2011/2 학기물리전자기말고사담당교수 : 김삼동 성명 학번 분반 e = 1.6 10-19 C, ε ox = 3.9, ε Si = 11.7,ε o = 8.85 10-14 F/cm 2, kt (300 K) = 0.0259 ev,, n i (Si, 300 K) =1.5x10 10 /cm 3 1. PN diode의 I-V 특성은아래의그림과같은거동을보인 (I) 다. 각영역에대하여설명하라. (5X4 = (II) 20점 ) (IV) a) II-영역에 0 서는어떠한 (III) carrier transport 기 (V) 구가전류를지배하는가? 0 이기구가지배하는경우 ideality factor는? (5점) log(i) V a c) I-영역은너무과도한전류영역에서발생하는 Slope-over 라한다. 이현상의가능한이유들은? (5점) d) V- 영역에서급격히전류가증가하는현상을무엇이라하는가? 이를설명하는대표적 2 가지기구를들고간단히설명하라. (5 점 ) b) III- 영역에서는어떠한 carrier transport 기구가전류를지배하는가? 이기구가지배하는경우 ideality factor 는? (5 점 ) 1
2. NPN Bipolar transistor 에서 I C 와 V CE 의특성곡선을보이고있다. (5X4 = 20 점 ) I C ( II ) V BE ( I ) (III) V CE (a) I, II, III 영역은각각어떤작동 mode 에있는가? (5 점 ) (d) III 영역에서의 band diagram 을도시하고왜 I C 는 ~ 0 인지설명하라. (5 점 ) I: II: III: (b) I 영역에서의 band diagram을도시하고왜 I C 는 V CE 증가에따라증가하는지설명하라. (5점) c) II 영역에서의 band diagram 을도시하고왜 I C 는 V CE 에무관하게일정한지설명하라.(5 점 ) 2
3. n-p-n BJT 에서가능한모든 carrier transport 들을아래에표시하고, 전류성분의기구에대해간단히설명하라. (10 점 ) - + - + I B n p n I E I C ( 강의노트참조 ) 3
4. 수업에서우리는다음과같이균일하게도핑된 (N a = 5X10 16 cm -3 ) 무한한길이를가진막대형태의 p-형반도체한쪽끝에빛이쏘여지는상황을학습하였다. 온도는 300K이고전계는없다고가정한다. Steady-state와 Low-level injection이유지되고있다. (20점) (c) Au (gold) 를불순물로이반도체에첨가하였다. (b) 에서구한전자의확산전류는증가하겠는가? 아니면감소하겠는가? 그이유는? (a) 이비평형상태를기술하는 Ambipolar transport equation과그특수해를기술하시오. 단 x = 0에서 δn(x) = δn(0) 이다. (5점) (d) 만일반도체막대기길이 L이전자의확산거리 D n 보다훨씬짧다면, 이비평형상태를근사적으로기술하는 Ambipolar transport equation과그특수해를기술하시오. 단 x = 0에서 δn(x) = δn(0), x = L에서 δn(l) = 0이다. (5점) (b) τ n = 8X10-7 s, D n = 27.2 cm 2 /s, δn(0) = 1X10 15 cm -3 이다. δn(x) 를 x의함수로표기하고 x = 0에서전자의확산전류를구하시오. (5점). 4
5. 다음에대하여 O 또는 X로괄호를채우시오. ( 정답 1X 20 = 20, 오답 -1 X 20 = -20) (1) Schottky junction에서금속전극과반도체간의일함수차이는 barrier height와동일하다. (2) 금속과반도체접합시 carrier의 accumulation 이발생하는경우 Schottky junction이발생한다. (3) pn 접합에서전자또는정공 (hole) 의전류는 depletion region에서일정하게되는데그이유는 minority carrier의재결합이없기때문이다. (4) 다이오드의 reverse saturation current는온도가증가하면지수적으로감소한다. (5) 다이오드에서 ln (J) 와 V a [J: 전류밀도, V a : applied bias] 의 plot은직선이되며기울기는 다이오드이상지수 와밀접한관계가있다. (6) 일반적으로 p-n 다이오드의 switching speed 가 Schottky 다이오드보다빠른이유는재결합과정이일어나지않기때문이다. (7) Zener breakdown은 Avalanche breakdown에비해도핑농도가높은 pn 접합에서주로발견된다. (8) Low-level injection이란반도체의 excess carrier의크기가충분히작아 minority carrier 농도보다도작은경우를말한다. (9) 전자의 lifetime 이란전자가 p-형반도체에서재결합까지평균적으로살아있는시간을의미한다. (10) E Fn E Fp 의크기는반도체가평형상태에도달하면 0이된다. (11) SRH model에의하면 recombination center의에너지준위가 bandgap 중앙근처에있을때재결합속도는최소화된다. (12) MOSFET에서는 short-channel 효과에의해게이트길이가미세해지면문턱전압이증가한다. (13) SOI 구조에형성된 MOSFET은 bulk 소자에비해제조가격도저렴하고빠른속도의특성을보인다. (14) npn BJT에서 base 두께를얇게하는이유는이미터에서넘어온전자의재결합을최소화하기위해서이다. (15) npn BJT에서이미터의도핑농도를베이스도핑농도보다크게하여베이스전류를최소화할수있다. (16) npn BJT에서 transport factor ( 전달계수 ) 는전자가만드는 ( 이미터전류 )/( 콜렉터전류 ) 의비로정의된다. (17) npn BJT에서 transport factor ( 전달계수 ) 는베이스지역의재결합이매우작은경우소자에영향을미치는중요인자가아니다. (18) BJT에서전류이득 β는일반적으로출력전류에무관하게일정하지만, 고전류영역에는 재결합및생성 에의해증가한다. (19) Common emitter current gain β는 ( 콜렉터전류 )/( 베이스전류 ) 로정의되며 BJT의가장대표적인이득값이다. (20) npn BJT에서 injection efficiency ( 주입효율 ) 이란 ( 전자의이미터전류 )/( 이미터총전류 ) 의비로정의되며 1에가까울수록이상적이다. 5
6. 어떤학생이다음의현상들을실험중관찰하였다. 관찰이올바른것이었는지틀린것인지답하고, 그이유를근거를들어설명하라. (2X5 = 10 점 ) (d) n- 형반도체에자외선을쏘이면서 conductivity 를측정하였을때현저한증가를관찰하였다. (a) P-N 다이오드의역방향포화전류는 300 o K 에서는 1 pa 이었는데, 500 o K 로증가시키자 1 µa 로증가하였다. (b) N-P-N BJT 의 base 두께를 1 µm 에서 0.1 µm 로감소하자전류이득과 switching speed 가모두개선되었다 (e) 전류이득이 300이었던 n-p-n BJT를매우높은전류영역에서이득을다시측정하였다. 이때훨씬증가한 ~500 정도의이득이관찰되었다 (c) Schottky diode 의반도체계면영역에 recombination 을조장할목적으로 Au 를일부로추가하였더니, 현저히 switching speed 가개선되었다. 6