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. kEhm21*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 .GaAs 为GeSi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 .GaAs
2、i1.10 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()(1082.425Tdni kEgmn两种半导体除禁带以外的其他性质相同0 在高温环境下 更合适)9.exp()(0.31.21TknTk.21n2n1.11 在 300K 下硅中电子浓度 ,计算硅中空穴浓度 ,画出半导体能带图,30cn0p判断该半导体是 n 型还是 p 型半导体.解 是 p 型半导体31732100220 05.)5( mpii
3、0n1.16 硅中受主杂质浓度为 ,计算在 300K 下的载流子浓度 和 ,计算费米能级17cm相对于本征费米能级的位置,画出能带图.解 T=300K3170cNpAi该半导体是 p 型半导体3025.ni 0)15.ln(29.)l(070iFPi pKTE1.27 砷化镓中施主杂质浓度为 ，分别计算 T=300K、400K 的电阻率和电导率。3160cm解 3160cNnDinKTc40236 02npniio电导率 ，电阻率pnq0011.40 半导体中载流子浓度 ,本征载流子浓度 ,34cm310cmni非平衡空穴浓度 ,非平衡空穴的寿命 ,计算电子-空穴的复合率,计31 s60算载流
4、子的费米能级和准费米能级.解 因为是 n 型半导体tpNC10 cmnpRto190)l(0iiFnkTE )l(ioFpi npkTE2.2 有两个 pn 结,其中一个结的杂质浓度 ,另一个结3173150,0cmNcNAD的杂质浓度 ,在室温全电离近似下分别求它们的接触3193175,05mcNAD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 可知 与 和 有关,所以杂质浓度不同接触电势)ln(2iDqkTVVAD差也不同.2.5 硅 pn 结 ,分别画出正偏 0.5V、反偏 1V 时的能带图.3173160,05cmNcNAD解 .30nKTi=21067611
5、9232 )5.(ln06.8)l( iDADqkV V210.8正偏: 1908.7反偏: 19196.2)(RDVq2.12 硅 pn 结的杂质浓度分别为 ,n 区和 p 区的宽度3153170,0cmNcNAD大于少数载流子扩散长度, ,结面积=1600 ,取spn12m,计算cmDscpn /3,/252(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) 3105.30cnKTispn61 2526.cmA
6、sdAIJ)ex(0kTqVJd nppnLqDJ000pnnDL0lnd(2) 3lnl3l00qkTJqkTVdd(3) . .314cmnKi2.14 根据理想的 pn 结电流电压方程，计算反向电流等于反向饱和电流的 70%时的反偏电压值。解 7.0,1)exp(ododJkTqVJ2.22 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 VNVDB601643(2) 213 354 1,06cmDB)/(52scqnn得由2.24 硅突变 pn 结 ,设 pn 结击穿时的最大电场为3163180
7、5.,0cNNDA,计算 pn 结的击穿电压.cmVEc/105解 突变结反向击穿电压 DArBEq,21202.25 在杂质浓度 的硅衬底上扩散硼形成 pn 结,硼扩散的便面浓度为31502cmND,结深 ,求此 pn 结 5V 反向电压下的势垒电容.3180cmNA解 31)(2VqaCDoT2.26 已知硅 结 n 区电阻率为 ,求 pn 结的雪崩击穿电压,击穿时的耗尽区宽度和pcm最大电场强度.（硅 pn 结 ，锗 pn 结 ）136045.8Ci 134025.6cmCi解 nnqq1 nNVDB,43181)(0iDcqEcBcBEWV223.5 以 npn 硅平面晶体管为例,在放
8、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。(5)共发射极电流增益。器件 基区杂质浓度 基区宽度ABC解 (1) CBABENBPxWD ,
9、1(2) TCBTAnBrTrnBBT DWL 21,2)(2 00(3) ptCtBptACpt VNxV0(4) TBTAADTqACBDN)(221(5)3.9 硅 npn 晶体管的材料参数和结构如下：发射区 基区 集电区EENWp， BnBWN, pCN,计算晶体管的发射结注入效率 ，基区输运系数 ，计算复合系数 ，并由VET5.0,此计算晶体管的共发射极电流放大系数 。解 1,T BbsrBEsrnBTEnBp WnqDJJkTqVJDWN 00i002 ,2n)2exp(1, 其 中3.13 已知 npn 非均匀基区晶体管的有关参数为 ,电子扩散系数mxjejc3,5,本征基区方块
10、电阻 ,计算其电流放大系数scmDnn1,/82 ,20sEsBR.、解 基区输运系数 （基区宽度 ，基区少子扩散长度21nBTLWjejcBx） ,发射结注入效率 ( & 发射区和基区的方块电阻)nnBDLsERsB发射结复合系数 1共基极直流电流放大系数 =0.9971T共发射极直流电流放大系数 =352.14893.34 硅晶体管的标称耗散功率为 20W,总热阻为 ,满负荷条件下允许的最高环境温WC/5度是多少?（硅 ，锗 ）CTjm20Tjm10解 最大耗散功率 满负荷条件下有TajMRPCMTjPR，其中CTjmaTjm/5,203.39 晶体管穿通后的特性如何变化?某晶体管的基区杂
11、质浓度 ,集电区的杂3190cmNB质浓度 ,基区的宽度 ,集电区宽度 ,求晶体管的击3150cmNC mWB3.0mWC10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 ，冶金基区的扩展CBBpt NxV)(20 BCBx4.1 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时也需要外加偏置电压，即在栅-源极间加一负电压( )，使栅-源极间的 结反偏，栅极电流 ，场效应管呈现很高的输入电0GSVnp0G
12、i阻(高达 108 左右)。在漏-源极间加一正电压( )，使 N 沟道中的多数载流子电子DSV在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流 。 的大小主要受栅-源电压i控制，同时也受漏-源电压 的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-GSVDSV源电压 vGS 对漏极电流 （或沟道电阻）的控制作用，以及漏-源电压 对漏极电流i DSV的影响。Di4.3 n 沟道 JFET 有关材料参数和结构是： ，沟道宽度是3153180,0cmNcDAZ=0.1mm，沟道长度 ，沟道厚度是 ，计算(1)栅 结的接触电势差；mL20a42np(2)夹断电压；(3)冶金沟道电导；(4) 和 时的沟道
13、电导(考虑空间电荷区使GSVDS沟道变窄后的电导)。解 (1) (2) (3)2lniDADNqkTV20aqpLZaNq/0(4)若为突变 结，p )()(A21 DDn npqVsW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 漂移区之间形成的 pn 结反偏，漏源极之间无电流流过。1J导电：在栅源极间加正电压 ，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正GSV电压会将其下面 p 区中的空穴推开，而将 p
14、 区中的少子-电子吸引到栅极下面的 p 区表面，当 大于 （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，GSVT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 消失，漏极和1J源极导电。4.15 已知 n 沟道 MOSFET 的沟道长度 ，沟道宽度 ，栅氧化层厚度mL10mW40，阈值电压 ，衬底杂质浓度 ，求栅极电压等于 7Vmtax150VT3319cNA时的漏源饱和电流。在此条件下， 等于几伏时漏端沟道开始夹断？计算中取DS。)/(62scn解 饱和漏源电流 ， ，2)(2TGSaxnDsat VLCWI0,raxaxtVGS7T
15、asDSV4.16 在 的 p 型硅衬底上，氧化层厚度为 70nm， 层等效电荷面3150cmNA 2OSi密度为 ，计算 MOSFET 的阈值电压。23解 阈值电压 axdAiTCqNnkVm)l(， ，耗尽区宽度最大值)ln(iAfpNqk)l(iDfnq )4(0maxAdqNfp单位面积氧化层电容 axaxt04.19 用 的 n 沟道 MOSFET 作为可变电阻，要)/(6,8,/ 2sVcnmtLWax获得 的电阻，沟道电子浓度应为多少 ？ 应为多少？对 有什么要求？k5.2 TGSGSV解 跨导 cmFtCLVg raxaxTGSm /1085.,7.1,),( 400n 其 中
16、5.2 T=300K，n 型硅衬底杂质浓度为 ，绘出平衡态金 -硅接触能带图，计316cmND算肖特基势垒高度 、半导体侧的接触电势差 、空间电荷区厚度 W。0BbiV解 (1) (2) (3)xmB0 smbiV21)(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 、半导体侧的接触电势差 。0Bbi解 xmB0smbiV5.10 T=300K，n 型硅衬底杂质浓度为 ，计算金属铝- 硅肖特基接触平衡3150cmND态的反向电流 、正偏电压为 5V 时的电流。计算中取理查森常数 。sTJ 2*264Kc
17、mA解 xkTqAkqA BBBsT 0002*2* ,),exp()exp(1VJs5.13 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 eVEkTehcgg42.1,324.1max gEeV24.1minminax21c6.6 T=300K，考虑一个硅 pn 结光电二极管，外加反向偏压 6V，稳态光产生率为，pn 结参数为：13210scGL。计ssscDscN pnpnAD 7070
18、2235 1,5,/1,/,8 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 qNGWNqkTVLp biiAbipnn )V(,ln, 200 反 向稳态光电流密度 )(pnLWqGI0259.,106.,7.19qkTNA6.8 利用带隙工程，镓 -铝-砷( )和镓- 砷-磷( )可获得的最大辐射光波slax1 xPGaAs1长的值是多少？解 gg EhceVxE24.),(247.1. 6.9 分别计算镓-铝-砷( )和镓- 砷-磷( )当 x=0.3 时辐射光的波长。AslGax1 xPGaAs1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
19、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
20、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(0kTqVJd禁带宽度 /eVgE迁移率/300K, )/(2sVcm半导体300K 0K 电子 空穴相对介电常数 r电子亲和势 x/eV本征载流子浓度 /in3cmGe 0.66 0.7437 3900 1900 16.0 4.0 105.2Si 1.12 1.170 1350 500 11.6 4.05GaAs 1.42 1.519 8500 400 13.1 4.07 6功函数：Ag4.26，Au5.1，Al4.28，Ga4.2，As3.75，Ti4.33，Si4.85电子电荷 ， ，普朗克常数1906.q0259./qkT sJh1062.34
