第一章半导体器件理论基础

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1、第1章半导体器件理论基础【习题答案】1.如何理解本征半导体和掺杂半导体材料的导电机理。答：本征半导体就是一块没有杂质和缺陷的半导体，其晶格结构是完美的，在其内部除了硅原子外没有其它任何原子，因此是纯净的。在绝对零度附近，本征半导体的共价键是完整的、饱和的，无本征激发，自然没有电子和空穴；当温度升高时，本征激发过程产生了电子和空穴，这些本征载流子的浓度虽然很低，但仍然可以导电。在杂质半导体材料中，由于掺入杂质的数量远大于硅的本征载流子浓度，因此这些半导体材料的导电性不是由本征激发产生的载流子决定，而是受控于材料中所掺入的杂质(包括杂质的数量和类

2、型)。在半导体中可以掺入各种各样的杂质，但为了更好的控制半导体材料的导电性，通常掺入元素周期表中的III、V族元素。杂质半导体的导电能力通常髙于本征半导体。2.如何理解空穴的导电机理。答：空穴的导电作用如下图所示。在下图屮，位置(1)有一个空穴，它附近的价键上的电子就可以过來填补这个空位，例如从位置(2)跑一个价键电子到位置(1)去，但在位置(2)却留下了一个空位，相当于空穴从位置仃)移动到位置(2)去了。同样，如果从位置(3)又跑一个电子到位置(2)去，空穴就又从位置(2)跑到位置(3),……。如果用虚线箭头代表空穴移动的方向，实线箭头代表

3、价键电子移动的方向，就可以看出，空穴的移动可以等效于价键电子在相反方向的移动。图空穴的导电作用3.简述PN结的结构与导电特性。答：在一块半导体材料中，如果一部分是N型区，另一部分是P型区，那么在N型区和P型区的交界面处就形成了PN结(简称为结)。当P型区和N型区相接触时，一些空穴就从P型区扩散到N型区中。同样，一些电子也从N型屮扩散到P型区屮。扩散的结果是在N型区和P型区的交界面处的两侧形成了带正、负电荷的区域，称为空间电荷区。在空间电荷区内由于存在正负离子将形成电场，这个电场称为自建电场，电场的方向从N型区指向P型区。自建场的存在会推动带正

4、电的空穴沿电场方向作漂移运动，即由N区向P区运动推动，同时会推动带负电的电子沿电场的相反方向作漂移运动，即由P区向N区运动。由于PN结内存在自建电场，因此PN结的电压电流特性与外加电压的方向有关。在P区加正电压，而在N区加负电压，称为正向偏置(或正向偏压)；在P区加负电压，而在N区加正电压，则称为反向偏置(或反向偏压)。PN结的正向偏置与反向偏置的电压电流特性是不同的。综合PN的正向偏置和反向偏置，PN的电压电流特性如下图所示。图PN结的电压电流特性通过分析PN结的正向偏置和反向偏置可知，PN结具有单向导电性，即正向导通反向截止。这是它最基本

5、的性质之一。1.PN结电容主要包括（势垒电容）和（扩散电容）两部分。2.简述MOS场效应晶体管的结构。答：按照导电类型的不同，MOS管可分为NMOS管和PMOS管，二者的剖面结构如下图所示。GGp-substraten-substrate（a）NMOS（b）PMOS图MOS管的结构NMOS管制作在P型硅衬底（p-substrate）±（或P阱中），有两个重掺杂的2区，分别称为源区（S,source）和漏区（D,drain）,源区和漏区的物理结构是相同的，二者的区别在于电位不同。在源和漏之间p型硅上有二氧化硅薄层，该二氧化硅薄层起到绝缘的作用，

6、称为栅氧化层。在二氧化硅上有一导电层，称为栅极（G,gatc）o源区和漏区之间的区域称为导电沟道（简称沟道）。PMOS管制作在N型硅衬底（n-substrate）上（或N阱中），有两个重掺杂的P*区，同样分别称为源区（S,source）和漏区（D,drain）,源区和漏区也是靠电位來区别的。在PMOS管的源漏之问加偏压后，将电位高的一端称为源，而电位低的一端称为漏，空穴rti源区经过沟道流向漏区，而电流方向也是由源区流向漏区。综合NMOS与PMOS管可知，源区和漏区的定义为：载流子从源区流出，流入漏区。在上图屮，PMOS管和NMOS管还分别存

7、在一个重掺杂的N*区和甘区，这两个区分别称为PMOS管和NMOS管的体区或衬底（B,bulkorbody）,其作用为控制MOS管的衬底电位。通过上图可知，MOS管为四端器件，存在源极（S）、漏极（D）、栅极（G）和衬底（B）共四个电极。3.MOS场效应晶体管可分为（增强型NMOS）、（增强型PMOS）、（耗尽型NMOS）和（耗尽型PMOS）共四类。4.简述MOS场效应晶体管的电流电压特性。答:MOS管的电流电压特性指的是在不同的栅源电压Vgs条件下MOS管的源漏电流Ids和源漏电压Vds之间的关系。根据不同的栅源电压和不同的源漏电压，MOS管

8、的工作区域可分为：截止区、线性区、饱和区。以NMOS为例，MOS管在不同工作区域下的电流电压公式为：Ids=°iy1Ids=^COX-[(GS-Vm)VDS--V