2022年半导体器件原理简明教程习题答案傅兴华 .pdf

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1、半导体器件原理简明教程习题答案傅兴华1.1 简述单晶、多晶、非晶体材料结构的基本特点. 解 整块固体材料中原子或分子的排列呈现严格一致周期性的称为单晶材料; 原子或分子的排列只在小范围呈现周期性而在大范围不具备周期性的是多晶材料; 原子或分子没有任何周期性的是非晶体材料. 1.6 什么是有效质量， 根据 E(k)平面上的的能带图定性判断硅鍺和砷化镓导带电子的迁移率的相对大小 . 解 有效质量指的是对加速度的阻力.kEhmk21*1由能带图可知 ,Ge 与 Si 为间接带隙半导体,Si的 Eg比 Ge的 Rg大，所以GeSi.GaAs 为直接带隙半导体, 它的跃迁不与晶格交换能量, 所以相对来说

2、GaAsGeSi. 1.10 假定两种半导体除禁带宽度以外的其他性质相同, 材料 1 的禁带宽度为1.1eV, 材料 2的禁带宽度为3.0eV, 计算两种半导体材料的本征载流子浓度比值, 哪一种半导体材料更适合制作高温环境下工作的器件? 解 本征载流子浓度:)exp()(1082.42015TdpdnikEgmmmn两种半导体除禁带以外的其他性质相同)9.1exp()exp()exp(0.31 .121TkkknnTTTk9 .10 21nn在高温环境下2n更合适1.11在 300K 下硅中电子浓度330102cmn,计算硅中空穴浓度0p,画出半导体能带图,判断该半导体是n 型还是 p 型半导

3、体 . 解317321002020010125.1102)105 .1(pcmnnnpnii00np是 p 型半导体1.16硅中受主杂质浓度为31710 cm,计算在 300K 下的载流子浓度0n和0p,计算费米能级相对于本征费米能级的位置,画出能带图 . 解317010 cmNpA200inpnT=300K 310105.1cmni330201025.2cmpnni00np该半导体是p 型半导体)105 .110ln(0259.0)ln(10170iFPinpKTEE精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - -

4、 - -第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - - 1.27砷化镓中施主杂质浓度为31610 cm，分别计算T=300K 、400K 的电阻率和电导率。解316010 cmNnDiinKTcmnKT40010230036002nnpnpniioo电导率pnqpqn00，电阻率11.40半导体中载流子浓度314010 cmn,本征载流子浓度31010 cmni, 非平衡空穴浓度31310 cmp,非平衡空穴的寿命sn6010,计算电子 -空穴的复合率,计算载流子的费米能级和准费米能级. 解 因为是 n 型半导体tpNCn10cmnppNCRto19010)ln(0iiFnn

5、pnkTEE)ln(ioFpinppkTEE2.2有两个 pn 结,其中一个结的杂质浓度317315105,105cmNcmNAD,另一个结的杂质浓度319317105,105cmNcmNAD,在室温全电离近似下分别求它们的接触电势差 ,并解释为什么杂质浓度不同接触电势差的大小也不同. 解 接触电势差)ln(2iDADnNNqkTV可知DV与AN和DN有关 ,所以杂质浓度不同接触电势差也不同 . 2.5 硅 pn 结31731610,105cmNcmNAD,分别画出正偏0.5V、反偏 1V 时的能带图 . 解310105 .1300cmnKTi21061761619232)105.1 (101

6、010105ln106.13001038.1)ln(iDADnNNqkTV=V21002.8正偏 :1919108.01037.0)(qVVVqD反偏 :1919106.110728.1)(RRDVqVVq2.12 硅 pn 结的杂质浓度分别为315317101,103cmNcmNAD,n 区和 p 区的宽度大精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - - 于少数载流子扩散长度,spn1,结面积=16002m,取scmDscmDpn/13,/2

7、522,计算(1)在 T=300K 下,正向电流等于1mA 时的外加电压；(2)要使电流从1mA 增大到 3mA, 外加电压应增大多少? (3)维持 (1)的电压不变 ,当温度T 由 300K 上升到 400K 时,电流上升到多少? 解 (1)310105.1300cmnKTisspn6101252106 .11600cmmAssddAIJ)exp(0kTqVJJdnpnpnpLnqDLpqDJ000pppDLnnnDL0lnJJqkTVd(2)3lnln3ln00qkTJJqkTJJqkTVdd(3)31310400cmnKTi. . 2.14根据理想的pn 结电流电压方程，计算反向电流等于

8、反向饱和电流的70%时的反偏电压值。解7 .0,1)exp(ododJJkTqVJJ2.22硅 pn 结的杂质浓度 ,计算 pn 结的反向击穿电压,如果要使其反向电压提高到300V,n 侧的电阻率应为多少? 解 (1)反向击穿电压VNVDB601064313(2)21335243102,300106cmNVNVDDB)/(1350112scmqnnn得由2.24 硅突变pn 结316318105.1,105cmNcmNDA,设 pn 结击穿时的最大电场为cmVEc/1055,计算 pn 结的击穿电压 . 解 突变结反向击穿电压DADArBNNNNNEqNV,21200精品资料 - - - 欢迎

9、下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - - 2.25在杂质浓度315102cmND的硅衬底上扩散硼形成pn 结 ,硼扩散的便面浓度为31810 cmNA,结深m5,求此 pn 结 5V 反向电压下的势垒电容. 解31)(12)(2VVqaACDoT2.26已知硅np结 n区电阻率为cm1,求 pn 结的雪崩击穿电压,击穿时的耗尽区宽度和最大电场强度 .（硅 pn 结1361045.8cmCi，锗 pn 结1341025.6cmCi）解nnqnqn11nNNVDDB,

10、106431381)8(0iDcCqNEcBcBEVWWEV2213.5以 npn 硅平面晶体管为例,在放大偏压条件下从发射极欧姆接触处进入的电子流,在晶体管的发射区、发射结空间电荷区、基区、集电极势垒区和集电区的传输过程中,以什么运动形式（扩散或漂移）为主? 解 发射区 -扩散 发射结空间电荷区-漂移基区-扩散集电极势垒区 -漂移集电区 -扩散3.6三个 npn 晶体管的基区杂质浓度和基区宽度如表所示，其余材料参数和结构参数想同，就下列特性参数判断哪一个晶体管具有最大值并简述理由。(1)发射结注入效率。(2)基区输运系数。(3)穿通电压。 (4)相同 BC 结反向偏压下的BC 结耗尽层电容。

11、 (5)共发射极电流增益。器件基区杂质浓度基区宽度A B C 解 (1)CBABBENBEBPEBxWWDNWDN,1(2)TCTBTAnBrBTrnBnBnBBNBBTDWDWLW211,21)(21102022(3)ptCptBptACBCBBptVVVNNNNxV)(202(4)TBTCTAADADDTCCCNNNNVVqACBDB0NNN)(221(5) 3.9硅 npn 晶体管的材料参数和结构如下：精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 10 页 - - - - - - -

12、- - - 发射区基区集电区EENWpp，BnnBWN,ppCN,计算晶体管的发射结注入效率，基区输运系数VVBET55. 0,，计算复合系数，并由此计算晶体管的共发射极电流放大系数。解1,TBbBsrBEsrnBnBBTEnBEBpEBWnqDJJkTqVJJDWWDNWDN00i0002,2Wqn)2exp(11,21,1其中3.13已知npn 非均匀基区晶体管的有关参数为mxmxjejc3,5,电子扩散系数sscmDnn1,/82,本征基区方块电阻5,2500sEsBRR,计算其电流放大系数、. 解基 区 输 运 系 数221nBBTLW（ 基 区 宽 度jejcBxxW， 基 区 少

13、子 扩 散 长 度nnnBDL） ,发射结注入效率sBsERR1(sER&sBR发射区和基区的方块电阻) 发射结复合系数1共基极直流电流放大系数T=0.9971 共发射极直流电流放大系数1=352.1489 3.34硅晶体管的标称耗散功率为20W,总热阻为WC /5,满负荷条件下允许的最高环境温度是多少 ?（硅CTjm200，锗CTjm100）解 最大耗散功率TajmCMRTTPCMTjmaPRTT满负荷条件下有CMTjmaPRTT，其中WCRCTTjm/5,2003.39晶体管穿通后的特性如何变化?某晶体管的基区杂质浓度31910 cmNB,集电区的杂精品资料 - - - 欢迎下载 - -

14、- - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - - 质浓度315105cmNC,基区的宽度mWB3. 0,集电区宽度mWC10,求晶体管的击穿电压 . 解 集电极电流不再受基极电流的控制，集电极电流的大小只受发射区和集电区体电阻的限制，外电路将出现很大的电流。穿通电压CBCBBptNNNNxV)(202，冶金基区的扩展BCBWWx4.1简要说明 JFET的工作原理解 N 沟道和 P 沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N 沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。N 沟道结型场效应管工作

15、时也需要外加偏置电压，即在栅- 源极间加一负电压(0GSV) ，使栅 - 源极间的np结反偏，栅极电流0Gi，场效应管呈现很高的输入电阻( 高达 108左右 ) 。在漏 - 源极间加一正电压(0DSV) ，使 N 沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流Di。Di的大小主要受栅- 源电压GSV控制，同时也受漏- 源电压DSV的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压vGS对漏极电流Di（或沟道电阻）的控制作用，以及漏- 源电压DSV对漏极电流Di的影响。4.3 n 沟道JFET 有关材料参数和结构是：31531810,10cmNcmNDA，沟道宽度是Z

16、=0.1mm ，沟道长度mL20，沟道厚度是ma42，计算 (1) 栅np结的接触电势差；(2) 夹断电压； (3) 冶金沟道电导；(4)0GSV和0DSV时的沟道电导( 考虑空间电荷区使沟道变窄后的电导)。解 (1)2lniDADnNNqkTV(2)2002aqNVDp(3)LZaNqGD/20(4) 若为突变np结，)()(2A021DDDnNnpNpnqNVVsW结结，4.7绘出 n 型衬底 MOS 二极管的能带图，讨论其表面积累、耗尽、弱反型和强反型状态。解 见旁边图！4.12 简述 p 沟道 MOSFET 的工作原理。解 截止： 漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。p 基区与 n 漂

17、移区之间形成的pn 结1J反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压GSV，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面p区中的空穴推开， 而将 p区中的少子 -电子吸引到栅极下面的p区表面，当GSV精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - - 大于TV（开启电压或阈值电压）时，栅极下p 区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使p 型半导体反型成n 型而成为反型层， 该反型层形成n 沟道而使pn 结1J消失，漏极和源极导

18、电。4.15已知 n 沟道 MOSFET 的沟道长度mL10，沟道宽度mW400，栅氧化层厚度nmtax150，阈值电压VVT3，衬底杂质浓度314109cmNA，求栅极电压等于7V时 的 漏 源 饱 和 电 流 。 在 此 条 件 下 ，DSV等 于 几 伏 时 漏 端 沟 道 开 始 夹 断 ？ 计 算 中 取)/(6002sVcmn。解 饱和漏源电流2)(2TGSaxnDsatVVLCWI，0,raxaxaxaxtC，VVGS7TasDSVVV4.16 在31510 cmNA的 p 型硅 衬底上， 氧化层厚度为70nm，2OSi层等效电荷面密度为211103cm，计算 MOSFET 的阈

19、值电压。解 阈值电压axdAiATCxqNnNqkTVmax)ln(2)ln(iAfpnNqkT，)ln(iDfnnNqkT，耗尽区宽度最大值)4(0maxAdqNxfp单位面积氧化层电容axaxaxaxttC04.19 用)/(600,80, 8/2sVcmnmtLWnax的 n 沟道 MOSFET 作为可变电阻，要获得k5.2的电阻，沟道电子浓度应为多少？TGSVV应为多少？对GSV有什么要求？解跨导cmFttCLCVVgraxraxaxaxaxTGSm/1085.8,7 .11,W),(400n其中5.2T=300K ，n 型硅衬底杂质浓度为31610cmND，绘出平衡态金-硅接触能带图

20、，计算肖特基势垒高度0B、半导体侧的接触电势差biV、空间电荷区厚度W。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - - 解 (1)xmB0(2)smbiV(3)21)2(0DbinqNVxW5.4分别绘出钛Ti 与 n 型硅和 p 型硅理想接触的能带图。如果是整流接触，设硅衬底，分别计算肖特基势垒高度0B、半导体侧的接触电势差biV。解xmB0smbiV5.10 T=300K ，n 型硅衬底杂质浓度为315105cmND，计算金属铝-硅肖特基接

21、触平衡态的反向电流sTJ、正偏电压为5V 时的电流。计算中取理查森常数22*264KcmAA。解xkTqTAkTqTAJmBBBBBsT0002*2*,),exp()exp(1)exp(kTqVJJsT5.13分别绘出 GaAlAs-GsAs 半导体 Pn 结和 Np 结的平衡能带图。解 见旁边图！6.3 假定 GaAs 导带电子分布在导带底之上03/2 kT 范围内，价带空穴分布在价带顶之上03/2 kT 范围内，计算辐射光子的波长范围和频带宽度。解eVEkTEeVEhcgg42. 1,324.1maxgEeV24.1minminmax21ccVVV6.6 T=300K ，考虑一个硅pn 结

22、光电二极管，外加反向偏压6V ，稳态光产生率为1321110scmGL，pn 结参数为：ssscmDscmDcmNNpnpnAD70702231510,105,/10,/25,108。 计算其光电流密度，比较空间电荷区和扩散区对光电流密度的贡献。解qNGWnNNqkTVDLpDLbiiADbippnnn)V(2,ln,200反向稳态光电流密度)(pnLLLLWqGI0259.0,2,106 .1,7 .1119qkTNNqA6.8 利用带隙工程， 镓-铝-砷(AsAlGaxx1)和镓 -砷-磷(xxPGaAs1)可获得的最大辐射光波长的值是多少？解gggEEhcxeVxE24.11),(247

23、.1424.1精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - - 6.9分别计算镓 -铝-砷(AsAlGaxx1)和镓 -砷-磷(xxPGaAs1)当 x=0.3 时辐射光的波长。解 同 6.8，x=0.3！(1)能带 ：由原子轨道所构成的分子轨道的数量非常大，以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的，即形成能带。(2)半导体能带特点：有带隙，电绝缘小，导带全空，价带全满。 (3)本征半导体 ：纯净的无缺陷半导体。(4)本征空穴： 在纯硅中

24、由于 +3 价的铟或铝的原子周围有3 个价电子，与同价硅原子组成共价结会少一个电子，形成空穴。(5)本征 电子： 在纯硅中掺入V 族元素，使之取代晶格中硅原子的位置。(6)同质 pn 结：由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn 结。(7)异质 pn 结：由两种不同的半导体单晶材料组成。 (8)LED 发光原理 ：当两端加上正向电压，半导体中的自由电子和空穴发生复合，放出过多能量而引发光子发射；优点：工作寿命长、耗电低、反应时间快、体积小重量轻高抗击、易调光、换颜色可控性大。(9)pn 结 I-V 特性 ：)exp(0kTqVJJd半导体禁带宽度gE/eV 迁移率 /300K,)/(2s

25、Vcm 相 对介 电常数r电 子亲 和势 x/eV 本征载流子浓度in/3cm300K 0K 电子空穴Ge 0.66 0.7437 3900 1900 16.0 4.0 13105 .2Si 1.12 1.170 1350 500 11.6 4.05 10105.1GaAs 1.42 1.519 8500 400 13.1 4.07 6102功函数： Ag4.26 ，Au5.1 ，Al4.28 ，Ga4.2 ，As3.75 ，Ti4.33 ，Si4.85 电子电荷19106 .1q，0259.0/ qkT，普朗克常数sJh10626.634精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - - 文档编码：KDHSIBDSUFVBSUDHSIDHSIBF-SDSD587FCDCVDCJUH 欢迎下载 精美文档欢迎下载 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - - -