射频与微波电路—习题及答案ch04.docx
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1、第四章射频与微波半导体器件1 .举例并简述第二代半导体材料和第三代半导体材料的特征。在知道第二代半导 体材料和第三代半导体材料的优势之后,思考并简述为什么到目前为止,第二代 及第三代半导体材料未能取代硅成为最主流的半导体材料。第一代和第二代半导体材料在特定领域取得了显著的成就,但也面临一些局限性。第一 代半导体材料如硅和错,在低压、低频和中功率应用方面表现出色,但在高频和高功率领域 的性能受限。第二代半导体材料如神化钱和睇化钢在高速、高频和大功率应用上具有优势, 但成本较高且生产技术相对复杂。相比之下,第三代半导体材料如碳化硅和氮化像具有一系列突出特点o碳化硅具有高温、 高频、抗辐射和高功率特
2、性,适用于5G基站、新能源汽车、电力电子等领域。氮化钱具有 优异的电子迁移率和热导率,广泛应用于高频电子器件和光电器件。这些材料的特性使得第 三代半导体在高性能和特殊环境下具有广泛应用的潜力。2 .一个理想的硅基pn结,其本征载流子浓度n1=1.5x10%m7, N区的施主杂浓度 ND=1x1015cm-3, P区的受主掺杂浓度NA=5x10l7cm-3,电子和空穴的扩散系数 Dn=12.8cm7sx Dp-11.2cm2/s,电子扩散长度和空穴扩散长度Ln=8. 1x10% Lp=3.26x10-3cm,计算300K下反向饱和电流密度的理论值,以及PN结两端偏压 为0.7V、0.3V、-0.
3、7V时的正向和反向电流密度值。答案略3 .对于上题中的硅基PN结,若截面积A=10-5cm2,规定正向电流达到0.1mA时 的电压为闽值电压,则该PN结的闽值电压为多少?改用材料,常温下本征流子浓 度n1=2. 4x10%nf3若其他参数不变,则PN结的值电压为多少?要计算理想的硅基PN结在不同偏压下的电流密度,我们可以使用Shockley方程和物 理参数给定的数据。首先,计算理论值的反向饱和电流密度(IS):IS = q * nl * Dn * A (屋(q*V/kt) - 1)其中,q是电子电荷量,约为1.6x107-19) C; nl是本征载流子浓度;Dn是电子的 扩散系数;A是PN结的
4、交叉面积。假设PN结的交叉面积A为1 c/2,则可以计算反向饱和电流密度IS。IS =(1.6x107-19) C) (1. 5x1010cm7-3) (12.8 cnf 2/s) (1 cnf2) *(e70V/(1.38x107-23) J/K*300K) - 1)- 2. 59x107-12) A/cnf2接下来,我们可以使用Shockley方程计算PN结在不同偏压下的正向和反向电流密度。正向电流密度(JF):JF = q * A * (np - ni/2 * exp(qV/kt)心q * A * np (对于p区浓度远大于n区浓度的情况)反向电流密度(JR):JR = q * A *
5、(ni/2 * exp(qV/kt) - np)其中,np是PN结中的载流子浓度,ni是硅的本征载流子浓度,V是PN结的偏压, k是玻尔兹曼常数,T是绝对温度。计算不同偏压下的正向和反向电流密度:1 .当PN结两端偏压为0. 7V时:np = NA 5xl017 cnf (-3)ni sqrt (nl * NA)心 sqrt (1. 5x10 10 cm (-3) * 5x10 17 cm (-3) % 7. 75x10 13 cnf (-3)JF = (1.6x107-19) C) (1 cnT2) * (5x1017 cnT(-3) - 8x108 A/c/2JR =(1.6x107-19
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