ELCS Pytania kontrolne i zakres tematyczny na kolokwium nr.2, które odbędzie się 22 kwietnia (grupy 3M3 i 3M1) oraz 29 kwietnia (grupy 3M4 i 3M2) na ćwiczeniach laboratoryjnych (na początku zajęć, dwa pytania, 10 minut na odpowiedź) z zakresu wykładów numery 6 - 8 tj. od 30 marca do 20 kwietnia 2010.

Równania charakterystyczne: równanie Poissona, warunek obojętności elektrycznej w warunkach równowagowych oraz quasi-neutralność w warunkach nierównowagowych, równanie ciągłości.

Półprzewodnik niejednorodnie domieszkowany; zjawiska prowadzące do powstania wewnętrznego pola elektrycznego, układ pasm energetycznych (stałość poziomu Fermiego gdy J=0), rozkłady koncentracji nośników, równanie na natężenie pola elektrycznego wewnętrznego przy wykładniczym rozkładzie domieszek.

Złącze p-n: mechanizm powstawania napięcia bariery Ф_B (inne oznaczenie U_D), rozkłady koncentracji nośników i rozkład wypadkowego ładunku w poszczególnych obszarach złącza w warunkach równowagowych (brak polaryzacji). Polaryzacja złącza p-n: stan nieustalony modelowany pojemnością złączową (zmiana rozwarstwienia jonów w warstwie zaporowej). Wstrzykiwanie nośników podczas polaryzacji przewodzenia, relaksacja nośników większościowych prowadząca do zachowania obojętności elektrycznej Δn=Δp. Wyprowadzenie równania na czas relaksacji dielektrycznej gdy ρ=q(Δp-Δn)#0. Uzależnienie koncentracji na krawędzi wstrzykującej od napięcia polaryzacji U. Prądy płynące przez poszczególne obszary (mechanizmy), baza długa, definicja długości dyfuzyjnej (drogi dyfuzji). Rozkłady koncentracji nośników oraz rozkłady gęstości strumieni prądów w poszczególnych obszarach złącza przy polaryzacji przewodzenia dla bazy długiej.

Kondensator MOS; napięcia charakterystyczne U_FB, U_T oraz rozkłady koncentracji ładunków i układy pasm energetycznych dla różnych stanów kondensatora (akumulacja, płaskie pasma, zubożenie, inwersja, silna inwersja).

1. Napisz równanie ciągłości. Opisz co przedstawia to równanie.

2. Podaj warunek obojętności elektrycznej półprzewodnika w warunkach równowagowych oraz w warunkach nierównowagowych..

3. Napisz równanie Poissona, opisz co przedstawia.

4. Narysuj: rozkłady koncentracji nośników mniejszościowych i większościowych oraz układ pasm energetycznych w obszarze o grubości W krzemu domieszkowanego donorami N_D(x)=N_D(0)exp(-ax). Wyjaśnij powstawanie wewnętrznego pola elektrycznego. Udowodnij matematycznie stałość poziomu Fermiego (wychodząc z równania J=0 w obszarze półprzewodnika niejednorodnie domieszkowanego).

5. Scharakteryzuj czasy relaksacji: zderzeniowej, dielektrycznej i czasu życia nośników. Opisz zjawiska relaksacji (możliwie dokładnie z warunkami) jakich poszczególne stałe czasowe dotyczą.

6. Opisz i zobrazuj na rysunku wytwarzanie krzemowego złącza p-n metodą dyfuzyjną,

poprzez kompensację domieszek.

7. Wyjaśnij mechanizmy prowadzące do powstania bariery potencjału Ф_B w złączu p-n.

8. Opisz zjawisko zachodzące w stanie nieustalonym podczas zmian napięcia polaryzacji na złączu p-n związane ze zmianą ładunku w warstwie zaporowej. Podaj określenie i wartość charakterystycznej stałej czasowej. Jak jest modelowane to zjawisko.

9. Narysuj (na jednym rysunku) rozkłady ładunku wypadkowego w poszczególnych obszarach złącza p-n, dla warunków: a) brak polaryzacji, b) polaryzacja U= +0,5V, c) polaryzacja

U=-6V. Oznacz ładunki nieskompensowane (co je tworzy?). Zachowaj w miarę możliwości proporcje. N_A=10¹⁵cm^-3, N_D=5*10¹⁵cm^-3.

10. Wyjaśnij mechanizm prowadzący do ustalania quasi-obojetności elektrycznej na krawędzi

x=0, na której do obszaru n wstrzykiwane są nadmiarowe nośniki mniejszościowe. Określ

stałą czasową (czas) charakteryzujący ten proces.

11. Podaj i przedyskutuj mechanizm doprowadzenia do Δp=Δn z sytuacji Δp#Δn czyli tworzenie quasi-obojętności elektrycznej półprzewodnika. Wyprowadź równanie na czas relaksacji dielektrycznej gdy w chwili t=0 zachodzi ρ=q(Δp-Δn)#0 i relaksacja doprowadza do ρ=q(Δp-Δn)=0.

12. Wyprowadź równanie na wartość nadmiarowej koncentracji nośników na krawędzi obszaru, do którego te nośniki są wstrzykiwane (wdyfundowywane) z sąsiedniego obszaru w wyniku obniżenia bariery potencjału w złączu p-n przez polaryzację napięciem U.

13. Narysuj w obszarze typu p (inna sytuacja w obszarze n), dla stanu ustalonego, rozkład koncentracji nośników mniejszościowych wstrzykiwanych do tego obszaru na krawędzi x=0 (linią przerywaną oznacz poziom koncentracji równowagowej tych nośników) oraz składowe prądów wynikające z tego rozkładu (oznacz kierunki ruchu nośników oraz mechanizm ruchu). Przyjmij, że obszar jest bazą długą.

14. Podaj określenie (definicję) długości dyfuzyjnej (drogi dyfuzji) L_p (lub L_n).

15. Napisz równanie na napięcie U_FB w kondensatorze MOS (od czego zależy jego wartość) i określ co ono oznacza (jakie warunki w strukturze MOS uwzględnia).

16. Napisz równanie na napięcie U_T w kondensatorze MOS (od czego zależy jego wartość) i określ co ono oznacza (jakie warunki w półprzewodniku wyróżnia).

17. Wyjaśnij zasadę sterowania ładunku pod powierzchnią w kondensatorze MOS, poprzez wyprowadzenie uzależnienia Q_inv od (U_G-U_T).

18. Dla kondensatora MOS z półprzewodnikiem typu p narysuj układ pasm energetycznych (oznacz poziom Fermiego, środek przerwy energetycznej, energie odpowiadające napięciom ф_F oraz ф_S) oraz rozkłady ładunków - a) przy napięciu U_G < U_T, b) przy napięciu U_G = U_T, c) przy napięciu U_G > U_T

2

---