Week
 8	
  Quiz	
  Answers	
  
                                                    ECE	
  606:	
  Solid	
  State	
  Devices	
  
                                                            Mark	
  Lundstrom	
  
                                                   Purdue	
  University,	
  Spring	
  2013	
  
Quiz	
  1:	
  
Answer	
  the	
  four	
  multiple	
  choice	
  questions	
  below	
  by	
  choosing	
  the	
  one,	
  best	
  answer.	
  
Then	
  ask	
  a	
  question	
  about	
  the	
  lecture.	
  
	
  
1) What	
  does	
  the	
  term	
  “depletion	
  approximation”	
  mean	
  in	
  the	
  context	
  of	
  a	
  PN	
  junction?	
  
       	
  
            a)	
  The	
  term	
  refers	
  to	
  an	
  undoped	
  region	
  near	
  the	
  PN	
  junction.	
  
            b)	
  The	
  term	
  refers	
  to	
  a	
  region	
  for	
  which	
   n, p << ni .	
  
         c)	
  The	
  term	
  refers	
  to	
  a	
  condition	
  for	
  which	
   n − p << N D − N A 	
  .	
  
         d)	
  The	
  term	
  refers	
  to	
  a	
  condition	
  for	
  which	
   n − N D << p − N A 	
  .	
  
         e)	
  The	
  term	
  refers	
  to	
  a	
  region	
  near	
  the	
  PN	
  junction	
  where	
  n	
  and	
  p	
  are	
  much	
  less	
  than	
  
         	
  	
  	
  	
  	
  the	
  doping	
  density	
  
	
  
	
  
2)     In	
  a	
  PN	
  junction,	
  where	
  does	
  the	
  peak	
  electric	
  field	
  occur?	
  
       	
  
            a)	
  	
  At	
  the	
  edge	
  of	
  the	
  depletion	
  region	
  on	
  the	
  N-‐side.	
  
            b)	
  	
  At	
  the	
  edge	
  of	
  the	
  depletion	
  region	
  on	
  the	
  P-‐side.	
  
            c)	
  	
  At	
  the	
  center	
  of	
  the	
  depletion	
  region.	
  
            d)	
  	
  At	
  the	
  center	
  of	
  the	
  part	
  of	
  the	
  depletion	
  region	
  that	
  lies	
  on	
  the	
  N-‐side.	
  
            e)	
  	
  At	
  the	
  junction	
  between	
  the	
  N	
  and	
  P	
  sides.
                                                                                             	
  
            	
  
            	
  
3)     The	
  formula	
  for	
  the	
  built	
  in	
  potential	
  is	
  an	
  important	
  one	
  that	
  we	
  should	
  remember.	
  
       What	
  is	
  it?	
  
            a)	
  	
   qVbi = k BT ln ( N A ) ni2 	
  
         b)	
  	
   qVbi = k BT ln ( N D ) ni2 	
  
         c)	
   qVbi = k BT ln ( N A N D ) ni2 	
  
                                   ( )
         d)	
   qVbi = k BT ln ni2 N A 	
  
         e)	
  	
   qVbi   = k T ln ( n N ) 	
  
                                          2
                               B          i    D 	
  
	
  
	
  
	
  
         	
  
                                                        Continued	
  on	
  next	
  page	
  
	
  
	
  
	
  
	
                                                                      1	
  
4)      If	
  we	
  apply	
  a	
  reverse	
  bias	
  to	
  a	
  PN	
  junction,	
  what	
  happens?	
  
            	
  
            a)	
  	
   The	
  magnitude	
  of	
  the	
  peak	
  electric	
  field	
  decreases,	
  and	
  the	
  width	
  of	
  the	
  
                          depletion	
  region	
  decreases.	
  
            b)	
  	
   The	
  magnitude	
  of	
  the	
  peak	
  electric	
  field	
  decreases,	
  and	
  the	
  width	
  of	
  the	
  
                          depletion	
  region	
  increases.	
  
            c)	
  	
   The	
  magnitude	
  of	
  the	
  peak	
  electric	
  field	
  increases,	
  and	
  the	
  width	
  of	
  the	
  depletion	
  
                          region	
  decreases.	
  
            d)	
   The	
  magnitude	
  of	
  the	
  peak	
  electric	
  field	
  increases,	
  and	
  the	
  width	
  of	
  the	
  depletion	
  
                          region	
  increases.	
  
            e)	
  	
  	
  The	
  magnitude	
  of	
  the	
  peak	
  electric	
  field	
  is	
  increases,	
  and	
  the	
  width	
  of	
  the	
  
                          depletion	
  region	
  unchanged.	
  
	
  
	
  
Quiz	
  2:	
  
	
  
1) For	
  a	
  moderately	
  forward	
  biased	
  PN	
  junction,	
  we	
  solve	
  the	
  minority	
  carrier	
  diffusion	
  
       equation	
  in	
  the	
  quasi-‐neutral	
  N	
  and	
  P	
  regions.	
  	
  We	
  need	
  2	
  boundary	
  conditions.	
  	
  If	
  x	
  =	
  
       0	
  is	
  the	
  boundary	
  of	
  the	
  quasi-‐neutral	
  P	
  region	
  adjacent	
  to	
  the	
  depletion	
  region,	
  what	
  
       is	
  the	
  boundary	
  condition	
  for	
  the	
  excess	
  minority	
  electron	
  equation	
  at	
  x	
  =	
  0	
  for	
  an	
  
       applied	
  bias	
  of	
  VA?	
  	
  (This	
  result	
  is	
  known	
  as	
  the	
  “Law	
  of	
  the	
  Junction.”).	
  	
  
       	
  
            a)	
  	
   Δn ( x = 0 ) = N Ae A B 	
  .	
  
                                            qV k T
                                 (                )
           b)	
   Δn ( x = 0 ) = ni2 N A ln ( qV A k BT ) 	
  
           c)	
   Δn ( x = 0 ) = ( n              )e (
                                       2                  q Vbi −V A ) k BT
                                       i
                                            NA                                   .	
  
           d)	
   Δn ( x = 0 ) = ni2 e
                                           qV A k BT
                                                       	
  
                                   (
           e)	
   Δn ( x = 0 ) = ni2 N A e        )           qV A k BT
                                                                          	
  
	
  
	
  
2)      For	
  very	
  large	
  forward	
  bias,	
  the	
  current	
  “rolls	
  off”	
  (i.e.	
  the	
  current	
  is	
  not	
  as	
  large	
  at	
  a	
  
        given	
  voltage	
  as	
  the	
  ideal	
  diode	
  equation	
  would	
  predict).	
  	
  The	
  reason	
  for	
  this	
  is:	
  
        	
  
             a) For	
  high	
  currents,	
  there	
  are	
  voltage	
  drops	
  across	
  the	
  N	
  and	
  P	
  regions,	
  
                    so	
  only	
  a	
  portion	
  of	
  the	
  applied	
  voltage	
  actually	
  gets	
  to	
  the	
  PN	
  junction	
  and	
  
                    forward	
  biases	
  it.	
  
             b)	
   The	
  applied	
  bias	
  exceeds	
  the	
  bandgap	
  of	
  the	
  semiconductor.	
  
             c)	
   The	
  diode	
  enters	
  breakdown.	
  
             d)	
   The	
  depletion	
  approximation	
  begins	
  to	
  fail.	
  
             e)	
   The	
  diode	
  begins	
  to	
  overheat.
                                                                     	
  
	
  
	
  
                                                                   Continued	
  on	
  next	
  page	
  
	
                                                                                       2	
  
	
  
3)     If	
  you	
  observe	
  an	
  n	
  =	
  2	
  slope	
  to	
  the	
  high	
  forward	
  bias	
  IV	
  current	
  of	
  a	
  PN	
  junction,	
  what	
  
       physical	
  explanation	
  would	
  you	
  give?	
  
       	
  
            a)	
  Diode	
  is	
  in	
  low-‐level	
  injection.	
  
            b)	
  Zener	
  tunneling.	
  
            c)	
  Diode	
  is	
  in	
  high	
  level	
  injection	
  with	
  ambipolar	
  transport	
  
            d)	
  Recombination	
  is	
  controlled	
  by	
  radiative	
  recombination	
  
            e)	
  Recombination	
  is	
  controlled	
  by	
  Auger	
  recombination	
  
	
  
	
  
4)     What	
  region	
  of	
  the	
  IV	
  characteristic	
  of	
  a	
  PN	
  junction	
  does	
  tunneling	
  affect?	
  
        	
  
        a)	
  	
   Low	
  forward	
  bias	
  (if	
  the	
  junction	
  is	
  heavily	
  doped	
  on	
  both	
  sides)	
  and	
  moderate	
  
                   to	
  high	
  reverse	
  bias.	
  
        b)	
  	
   Low	
  forward	
  bias	
  (if	
  the	
  junction	
  is	
  heavily	
  doped	
  on	
  one	
  side)	
  and	
  moderate	
  to	
  
                   high	
  reverse	
  bias.	
  
        c)	
  	
   High	
  forward	
  bias	
  (if	
  the	
  junction	
  is	
  heavily	
  doped	
  on	
  both	
  sides)	
  and	
  moderate	
  
                   to	
  high	
  reverse	
  bias.	
  
        d)	
   High	
  forward	
  bias	
  (if	
  the	
  junction	
  is	
  heavily	
  doped	
  on	
  one	
  side0	
  and	
  moderate	
  to	
  
                   high	
  reverse	
  bias.	
  
        e)	
  	
  Only	
  high	
  reverse	
  bias.	
  
	
  
	
  
Quiz	
  3:	
  
	
  
	
  
1) The	
  Schottky	
  barrier	
  height	
  is	
  a	
  key	
  parameter	
  for	
  a	
  metal-‐semiconductor	
  junction.	
  	
  
       For	
  a	
  metal,	
  N-‐type	
  semiconductor,	
   Φ bN 	
  is	
  given	
  by	
  which	
  of	
  the	
  following	
  
       expressions?	
  	
  
       	
  
            a)	
  	
   Φ bN = χ S − Φ M 	
  .	
  
          b)	
  	
   Φ bN = χ S + Φ M 	
  
          c)	
  	
   Φ bN = Φ M − χ S .	
  
          d)	
  	
   Φ bN = χ S − Φ M 	
  
          e)	
  	
   Φ bN = Φ M × χ S 	
  
	
  
	
  
                                                        Continued	
  on	
  next	
  page	
  
	
  
	
  
	
  
	
                                                                         3	
  
2)     The	
  forward	
  bias	
  current	
  in	
  a	
  typical	
  Schottky	
  barrier	
  is	
  due	
  to	
  what	
  physical	
  
       mechanism?	
  
       	
  
       a)	
  	
  Drift	
  
       b)	
  	
  Diffusion	
  
       c)	
  	
  Recombination	
  
       d)	
  	
  Thermionic	
  emission	
  
       e)	
  	
  Zener	
  tunneling
                                    	
  
	
  
	
  
3)     At	
  a	
  given	
  forward	
  bias,	
  how	
  does	
  the	
  current	
  in	
  a	
  typical	
  Schottky	
  barrier	
  compare	
  to	
  
       that	
  in	
  typical	
  PN	
  junction?	
  
       	
  
            a)	
  The	
  SB	
  current	
  is	
  much	
  larger	
  than	
  the	
  PN	
  junction	
  current.	
  
            b)	
  The	
  SB	
  current	
  is	
  a	
  little	
  larger	
  than	
  the	
  PN	
  junction	
  current.	
  
            c)	
  The	
  SB	
  current	
  is	
  much	
  smaller	
  than	
  the	
  PN	
  junction	
  current.	
  
            d)	
  The	
  SB	
  current	
  is	
  a	
  little	
  smaller	
  than	
  the	
  PN	
  junction	
  current.	
  
            e)	
  The	
  SB	
  current	
  is	
  about	
  the	
  same	
  as	
  the	
  PN	
  junction	
  current.	
  
	
  
	
  
4)     What	
  is	
  the	
  forward	
  bias	
  ideality	
  factor	
  of	
  a	
  Schottky	
  barrier	
  diode?	
  
        	
  
        a)	
  	
   n = 1 	
  
        b)	
  	
   n = 2 	
  
        c)	
  	
   1 < n < 2 	
  
        d)	
   n > 2 	
  
        e)	
   n < 1 	
  
	
  
                      	
  
Quiz	
  4:	
  
	
  
1) The	
  small	
  signal	
  model	
  for	
  a	
  Schottky	
  barrier	
  diode	
  contact	
  contains	
  what	
  
       parameters?	
  	
  
       	
  
            a)	
  	
  The	
  dynamic	
  resistance	
  and	
  the	
  junction	
  capacitance.	
  	
  
            b)	
  	
  The	
  dynamic	
  resistance	
  and	
  the	
  diffusion	
  capacitance.	
  	
  
            b)	
  	
  The	
  junction	
  capacitance	
  and	
  diffusion	
  capacitance.	
  	
  
            b)	
  	
  The	
  dynamic	
  resistance.	
  	
  
            b)	
  	
  The	
  junction	
  capacitance.	
  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
                                                   Continued	
  on	
  next	
  page	
  
	
                                                                   4	
  
	
  
2)     Majority	
  carriers	
  respond	
  in	
  what	
  characteristic	
  time?	
  
	
  
       a)	
  	
  The	
  carrier	
  lifetime.	
  
       b)	
  	
  The	
  carrier	
  diffusion	
  time,	
  
       c)	
  	
  The	
  scattering	
  time.	
  
       d)	
  	
  The	
  dielectric	
  relaxation	
  time.	
  
       e)	
  	
  The	
  drift	
  time.
                                       	
  
	
  
	
  
3)     To	
  make	
  a	
  good	
  ohmic	
  contact	
  to	
  a	
  semiconductor,	
  what	
  should	
  be	
  done?	
  
       	
  
            a)	
  	
  Choose	
  a	
  metal	
  with	
  a	
  high	
  Schottky	
  barrier	
  height.	
  
            b)	
  	
  Use	
  a	
  lightly	
  doped	
  semiconductor.	
  
            c)	
  	
  Introduce	
  defects	
  into	
  the	
  semiconductor	
  to	
  lower	
  its	
  lifetime.	
  
            d)	
  	
  Dope	
  the	
  semiconductor	
  very	
  heavily.	
  
            e)	
  	
  Reduce	
  the	
  contact	
  area.	
  
	
  
	
  
4)     What	
  are	
  the	
  consequences	
  of	
  Fermi	
  level	
  pinning?	
  
        	
  
        a)	
  	
   The	
  Schottky	
  barrier	
  height	
  will	
  be	
  insensitive	
  to	
  the	
  type	
  of	
  metal.	
  
        b)	
  	
   The	
  SB	
  will	
  behave	
  like	
  a	
  PN	
  junction.	
  
        c)	
  	
   The	
  SB	
  will	
  be	
  ohmic	
  –	
  not	
  rectifying.	
  
        d)	
   The	
  thermionic	
  emission	
  theory	
  will	
  have	
  to	
  be	
  replaced	
  by	
  drift-‐diffusion	
  
                   theory.	
  
        e)	
   The	
  ideality	
  factor	
  of	
  the	
  SB	
  will	
  decrease.	
  
	
  
	
                                                                5