区和n区的最小厚度。(硅pn结的临界击穿电场可近似为Ecrit=4105V/cm，)(12分)Bbicrit22220BbiBbicritcrit20Bbicrit20Bcrit142100crit19B15122()11()441212111.78.85100.5161021.61020011.78.8516100.51VVWEVVVVWEEqNVVEqNVEqNNEqV即153153DA.62002.610(cm)25.210(cm)NNN要保证达到200V的击穿电压，n区和p区厚度都必须大于击穿电压下的耗尽区厚度。n区和p区耗尽区总厚度为1/20biB1/214191542()211.78.85102001.6102.6109.9810(cm)VVWqN第10页共10页显然，n区和p区厚度都必须大于等于5微米。3.硅n沟道MOSFET，n+多晶硅栅极，NA=1017cm3,tox=5nm,Qox=31010cm2。计算阈值电压。若将阈值电压调整到0.5V，计算注入杂质的面密度和类型。(17分)17Afp10i10ln0.0259ln0.407(V)1.510NkTqn氧化层电容1472ox7ox3.98.85106.910(F/cm)510oxCt衬底最大耗尽层厚度14s1/21/25dmax1917A2(2)211.78.85100.814[][]1.0310(cm)1.61010fpxqN衬底耗尽层电荷1917572dAdmax1.610101.03101.64810(C/cm)QqNx氧化层等效电荷191092ox1.6103104.810(C/cm)Q近似认为，对于n+多晶硅栅极，费米能级FE与导带底能级CE重合，则n+多晶硅栅极与衬底功函数差为gmsfp()(0.560.407)0.967(V)2E阈值电压doxTpmsoxox772(1.6480.048)100.8140.9676.9100.8140.9670.2320.082(V)fQQVCC将阈值电压调整到0.5V，需要增大耗尽层电离受主电荷密度，应注入p型杂质。设注入耗尽区的受主杂质密度为DI,则ITox7122ToxI190.50.0820.4180.4186.9101.810(cm)1.610qDVCVCDq