半導(dǎo)體器件原理簡明教程習(xí)題標(biāo)準(zhǔn)答案傅興華

1、 10/10半導(dǎo)體器件原理簡明教程習(xí)題標(biāo)準(zhǔn)答案傅興華 半導(dǎo)體器件原理簡明教程習(xí)題答案 傅興華 1.1 簡述單晶、多晶、非晶體材料結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn). 解 整塊固體材料中原子或分子的排列呈現(xiàn)嚴(yán)格一致周期性的稱為單晶材料。 原子或分子的排列只在小范圍呈現(xiàn)周期性而在大范圍不具備周期性的是多晶材料。 原子或分子沒有任何周期性的是非晶體材料. 1.6 什么是有效質(zhì)量，根據(jù)E(k)平面上的的能帶圖定性判斷硅鍺和砷化鎵導(dǎo)帶電子的遷移率 的相對(duì)大小. 解 有效質(zhì)量指的是對(duì)加速度的阻力.k E h m k ?=2 1*1 由能帶圖可知,Ge 與Si 為間接帶隙半導(dǎo)體,Si 的Eg 比Ge 的Rg 大，所以Ge Si

2、 .GaAs 為直接帶隙半導(dǎo)體,它的躍遷不與晶格交換能量,所以相對(duì)來說GaAs Ge Si . 1.10 假定兩種半導(dǎo)體除禁帶寬度以外的其他性質(zhì)相同,材料1的禁帶寬度為1.1eV,材料2 的禁帶寬度為 3.0eV,計(jì)算兩種半導(dǎo)體材料的本征載流子濃度比值,哪一種半導(dǎo)體材料更適合制作高溫環(huán)境下工作的器件? 解 本征載流子濃度:)exp( )( 1082.42 15 T dp dn i k Eg m m m n ?= 兩種半導(dǎo)體除禁帶以外的其他性質(zhì)相同 )9.1exp()exp()exp(0.31.121T k k k n n T T =- T k 9.10 21n n 在高溫環(huán)境下2n 更合適 1

3、.11在300K 下硅中電子濃度330102-?=cm n ,計(jì)算硅中空穴濃度0p ,畫出半導(dǎo)體能帶圖,判 斷該半導(dǎo)體是n 型還是p 型半導(dǎo)體. 解 3 173 21002 02 0010125.1102)105.1(p -?=?=cm n n n p n i i 00n p 是p 型半導(dǎo)體 1.16硅中受主雜質(zhì)濃度為31710-cm ,計(jì)算在300K 下的載流子濃度0n 和0p ,計(jì)算費(fèi)M 能級(jí)相 對(duì)于本征費(fèi)M 能級(jí)的位置,畫出能帶圖. 解 3 17 010-=cm N p A 2 00i n p n = T=300K 310105.1-?=cm n i 330 2 01025.2-?=cm

4、 p n n i 00n p 該半導(dǎo)體是p 型半導(dǎo)體 )105.110ln(0259.0)ln(10 17 0?=-i FP i n p KT E E 1.27砷化鎵中施主雜質(zhì)濃度為31610-cm ，分別計(jì)算T=300K 、400K 的電阻率和電導(dǎo)率。 解 3 16 010-=cm N n D =?=?=?=-i i n K T cm n K T 4001023003 60 02 n n p n p n i i o o = ?= 電導(dǎo)率p n qp qn 00+=，電阻率 1= 1.40半導(dǎo)體中載流子濃度314010-=cm n ,本征載流子濃度31010-=cm n i , 非平衡空穴濃度

5、3 13 10-=cm p ,非平衡空穴的壽命s n 6 010-=,計(jì)算電子-空穴的復(fù)合率,計(jì)算載流子的費(fèi)M 能級(jí)和準(zhǔn)費(fèi)M 能級(jí). 解 因?yàn)槭莕 型半導(dǎo)體 t p N C n 1 0= cm n p p N C R t o 190 10= )ln( 0i i Fn n p n kT E E +=-)ln(i o Fp i n p p kT E E +=- 2.2有兩個(gè)pn 結(jié),其中一個(gè)結(jié)的雜質(zhì)濃度3 17315105,105-?=?=cm N cm N A D ,另一個(gè)結(jié)的 雜質(zhì)濃度3 19317105,105-?=?=cm N cm N A D ,在室溫全電離近似下分別求它們的接觸電勢(shì)差,

6、并解釋為什么雜質(zhì)濃度不同接觸電勢(shì)差的大小也不同. 解 接觸電勢(shì)差)ln(2i D A D n N N q kT V = 可知D V 與A N 和D N 有關(guān),所以雜質(zhì)濃度不同接觸電勢(shì)差也不同. 2.5 硅pn 結(jié)31731610,105-=?=cm N cm N A D ,分別畫出正偏0.5V 、反偏1V 時(shí)的能帶圖. 解 310105.1300-?=?=cm n K T i 2 1061761619232)105.1(101010105ln 106.13001038.1)ln(?=i D A D n N N q kT V =V 2 1002.8-? 正偏:19 19 10 8.01037.0

7、)(-?=?=-qV V V q D 反偏: 19 19106.110728.1)(-?=?=+R R D V q V V q 2.12 硅pn 結(jié)的雜質(zhì)濃度分別為315317101,103-?=?=cm N cm N A D ,n 區(qū)和p 區(qū)的寬度大 于少數(shù)載流子擴(kuò)散長度,s p n 1=,結(jié)面積=16002 m ,取 s cm D s cm D p n /13,/2522=,計(jì)算 (1)在T=300K 下,正向電流等于1mA 時(shí)的外加電壓； (2)要使電流從1mA 增大到3mA,外加電壓應(yīng)增大多少? (3)維持(1)的電壓不變,當(dāng)溫度 T 由300K 上升到400K 時(shí),電流上升到多少?

8、解 (1)3 10 105.1300-?=?=cm n K T i s s p n 6101-=2 52106.11600cm m A s -?=s d d A I J = )exp(0kT qV J J d =n p n p n p L n qD L p qD J 000 +=p p p D L =n n n D L = 0ln J J q kT V d = (2)3ln ln 3ln 00q kT J J q kT J J q kT V d d =-= ? (3)3 13 10400-=?=cm n K T i . . 2.14根據(jù)理想的pn 結(jié)電流電壓方程，計(jì)算反向電流等于反向飽和電流的

9、70%時(shí)的反偏電壓 值。 解 7 .0,1)exp( =-=o d o d J J kT qV J J 2.22硅pn 結(jié)的雜質(zhì)濃度,計(jì)算pn 結(jié)的反向擊穿電壓,如果要使其反向電壓提高到300V,n 側(cè) 的電阻率應(yīng)為多少? 解 (1)反向擊穿電壓V N V D B 601064 313 =?=- (2)213 352 4 3 102,300106-?=?=cm N V N V D D B )/(13501 1 2s cm qn n n = = 得由 2.24 硅突變pn 結(jié)316318105.1,105-?=?=cm N cm N D A ,設(shè)pn 結(jié)擊穿時(shí)的最大電場為 cm V E c /1

10、055?=,計(jì)算pn 結(jié)的擊穿電壓. 解 突變結(jié)反向擊穿電壓D A D A r B N N N N N E qN V += ,21200 2.25 在雜質(zhì)濃度315102-?=cm N D 的硅襯底上擴(kuò)散硼形成pn 結(jié),硼擴(kuò)散的便面濃度為 31810-=cm N A ,結(jié)深m 5,求此pn 結(jié)5V 反向電壓下的勢(shì)壘電容. 解 31 ) (12)(2V V qa A C D o T -= 2.26已知硅n p +結(jié)n 區(qū)電阻率為cm 1,求pn 結(jié)的雪崩擊穿電壓,擊穿時(shí)的耗盡區(qū)寬度和最 大電場強(qiáng)度.（硅pn 結(jié)136 10 45.8-?=cm C i ，鍺pn 結(jié)1341025.6-?=cm C

11、 i ） 解 n n q n qn =?= = 11 n N N V D D B =?=-,10643 138 1 )8( 0i D c C qN E = c B c B E V W W E V 221=?= 3.5 以npn 硅平面晶體管為例,在放大偏壓條件下從發(fā)射極歐姆接觸處進(jìn)入的電子流,在晶體 管的發(fā)射區(qū)、發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)、基區(qū)、集電極勢(shì)壘區(qū)和集電區(qū)的傳輸過程中,以什么運(yùn)動(dòng)形式（擴(kuò)散或漂移）為主? 解 發(fā)射區(qū)-擴(kuò)散 發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)-漂移 基區(qū)-擴(kuò)散 集電極勢(shì)壘區(qū)-漂移 集電區(qū)-擴(kuò)散 3.6三個(gè)npn 晶體管的基區(qū)雜質(zhì)濃度和基區(qū)寬度如表所示，其余材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)想同， 就下列特性參數(shù)判

12、斷哪一個(gè)晶體管具有最大值并簡述理由。 (1)發(fā)射結(jié)注入效率。(2)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)。(3)穿通電壓。(4)相同BC 結(jié)反向偏壓下的BC 結(jié)耗盡層電容。(5)共發(fā)射極電流增益。 器件 基區(qū)雜質(zhì)濃度 基區(qū)寬度 A B C 解 (1)C B A B B E NB E B PE B x W W D N W D N =- =,1 (2)TC TB TA nB r B T r nB nB nB B NB B T D W D W L W =?-=?=-=-=211 ,21)(21102 02 2 (3)ptC ptB ptA C B C B B pt V V V N N N N x V =?+-=B D B 0

13、N N N )(2 21 (5) 3.9硅npn 晶體管的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)如下： 發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū) E E N W p p ， B n n B W N , p p C N , 計(jì)算晶體管的發(fā)射結(jié)注入效率，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)V V BE T 55.0,=，計(jì)算復(fù)合系數(shù)，并由此計(jì)算晶體管的共發(fā)射極電流放大系數(shù)。 解 -= =1,T B b B s r BE s r nB nB B T E nB E B pE B W n qD J J kT qV J J D W W D N W D N 00i 0002 ,2W qn )2exp(11,21,1= =-+=-=-=其中 3.13 已知npn 非均勻基區(qū)晶

14、體管的有關(guān)參數(shù)為m x m x je jc 3,5=,電子擴(kuò)散系數(shù) s s cm D n n 1,/82=,本征基區(qū)方塊電阻=5,2500sE sB R R ,計(jì)算其電流放大系數(shù) 、. 解 基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)22 1nB B T L W -=（基區(qū)寬度je jc B x x W -=，基區(qū)少子擴(kuò)散長度 n n nB D L =）,發(fā)射結(jié)注入效率sB sE R R - =1(sE R &sB R 發(fā)射區(qū)和基區(qū)的方塊電阻) 發(fā)射結(jié)復(fù)合系數(shù)1= 共基極直流電流放大系數(shù)T =0.9971 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) -= 1=352.1489 3.34硅晶體管的標(biāo)稱耗散功率為20W,總熱阻為W C /5?,滿

15、負(fù)荷條件下允許的最高環(huán)境溫度 是多少?（硅C T jm ? =200，鍺C T jm ?=100） 解 最大耗散功率T a jm CM R T T P -= ?CM T jm a P R T T -= 滿負(fù)荷條件下有 CM T jm a P R T T -，其中W C R C T T jm /5,200? ?= 3.39 晶體管穿通后的特性如何變化?某晶體管的基區(qū)雜質(zhì)濃度31910-=cm N B ,集電區(qū)的雜 質(zhì)濃度3 15105-?=cm N C ,基區(qū)的寬度m W B 3.0=,集電區(qū)寬度m W C 10=,求晶體管的擊穿電壓. 解 集電極電流不再受基極電流的控制，集電極電流的大小只受發(fā)

16、射區(qū)和集電區(qū)體電阻的限制，外電路將出現(xiàn)很大的電流。 穿通電壓C B C B B pt N N N N x V )(202 +=，冶金基區(qū)的擴(kuò)展B C B W W x -= 4.1簡要說明JFET 的工作原理 解 N 溝道和P 溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理完全相同，現(xiàn)以N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例，分析其工作原理。N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作時(shí)也需要外加偏置電壓，即在柵-源極間加一負(fù)電壓(0DS V )，使N 溝道中的多數(shù)載流子電子在電場作用下由源極向漏極作漂移運(yùn)動(dòng)，形成漏極電流D i 。D i 的大小主要受柵-源電壓GS V 控制，同時(shí)也受漏-源電壓DS V 的影響。因此，討論場效應(yīng)管的工作原理就是討論

17、柵-源電壓vGS 對(duì)漏極電流D i （或溝道電阻）的控制作用，以及漏-源電壓DS V 對(duì)漏極電流D i 的影響。 4.3 n 溝道JFET 有關(guān)材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)是：31531810,10-=cm N cm N D A ，溝道寬度是 Z=0.1mm ，溝道長度m L 20=，溝道厚度是m a 42=，計(jì)算(1)柵n p + 結(jié)的接觸電勢(shì)差；(2)夾斷電壓；(3)冶金溝道電導(dǎo)；(4)0=GS V 和0=DS V 時(shí)的溝道電導(dǎo)(考慮空間電荷區(qū)使溝道變窄后的電導(dǎo))。 解 (1)2ln i D A D n N N q kT V = (2)2 002a qN V D p =(3)L Za N q G D /

18、20 (4)若為突變n p + 結(jié)，)()(2 A 021 D D D n N n p N p n qN V V s W 結(jié)結(jié)，+-= 4.7繪出n 型襯底MOS 二極管的能帶圖，討論其表面積累、耗盡、弱反型和強(qiáng)反型狀態(tài)。 解 見旁邊圖！ 4.12 簡述p 溝道MOSFET 的工作原理。 解 截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。p 基區(qū)與n 漂移區(qū)之間形成的pn 結(jié)1J 反偏，漏源極之間無電流流過。 導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓GS V ，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面p 區(qū)中的空穴推開，而將p 區(qū)中的少子-電子吸引到柵極下面的p 區(qū)表面，當(dāng)GS V 大于T

19、V （開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下p 區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使p 型半導(dǎo)體反型成n 型而成為反型層，該反型層形成n 溝道而使pn 結(jié)1J 消失，漏極和源極導(dǎo)電。 4.15已知n 溝道MOSFET 的溝道長度m L 10=，溝道寬度m W 400=，柵氧化層厚度 nm t ax 150=，閾值電壓V V T 3=，襯底雜質(zhì)濃度314109-?=cm N A ，求柵極電壓等于7V 時(shí)的漏源飽和電流。在此條件下，DS V 等于幾伏時(shí)漏端溝道開始夾斷？計(jì)算中取 )/(6002s V cm n =。 解 飽和漏源電流2) (2T GS ax n Dsat V V L C W I -=，0,r

20、 ax ax ax ax t C =，V V GS 7= T as DS V V V -= 4.16 在31510-=cm N A 的p 型硅襯底上，氧化層厚度為70nm ，2O S i 層等效電荷面密 度為2 11 103-?cm ，計(jì)算MOSFET 的閾值電壓。 解 閾值電壓 ax d A i A T C x qN n N q kT V max )ln(2 += )ln(i A fp n N q kT = ，)ln(i D fn n N q kT -=，耗盡區(qū)寬度最大值)4(0max A d qN x fp = 單位面積氧化層電容ax ax ax ax t t C 0 = = 4.19 用

21、)/(600,80,8/2s V cm nm t L W n ax =的n 溝道MOSFET 作為可變電阻，要獲 得k 5.2的電阻，溝道電子濃度應(yīng)為多少 ？T GS V V -應(yīng)為多少？對(duì)GS V 有什么要求？ 解 跨導(dǎo) cm F t t C L C V V g r ax r ax ax ax ax T GS m /1085.8,7.11,W ),(400n -?= -= 其中 5.2 T=300K ，n 型硅襯底雜質(zhì)濃度為31610-=cm N D ，繪出平衡態(tài)金-硅接觸能帶圖，計(jì)算肖 特基勢(shì)壘高度0B 、半導(dǎo)體側(cè)的接觸電勢(shì)差bi V 、空間電荷區(qū)厚度W 。 解 (1)x m B -=0

22、(2)s m bi V -=(3)21 )2(0D bi n qN V x W = 5.4分別繪出鈦Ti 與n 型硅和p 型硅理想接觸的能帶圖。如果是整流接觸，設(shè)硅襯底，分 別計(jì)算肖特基勢(shì)壘高度0B 、半導(dǎo)體側(cè)的接觸電勢(shì)差bi V 。 解 x m B -=0s m bi V -= 5.10 T=300K ，n 型硅襯底雜質(zhì)濃度為3 15105-?=cm N D ，計(jì)算金屬鋁-硅肖特基接觸平衡態(tài) 的反向電流sT J 、正偏電壓為5V 時(shí)的電流。計(jì)算中取理查森常數(shù)2 2*264-=K cm A A 。 解 x kT q T A kT q T A J m B B B B B sT -=?-=- =0

23、002*2 * ,),exp()exp( 1)exp( -=kT qV J J sT 5.13分別繪出GaAlAs-GsAs 半導(dǎo)體Pn 結(jié)和Np 結(jié)的平衡能帶圖。 解 見旁邊圖！ 6.3 假定GaAs 導(dǎo)帶電子分布在導(dǎo)帶底之上03/2 kT 范圍內(nèi)，價(jià)帶空穴分布在價(jià)帶頂之上 03/2 kT 范圍內(nèi)，計(jì)算輻射光子的波長范圍和頻帶寬度。 解 eV E kT E eV E hc g g 42.1,324.1max =+=g E eV 24.1min -=min max 2 1c c V V V -=-=? 6.6 T=300K ，考慮一個(gè)硅pn 結(jié)光電二極管，外加反向偏壓6V ，穩(wěn)態(tài)光產(chǎn)生率為 1

24、321110-=s cm G L ，pn 結(jié)參數(shù)為： s s s cm D s cm D cm N N p n p n A D 70702231510,105,/10,/25,108=?=?=。計(jì) 算其光電流密度，比較空間電荷區(qū)和擴(kuò)散區(qū)對(duì)光電流密度的貢獻(xiàn)。 解 qN G W n N N q kT V D Lp D L bi i A D bi p p n n n )V (2,ln ,200+=反向 穩(wěn)態(tài)光電流密度)(p n L L L L W qG I += 0259.0,2,106.1,7.1119= ?=-q kT N N q A 6.8 利用帶隙工程，鎵-鋁-砷(As Al Ga x x -1)和鎵-砷-磷(x x P GaAs -1)可獲得的最大輻射光波長 的值是多少？ 解 g g g E E hc x eV x E 24 .1