半导体器件原理简明教程习题答案傅兴华

半导体器件原理简明教程习题答案半导体器件原理简明教程习题答案 傅兴华傅兴华 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 k E hm k 2 1 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 GaAs 为 Ge Si 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 Ge Si 1 101 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 4 2 0 15 T dpdn i k Eg m mm n 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 1 exp exp exp 0 3 1 1 2 1 Tk k kn n T T T k 9 1 21 nn 2 n 1 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 33 0 102 cmn 0 p 判断该半导体是 n 型还是 p 型半导体 解 是 p 型半导体 317 3 210 0 2 0 2 00 10125 1 102 105 1 p cm n n npn i i 00 np 1 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 317 10 cm0 n 0 p 相对于本征费米能级的位置 画出能带图 解 T 300K 317 0 10 cmNp A 2 00i npn 310 105 1 cmni 该半导体是 p 型半导体 33 0 2 0 1025 2 cm p n n i 00 np 105 1 10 ln 0259 0 ln 10 17 0 i FPi n p KTEE 1 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 316 10 cm 解 316 0 10 cmNn D i i nKT cmnKT 400 102300 36 0 0 2 n n pnpn i ioo 电导率 电阻率 pn qpqn 00 1 1 40 半导体中载流子浓度 本征载流子浓度 314 0 10 cmn 310 10 cmni 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 313 10 cmp sn 6 0 10 算载流子的费米能级和准费米能级 解 因为是 n 型半导体 tpN C n 1 0 cm n p pNCR to 19 0 10 ln 0 i iFn n pn kTEE ln i o Fpi n pp kTEE 2 2 有两个 pn 结 其中一个结的杂质浓度 另一个结 317315 105 105 cmNcmN AD 的杂质浓度 在室温全电离近似下分别求它们的接触 319317 105 105 cmNcmN AD 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 2 i DA D n NN q kT V D V A N D N 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 317316 10 105 cmNcmN AD 解 310 105 1300 cmnKT i 210 617616 19 23 2 105 1 101010105 ln 106 1 3001038 1 ln i DA D n NN q kT VV 2 1002 8 正偏 19 19 108 0 1037 0 qV VVq D 反偏 19 19 106 1 10728 1 R RD Vq VVq 2 12 硅 pn 结的杂质浓度分别为 n 区和 p 区的宽度 315317 101 103 cmNcmN AD 大于少数载流子扩散长度 结面积 1600 取s pn 1 2 m 计算scmDscmD pn 13 25 22 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 1 310 105 1300 cmnKT i ss pn 6 101 252 106 11600cmmAs s d d A I J exp 0 kT qV JJd n pn p np L nqD L pqD J 00 0 ppp DL nnn DL 0 ln J J q kT V d 2 3lnln 3 ln 00 q kT J J q kT J J q kT V dd 3 313 10400 cmnKT i 2 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 o d od J J kT qV JJ 2 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VNV DB 60106 4 3 13 2 213 3 52 4 3 102 300106 cmNVNV DDB 1350 11 2 scm qn n n 得由 2 24 硅突变 pn 结 设 pn 结击穿时的最大电场为 316318 105 1 105 cmNcmN DA 计算 pn 结的击穿电压 cmVEc 105 5 解 突变结反向击穿电压 DA DAr B NN NN NE qN V 2 1 2 0 0 2 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 315 102 cmND 结深 求此 pn 结 5V 反向电压下的势垒电容 318 10 cmNAm 5 解 3 1 12 2 VV qa AC D o T 2 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np cm 1 最大电场强度 硅 pn 结 锗 pn 结 136 1045 8 cmCi 134 1025 6 cmCi 解 n n qn qn 11 nNNV DDB 106 4 3 13 8 1 8 0 i D c C qN E c B cB E V WWEV 2 2 1 3 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 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 CBABB ENBE BPEB xW WDN WDN 1 2 TCTBTA nB rB T r nB nBnB B NB B T D W D W L W 2 1 1 2 1 2 1 1 0 2 0 2 2 3 ptCptBptA C BCBB pt VVV N NNNx V 2 0 2 4 TBTCTA AD AD D T CCC NN NN VV q AC BD B0 NN N 2 2 1 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 EE NW pp BnnB WN ppC N 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 VVBE T 55 0 此计算晶体管的共发射极电流放大系数 解 1 T B bB sr BE s r nBnB B T EnBE BpEB W nqD JJ kT qV J J D W WDN WDN 0 0 i 0 0 0 2 2 Wqn 2 exp 1 1 2 1 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mxmx jejc 3 5 本征基区方块电阻 计算其电流放大系数sscmD nn 1 8 2 5 2500 sEsB RR 解 基区输运系数 基区宽度 基区少子扩散长度 2 2 1 nB B T L W jejcB xxW 发射结注入效率 发射区和基区的方块电阻 nnnB DL sB sE R R 1 sE R sB R 发射结复合系数1 共基极直流电流放大系数 0 9971 T 共发射极直流电流放大系数 352 1489 1 3 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 CTjm 200 CTjm 100 解 最大耗散功率 满负荷条件下有 T ajm CM R TT P CMTjma PRTT 其中 CMTjma PRTT WCRCT Tjm 5 200 3 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 集电区的杂 319 10 cmNB 质浓度 基区的宽度 集电区宽度 求晶体管的击 315 105 cmNC mWB 3 0 mWC 10 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 C BCBB pt N NNNx V 2 0 2 BCB WWx 4 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0 GS Vnp 0 G 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 0 DS V 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 D i D 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 GS V DS V 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 D i DS V 的影响 D i 4 34 3 n 沟道 JFET 有关材料参数和结构是 沟道宽度是 315318 10 10 cmNcmN DA Z 0 1mm 沟道长度 沟道厚度是 计算 1 栅结的接触电势差 mL 20 ma 42 np 2 夹断电压 3 冶金沟道电导 4 和时的沟道电导 考虑空间电荷区使0 GS V0 DS V 沟道变窄后的电导 解 1 2 3 2 ln i DA D n NN q kT V 2 0 0 2 a qN V D p LZaNqG D 2 0 4 若为突变结 np 2 A 0 2 1 D D D n NnpNpn qN VV sW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 解解 见旁边图 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 1 J 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 GS V 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 GS V T V 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 1 J 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mL 10 mW 400 阈值电压 衬底杂质浓度 求栅极电压等于 7Vnmtax150 VVT3 314 109 cmNA 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 V 600 2 sVcm n 解 饱和漏源电流 2 2 TGS axn Dsat VV L CW I 0 rax ax ax ax t C VVGS7 TasDS VVV 4 16 在的 p 型硅衬底上 氧化层厚度为 70nm 层等效电荷面 315 10 cmNA 2 OSi 密度为 计算 MOSFET 的阈值电压 211 103 cm 解 阈值电压 ax dA i A T C xqN n N q kT V max ln 2 耗尽区宽度最大值 ln i A fp n N q kT ln i D fn n N q kT 4 0 max A d qN x fp 单位面积氧化层电容 axax ax ax tt C 0 4 19 用的 n 沟道 MOSFET 作为可变电阻 要 600 80 8 2 sVcmnmtLW nax 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 TGS VV GS V 解 跨导 cmF tt C L C VVg r ax r ax ax ax ax TGSm 1085 8 7 11 W 4 0 0n 其中 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 316 10 cmND 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 0B bi V 解 1 2 3 x mB 0smbi V 2 1 2 0 D bi n qN V xW 5 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 0B bi V 解 x mB 0smbi V 5 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 315 105 cmND 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 sT J 22 264 KcmAA 解 x kT q TA kT q TAJ mBBB BB sT 00 0 2 2 exp exp 1 exp kT qV JJ sT 5 13 分别绘出 GaAlAs GsAs 半导体 Pn 结和 Np 结的平衡能带图 解解 见旁边图 见旁边图 6 3 假定 GaAs 导带电子分布在导带底之上 0 3 2 kT 范围内 价带空穴分布在价带顶之上 0 3 2 kT 范围内 计算辐射光子的波长范围和频带宽度 解 eVE kTE eV E hc g g 42 1 3 24 1 max g E eV24 1 min minmax 21 cc VVV 6 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 13211 10 scmGL 计 ssscmDscmDcmNN pnpnAD 7 0 7 0 22315 10 105 10 25 108 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 qN G W n NN q kT VDLpDL bi i AD bippnnn V 2 ln 2 00 反向 稳态光电流密度 pnLL LLWqGI 0259 0 2 106 1 7 11 19 q kTN Nq A 6 8 利用带隙工程 镓 铝 砷 和镓 砷 磷 可获得的最大辐射光波AsAlGa xx 1xxP GaAs 1 长的值是多少 解 gg g EE hc xeVxE 24 1 1 247 1 424 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 As