《半导体物理学》习题库

第 1 章 思考题和习题 1. 300K 时硅的晶格常数 a=5.43，求每个晶胞内所含的完整原子数 和原子密度为多少？ 2. 综述半导体材料的基本特性及 Si、GaAs 的晶格结构和特征。 3. 画出绝缘体、半导体、导体的简化能带图，并对它们的导电性能 作出定性解释。 4. 以硅为例，简述半导体能带的形成过程。 5. 证明本征半导体的本征费米能级 Ei位于禁带中央。 6. 简述迁移率、扩散长度的物理意义。 7. 室温下硅的有效态密度 Nc=2.81019cm-3, T=0.026eV,禁带宽度 Eg=1.12eV，如果忽略禁带宽度随温度的变化，求： （a） 计算 77K、300K、473K 3 个温度下的本征载流子浓度。 （b） 300K 本征硅电子和空穴的迁移率分别为 1450cm2/Vs 和 500cm2/Vs，计算本征硅的电阻率是多少？ 8. 某硅棒掺有浓度分别为 1016/cm3和 1018/cm3的磷，求室温下的载 流子浓度及费米能级 EFN的位置（分别从导带底和本征费米能级算起） 。 9. 某硅棒掺有浓度分别为 1015/cm3和 1017/cm3的硼，求室温下的载 流子浓度及费米能级 EFP的位置（分别从价带顶和本征费米能级算起） 。 10. 求室温下掺磷为 1017/cm3的 N+型硅的电阻率与电导率。 11. 掺有浓度为 31016cm-3的硼原子的硅，室温下计算： 2 （a） 光注入n=p=310 12 cm-3的非平衡载流子，是否为小 注入？为什么？ （b） 附加光电导率 为多少？ （c） 画出光注入下的准费米能级 EFN和 EFP(Ei为参考)的位 置示意图。 （d） 画出平衡下的能带图，标出 EC、E V、 EFP、 Ei能级的位置， 在此基础上再画出光注入时，E FP和 EFN，并说明偏离 EFP的程度是 不同的。 12. 室温下施主杂质浓度 ND=41015 cm-3的 N 型半导体，测得载流 子迁移率 n=1050cm2/Vs， p=400 cm2/Vs, T/q=0.026V,求 相应的扩散系数和扩散长度为多少？ 第 2 章 思考题和习题 1简述结空间电荷区的形成过程和动态平衡过程。 2画出平衡结，正向结与反向结的能带图，并进行比 较。 3如图-所示，试分析正向小注入时，电子与空穴在个区 域中的运动情况。 4仍如图-为例试分析 PN 结加反向偏压时，电子与空穴在 个区域中的运动情况。 3 5 试画出正、反向 PN 结少子浓度分布示意图，写出边界少子浓度及 少子浓度分布式，并给予比较。 6. 用平衡 PN 结的净空穴等于零的方法，推导出突变结的接触电动 势差 UD表达式。 7简述正反向 PN 结的电流转换和传输机理。 8何为正向 PN 结空间电荷区复合电流和反向 PN 结空间电荷区的产 生电流。 9写出正、反向电流_电压关系表达式，画出 PN 结的伏安特性曲线， 并解释 pN 结的整流特性特性。 10推导硅突变结空间电荷区电场分布及其宽度表达式。并画出示 意图。 11推导线性缓变变结空间电荷区电场分布及其宽度表达式。并画 出示意图。 12什么叫 PN 结的击穿与击穿电压，简述 PN 结雪崩击穿与隧道击 穿的机理，并说明两者之间的不同之处。 13如何提高硅单边突变结的雪崩击穿电压？ 14如何提高线性缓变结的雪崩击穿电压？ 15如何减小 PN 结的表面漏电流？ 16什么叫 PN 结的电容效应、势垒电容和扩散电容？ 4 17什么叫做二极管的反向恢复过程和反向恢复时间？提高二极管 开关速度的途径有哪些？ 18以 N 型硅片为衬底扩硼制备 PN 结，已知硼的分布为高斯函数分 布，衬底浓度 ND=11015/cm3，在扩散温度为 1180下硼在硅中的 扩散系数 D=1.510-12cm2/s，扩散时间 t=30min，扩散结深 Xj- =2.7m。试求：扩散层表面杂质浓度 Ns？结深处的浓度梯度 aj？接触电势差 UD？ 19. 有两个硅 结，其中一个结的杂质浓度 ,PNcmD3150 ;另一个结的 ， ，求室温cmNA31705cmD31905cNA3175 下两个 PN 结的接触电动势差。并解释为什么杂质浓度不同，接触电 动势差的大小也不同。 20. 计算一硅 PN 结在 300K 时的内建电场， ，cmNA3180 。cmND3150 21. 已知硅 PN 结： ，,10,1053636ccmNDAscn21 ， 截面积 ，求scP21,1057snP 24 理想饱和电流 ？J 外加正向电压为 时的正向电流密度 ？V. J 电子电流与空穴电流的比值？并给以解释。 22. 仍以上题的条件为例，假设 计算 反向偏压时的产,pngV4 生电流密度。 23. 最大电场强度（T=300K）？求反型电压 300 时的最大电场强 度。 5 24. 对于一个浓度梯度为 的硅线性缓变结，耗尽层宽度为cm4201 。计算最大电场强度和结的总电压降。m5.0 25. 一硅 N 结，其 ，面积 计P cNcDA3153190,0 ,1023cmA 算反向偏压 分别等于 和 的么势垒电容 、空间电荷区宽度UV5CT 和最大电场强度 。XMEM 26. 计算硅 结的击穿电压，其 （利用简化式） 。PNcmND3160 27. 在衬底杂质浓度 的 型硅晶片上进行硼扩散，形cD3165 成 结,硼扩散后的表面浓度 结深 。试求结深,8S 5Xj 处的浓度梯度 ，施加反向偏压 时的单位面积势垒电容和击穿电aj V5 压 。UB 28. 设计一 突变结二极管。其反向电压为 ，且正向偏压为PNV130 时的正向电流为 。并假设 。V7.0mA2. sp70 29. 一硅 N 结， ，求击穿时的耗尽层宽度，若 区减cD3150 N 小到 计算击穿电压并进行比较。m5 30. 一个理想的硅突变结 ，求计算 、cmNcDA3153180,K250 、 、 下的内建电场 ，并画出 对温度 的关系曲K304K50UT 线。用能带图讨论所得结果。求 下零偏压的耗尽层宽度和K3 最大电场。 第 3 章 思考题和习题 1. 画出 PNP 晶体管在平衡和有源工作模式下的能带图和少子分布示 意图。 2. 画出正偏置的 NPN 晶体管载流子输运过程示意图，并解释电流传 6 输和转换机理。 3. 解释发射效率 0和基区输运系数 0 的物理意义。 4. 解释晶体管共基极直流电流放大系数 ，共发射极直流电流放 大系数 的含义，并写出 、 、 0和 0 的关系式。 5. 什么叫均匀基层晶体管和缓变基区晶体管？两者在工作原理上有 什么不同？ 6. 画出晶体管共基极、共发射机直流输出、输出特性曲线、并讨论 它们之间的异同。 7. 晶体管的反向电流 、 、 是如何定义的？写出 与 之间的关系式并加以讨论。 8. 晶体管的反向击穿电压 、 、 是如何定 义的？写出 与 之间的关系式，并加以讨论。 9. 高频时晶体管电流放大系数下降的原因是什么？ 10. 描写晶体管的频率参数主要有哪些？它们分别的含义是什么？ 11. 影响特征频率 的因素是什么？如何特征频率 ？ 12. 画出晶体管共基极高频等效电路图和共发射极高频等效电路图。 13. 大电流时晶体管的 、 下降的主要原因是什么？ 14. 简要叙述大注入效应、基区扩展效应、发射极电流集边效应的 机理。 15. 什么叫晶体管最大耗散功率 ？它与哪些因素有关？如何减 少晶体管热阻 ？ 7 16. 画出晶体管的开关波形，图中注明延迟时间 、上升时间 、储存时间 、下降时间 ，并解释其物理意义。 17. 解释晶体管的饱和状态、截止状态、临界饱和和深饱和的物理 意义。 18. 以硅平面为例，当发射结正偏、集电结反偏状态下，分 别说明从发射极进入的电子流，在晶体管的发射区、发射结势垒区、 基区、集电结势垒和集电区的传输过程中，以什么运动形式（指扩 散或漂移）为主。 19. 试比较 、 、 的相对大小。 20. 画出晶体管饱和态时的载流子分布，并简述超量存储电荷的消 失过程。 21. 画出普通晶闸的基本结构图，并简述其基本工作原理。 22. 有一低频小功率合金晶体管，用 N 型 Ge 作基片，其电阻率为 1.5 cm，用烧铟合金方法制备发射区和集电区，两区掺杂浓度约为 31018/cm3，求 ro（已知 Wb=50 ，L ne=5 ） 。 m 23. 某一对称的 P+NP+锗合金管，基区宽度为 5 ，基区杂质浓度为 51015cm-3，基区空穴寿命为 10 （A E=AC=10-3cm2） 。计算在s UEB=0.26V、U CB=-50V 时的基极电流 IB？求出上述条件下的 0和 0（r 01） 。 24. 已知均匀基区硅 NPN 晶体管的 0=0.99，BU CBO=150V,Wb=18.7 ，基区中电子寿命 b=1us（若忽略发射结空间电荷区复合和基m 区表面复合） ，求 0、 0、 0*和 BUCEO（设 Dn=35cm2/s). 8 25. 已知 NPN 双扩散外延平面晶体管，集电区电阻率 c=1.2cm， 集电区厚度 Wc=10 ，硼扩散表面浓度 NBS=51018cm-3，结深m Xjc=1.4 。求集电极偏置电压分别为 25V 和 2V 时产生基区扩展效 应的临界电流密度。 26. 已知 P+NP 晶体管，其发射区、基区、集电区德杂质浓度分别为 51018cm-3、210 16cm-3、110 15cm-3，基区宽度 Wb=1.0 ，器件m 截面积为 0.2mm2,当发射结上的正向偏压为 0.5V，集电结反向偏压 为 5V 时，计算：（1）中性基区宽度？（2）发射结少数载流子浓度？ 27. 对于习题 26 中的晶体管，少数载流子在发射区、基区、集电区 德扩散系数分别为 52cm2/s、40cm 2/s、115cm 2/s，对应的少数载流 寿命分别为 10-8s、10 -7s、10 -6s，求晶体管的各电流分量？ 28. 利用习题 26、习题 27 所得到的结果，求出晶体管的端点电流 IE、 IC和 IB 。求出晶体管的发射效率、基区输运系数、共基极电流 增益和共发射极电流增益，并讨论如何改善发射效率和基区运输系 数？ 29. 判断下列两个晶体管的最大电压的机构是否穿通： 晶体管 1:BUCBO=105V；BU CEO=96V；BU EBO=9V；BU CES=105V (BUCES为基极发射极短路时的集电极 发射极击穿电压) 晶体管 2：BU CBO=75V； BU CEO=59V； BU EBO=6V。 30. 已知 NPN 晶体管共发射极电流增益低频值 0=100，在 20MHz 下 测得电流增益|=60。求工作频率上升到 400MHz 时， 下降到多 9 少？计算出该管的 和 T。 31. 分别画出 NPN 晶体管小注入和大注入时基区少子分布图，简述 两者的区别于原因。 32. 硅 NPN 平面晶体管，其外延厚度为 10m，掺杂浓度 N=1015.cm- 3，计算|U CB|=20V 时，产生有效基区扩展效应的临界电流密度。 33. 晶体管处于饱和状态时 IE=IC+IB的关系式是否成立？画出少子 的分布与电流传输图，并加以说明。 34. 对于具有同样几何形状、杂质分布和少子寿命的硅和锗 PNP、NPN 管，哪一种晶体管的开关速度最快？为什么？ 35. 硅 NPN 平面管的基区杂质为高斯分布，在发射区表面的受主浓 度为 1019 cm-3，发射结构深度为 0.75，集电结结深为 1.5，集电区杂质浓度为 1015 cm-3，试求其最大集电极电流浓度？ 36. 硅晶体管的集电区总厚度为 100，面积为 10-4cm2，当集电 极电压为 10V 电流为 100mA 时，其结温与管壳温度之差为几度（忽 略其他介质的热阻）？ 37. 硅 NPN 晶体管的基区平均杂质浓度为 51017cm-3，基区宽度为 2，发射极条宽为 12，=50,如果基区横向压降为 kT/q，求发 射极最大电流密度。 38. 在习题 37 中晶体管的 T为 800MHz，工作频率为 500MHz，如果 通过发射极的电流浓度为 3000A/cm2，则其发射极有效条宽应为多少？ 10 第 4 章 思考题和习题 1. 试画出 UG =0 时，P 衬底的 SiO2栅极的 MOS 二级管能带图。 2. 试画出 P 型衬底的理想 MOS 二极管不同偏压下对应截流子积累、 耗尽及强反型的能带图及电荷分布示意图。 3. 试画出 SiO2Si 系统的电荷分布图。 4. N 沟和 P 沟 MOS 场效应晶体管有什么不同？概述其基本工作原理。 5. 制作 N 沟增强型 MOS 管衬底材料的电阻率与制作 N 沟耗尽型 MOS 管衬底的电阻率，哪个选的应高一些，为什么？ 6. MOS 场效应晶体管的阈值电压 UT值电压受那些因素的影响？其中 最重要的是哪个？ 7. MOS 场效应晶体管的输出特性曲线可分为哪几个区？每个区所对 应的工作状态是什么？ 8. 用推导 N 沟 MOS 器件漏电流表示式的方法，试推导出 P 沟 MOS 器 件的漏电流表示式。 9. 为什么 MOS 场效应晶体管的饱和电流并不完全饱和？ 10. MOS 场效应晶体管跨导的物理意义是什么？ 11. 如何提高 MOS 场效应晶体管的频率特性？ 12. MOS 场效应晶体管的开关特性与什么因素有关？如何提高其开 关速度？ 13. 短沟道效应对 MOS 场效应晶体管特性产生什么影响？ 11 14. 已知 P 沟 MOS 器件的衬底杂质浓度 ND=51015cm-3，栅氧化层厚 度 tOX=100nm，栅电极材料为金属铝，测得器件的 值电压 Ug=- 2.5V。试计算 SiO2中的正电荷密度 QOX；若加上衬底偏置电压 UBS=10V， 值电压漂移多少？分别计算 UBS为 0V、10V 时最大耗尽 层宽度？ 15. 已知 N 沟 MOS 器件的衬底杂质浓度 NA=51015cm-3，栅极为金属 铝，栅氧化层厚度 tOX=150nm，SiO 2中的正电荷密度 QOX=11022q/cm2（q 为电子电荷），试求该管的阈值电压 UT？并说 明它是耗尽型还是增强型的？ 16. 如果一个 MOS 场效应晶体管的 UT=0V，U GS=4V，I DS=3mA 时，MOS 管是否工作在饱和区？为什么？ 17. 在掺杂浓度 NA=1015cm-3P 型 Si 衬底上制作两个 N 沟 MOS 管，其 栅 SiO2层的厚度分别为 100nm 和 200nm，若 UGS-UFB=15V，则 为 多少时，漏极电流达到饱和？ 18. 已知 N 沟 MOS 器件具有下列参数：N A=10 1 cm- 3， cm 2/.，t OX=10nm，沟道宽度 ，U T=0V。试计算 UGS=4V 时的跨导 ；若已知 QOX=51010C/cm2，试计算 UGS=4V，U DS=10A 时的器件的饱和漏电导 gDsat；试计算器件的截止频率 fT？ 19. 已知 N 沟 MOS 器件 NA=10 1 cm-3，t OX=150nm，试 计算 UGS=0V 时，器件的漏源击穿电压，并解释击穿受什么限制。 20. 定性说明在什么情况下 MOS 场效应晶体