115 年 國立中央大學電機工程學系碩士班乙:固態組《半導體元件》
第 Q1 題6 分
For germanium (Ge), the effective density of states at 300 K ( eV) is cm, cm. The bandgap energies are eV, eV. At 77 K, the measured electron concentration is cm. Assume negligible acceptor concentration and a donor energy level is eV. Which answer of at 77 K ( eV) is more reasonable?
(#hint: , , . You may determine from , then compute , )
(A) cm
(B) cm
(C) cm
(D) cm
(E) cm
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本題考查在特定溫度下,由測得的電子濃度反推材料的摻雜濃度。關鍵在於理解電子濃度與費米能階的關係,以及費米能階與施體能階的相對位置。
首先,我們需要計算 77 K 時的 。
由題目提供的提示可知:
。
接著,利用測得的電子濃度 cm,以及 ,來計算此時的費米能階相對於導帶底部的能量差 。
。
題目提示 eV,所以
第 Q2 題6 分
An n-type silicon sample has cm. At 400 K ( eV), the intrinsic carrier concentration is cm. Assuming complete ionization, calculate the electron concentration , hole concentration , and Fermi-level shift ?
(#hint: , ; , , )
(A) , , ;
(B) , , eV;
(C) , , eV;
(D) , , eV;
(E) , , eV;
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核心觀念
本題考查半導體熱平衡下的:
- 電荷中性條件
- 質量作用律
- 費米能階與本質費米能階的關係
對完全游離的 n 型矽,帶正電的離子化施體濃度為 ,因此電荷中性條件為
熱平衡時滿足質量作用律:
載子濃度與費米能階的關係為
因此
解題方法
由電荷中性條件,
代入質量作用律:
整理得
取物理上合理的正根:
題目給定
因此
利用 :
由電荷中性條件,
亦可由質量作用律驗算:
接著計算費米能階位移:
因為
所以
第 Q3 題6 分
A silicon sample at 300 K contains acceptors and donors with concentrations: cm, cm. The intrinsic carrier concentration is cm. Assume complete ionization and carrier mobilities cm/V.s, cm/V.s. Calculate the electrical resistivity of the sample? (#hint: )
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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本題要求計算給定雜質濃度和載子遷移率的半導體的電阻率。電阻率的計算需要先求出導電度 ,而導電度取決於自由載子濃度(電子濃度 和電洞濃度 )和載子遷移率。
首先,我們需要確定半導體的導電類型,並計算在 300 K 下的電子和電洞濃度。
由於 ,此半導體為 p 型。
在 p 型半導體中,總電洞濃度 和總電子濃度 可以由以下公式計算:
(因為 和 都遠大於 ,所以可以近似認為 )
。
利用質量作用定律 ,計算電子濃度 :
第 Q4 題6 分
An Au-doped silicon with concentration cm. Au introduces deep-level recombination centers. The hole/electron capture coefficients are: cm/s and cm/s, assuming low-level injection: Calculate the minority carrier lifetime in (i) n-type Si and (ii) p-type Si, respectively?
(A) s, s;
(B) s, s;
(C) s, s;
(D) s, s;
(E) s, s;
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本題考查在存在深能階缺陷(金摻雜的矽)的情況下,低位準注入時的少數載子壽命。少數載子壽命的計算與缺陷的濃度、捕獲係數以及多數載子濃度有關。
在低位準注入的條件下,少數載子壽命 可以近似表示為:
其中 是缺陷的濃度, 是相應載子的捕獲係數。
(i) n-type Si (矽為 n 型時,電洞是少數載子):
此時,少數載子是電洞,其壽命為 。
缺陷濃度 cm。
電洞的捕獲係數 cm/s。
s。
第 Q5 題6 分
Consider an ideal n-channel MOSFET operating in saturation with channel length of , electron mobility of cm/V.s, oxide capacitance of F/cm, threshold voltage of V. As gate-source voltage is given by V, what channel width is required to achieve a saturation current mA? (Assume long-channel behavior and neglect channel-length modulation). (#)
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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本題考查 MOSFET 在飽和區的電流公式,要求根據給定的電流、電壓和材料參數,計算所需的通道寬度。
對於 n-channel MOSFET,在飽和區的漏極電流 公式為:
我們已知:
mA A
cm/V.s
F/cm
cm
V
V
首先計算 :
V
V。提示中也給了這個值。
現在,我們將已知的值代入公式,解出通道寬度 :
整理公式以求解 :
第 Q6 題6 分
Consider a silicon pn junction at K with doping concentrations of cm and cm. When a reverse-biased voltage V is applied, calculate the Space Charge Width in the pn junction.
(#hint: eV, , , F / cm, )
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查反向偏壓下矽 接面的空間電荷區寬度(Space Charge Width,又稱耗盡層寬度):
其中內建電位為
題目給定 ,因此 。
解題方法
先計算內建電位。由題目提示:
所以
接著計算矽的介電常數:
反向偏壓下接面承受的總電位為
摻雜濃度項為
代入 :
由於 ,
第 Q7 題6 分
Assume that the intercept and the slope of the curve in Fig. 1 are and , respectively, for a silicon junction at . Determine the impurity doping concentration in the junction. ? (Hint: )
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
Figure 1. versus of a uniformly doped pn junction.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
圖中縱軸是 ,橫軸是反向偏壓 ;直線的斜率為 ,橫軸截距為 。接面為矽的 突變接面,因此空乏區主要延伸至輕摻雜的 側。
對單邊突變接面,單位面積接面電容 與反向偏壓的關係為
所以圖線斜率可用來求 。再由內建電位關係求出 :
解題方法
先由圖中斜率求 。採用矽的 、,以及 :
題目給定 。取矽在 時的 ,由內建電位式整理得
第 Q8 題11 分
What are the and ? (11%)(複選題,全對才給分)
Design a PN junction diode to produce particular electron and hole current densities at a given forward-bias voltage. Consider a silicon pn junction diode at . Design the diode such that and at .
(Hint: , )
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
理想 PN 接面二極體在順向偏壓下,總電流由兩側的少數載子擴散電流組成:
- 電子由 側注入 側,形成電子電流密度 。
- 電洞由 側注入 側,形成電洞電流密度 。
在長基極、低階注入等理想二極體假設下:
其中少數載子擴散長度為:
因此,已知各側電流密度後,可分別由 求出 ,以及由 求出 。
解題方法
題目給定 ,且此值遠大於 ,故計算時可用:
先求電子與電洞的擴散長度:
由電子電流密度式解出受體濃度 :
代入 、、:
第 Q9 題6 分
Calculate the ideal reverse-saturation current densities of a Schottky barrier diode. Consider a tungsten barrier on silicon with a measured barrier height of . The effective Richardson constant is . Let .
(Hint: )
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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第 Q10 題11 分
For ideal C–V characteristics of the MOS capacitor(複選題,全對才給分):
What is the capacitance in the high-frequency inversion mode?
Under this condition, what is the charge distribution?
(A) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(B)
(C) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(D) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(E)
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第 Q11 題6 分
Calculate for a MOS capacitor. Consider a p-type silicon substrate at doped to . The oxide is silicon dioxide with a thickness of , and the gate is aluminum. (Hint: , , )
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
MOS 電容在高頻反轉區的最小電容,是氧化層電容 與最大空乏層電容 串聯的結果:
在強反轉開始時,表面電位 ,因此最大空乏層寬度為
其中, 為基本電荷量,。鋁閘極會影響平帶電壓與電容電壓曲線的位置,但不影響本題理想情況下由氧化層與空乏層串聯所決定的 。
解題方法
先求費米電位大小:
將氧化層厚度換成公分:
氧化層單位面積電容為
最大空乏層寬度為
第 Q12 題6 分
Determine the increase in drain current due to short-channel modulation. Consider an n-channel MOSFET with a substrate doping concentration of , a threshold voltage of , and a channel length of . The device is biased at and . Determine the ratio of actual drain current compared to the ideal value. ?
(Hint: )
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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第 Q13 題6 分
Calculate the threshold voltage shift due to short-channel effects. Consider an n-channel MOSFET with , , , and .
(Hint: )
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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第 Q14 題6 分
Design the channel width that will limit the threshold voltage shift because of narrow channel effects to a specified value. Consider a silicon n-channel MOSFET with and . Let . Assume that the threshold voltage shift is to be limited to .
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
窄通道效應會使通道兩側的耗盡區也需要由閘極提供電荷,因此額外耗盡電荷會提高 n 通道 MOSFET 的臨界電壓。以 表示側向耗盡區的幾何因子,臨界電壓位移可寫成
其中, 是臨界狀態下的最大耗盡層寬度, 是單位面積閘極氧化層電容。此式也可直接整理成所需的通道寬度 。窄通道效應公式與範例
解題方法
先由基板摻雜濃度求臨界狀態的耗盡層寬度,再計算氧化層電容,最後代入窄通道效應公式求 。
在室溫下取 、。p 型基板的費米位能絕對值為
臨界狀態下的耗盡層寬度為
代入 、 及 :
氧化層厚度 ,因此
第 Q15 題6 分
Consider a uniformly doped silicon npn bipolar transistor with the base width modulation and following parameters: , , , and . Assume that , , and the collector–base voltage is . Estimate the Early voltage () from the change in collector current with a change in neutral base width.
(Hint: For , ; for , )
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
集極—基極接面反向偏壓增加時,空乏區會向基極延伸,使中性基極寬度 變小。當 時,基極中的少數載子濃度分布近似線性,因此集極電流密度近似與中性基極寬度成反比:
這種基極寬度調變會使集極電流隨集極—射極電壓增加,稱為 Early 效應。線性外插 – 特性至電流為零時,電壓軸截距的絕對值即為 Early 電壓 。
解題方法
先用接面空乏區估算兩個偏壓下的中性基極寬度。對集極—基極接面,空乏區總寬度為
其中 。空乏區伸入基極的部分為
代入題目參數,約得:
- 時,。
- 時,。
基極寬度變窄,故 增加;其變化方向與題目提示的 至 一致。
接著以兩組電流資料作 – 的直線外插。由於 固定,,所以兩個工作點分別