半導(dǎo)體器件原理簡明教程習(xí)題答案

1、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.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金者和神化錢導(dǎo)帶電子的遷移率的相對大小.解有效質(zhì)量指的是對加速度的阻力.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NGe>%.GaAs為直接帶隙半導(dǎo)體，它的躍遷不與晶格交換能量，所以相對來說GaAs>Ge>Si.1.10 假定兩

2、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：n=4.82M1015（m嗎如）exp（旦）mokT1.1、niexp(t)，1.9、exp()2exp(-)&兩種半導(dǎo)體除禁帶以外的其他性質(zhì)相同國更合適1.9T->0,n1>n2，二在高溫環(huán)境下kT1.11 在300K下硅中電子濃度n0=2M103cm：計算硅中空穴濃度p0,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.2noPo > P02nino竺1.125

3、 1017cm2 M10; P0 A，二是P型半導(dǎo)體1.16硅中受主雜質(zhì)濃度為1017cm次，計算在300K下的載流子濃度n0和P0,計算費米能級相對于本征費米能級的位置，畫出能帶圖.173解 p0 = N A = 10 cm10-3n0P0=ni T=300K 一6 3.5"0 cm2n33J. / =' =2.25x10 cm 丁 P0 >叫該半導(dǎo)體是p型半導(dǎo)體 P017P010Ei Efp = KT In(匕)=0.0259 ln()ni1.5 101.27神化錢中施主雜質(zhì)濃度為1016cmJ3,分別af算T=300K、400K的電阻率和電導(dǎo)率。_ 一 6J3T

4、= 300K = ni = 2 10 cm解 n0 =Nd =1016cm* T =400K= ni =2 -n°p0- P0n。電導(dǎo)率仃=qn0L +qp0% ,電阻率p = cr1.40半導(dǎo)體中載流子濃度no =1014cm：本征載流子濃度n =1010 cm工,非平衡空穴濃度非平衡空穴的壽命而° = 10 's計算電子空穴的復(fù)合率，計算載流子的費米能級和準(zhǔn)費米能級.能級和準(zhǔn)費米能級.解因為是n型半導(dǎo)體1n0 =CpNtR=CoNtp-P19=10 cmn0n0 pEFn - Ei =kTIn(一)nipopEi =kTIn(W)ni2.2有兩個pn結(jié)淇中一個結(jié)

5、的雜質(zhì)濃度Nd=5M1015cm",Na=5M1017cm',另一個結(jié)的雜質(zhì)濃度ND-51017cmNA=51019cm",在室溫全電離近似下分別求它們的接觸電勢差，并解釋為什么雜質(zhì)濃度不同接觸電勢差的大小也不同解接觸電勢差Vd=kTln(NAND)可知Vd與Na和Nd有關(guān)所以雜質(zhì)濃度不同接觸電勢qni差也不同.2.5硅pn結(jié)ND=5Ml016cm±NA=1017cm;分別畫出正偏0.5V、反偏1V時的能帶圖.解T-300K=ni=1.51010cmJ3_23、， kT - NaNd、1.38 10300,vd =ln( 2 ) = -“ 9 1nqni1

6、.6 105 1016 10-6 1017 101 10、2(1.5 10 )-6_ _2 = 8.02 10 V參考材料_19q(VDV)=0.3710正偏：qV=0.81019q(VDVR)=1.728109反偏：i9J3,Na =1x1015cmJ3,n 區(qū)和 p 區(qū)的寬度qVR|1.6102.12硅pn結(jié)的雜質(zhì)濃度分別為Nd=3m1017cm大于少數(shù)載流子擴(kuò)散長度，卻=%=1Ns，結(jié)面積=1600Nm2,取np22Dn=25cm/s,Dp=13cm/s,計算在T=300K下,正向電流等于1mA時的外加電壓；(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

7、變，當(dāng)溫度T由300K上升到400K時，電流上升到多少？T =300K= ni10-3= 1.5 10 cm=p =1-s =10Jd .2-5 2 dAs=1600m =1.6 10 cmAsJdqV j%JoqDppno qDnnpoLPLnLp = .Dpp一四nJqJokT ,八=ln 3q.V=kTlnJqJokT3Jd(2) .V=ln-dqJo_133T=400K=Q=10cm2.14 根據(jù)理想的pn結(jié)電流電壓方程，計算反向電流等于反向飽和電流的70%時的反偏電壓值。qVJdJd=Joexp()-1,=0.7kTJo2.22 硅pn結(jié)的雜質(zhì)濃度，計算pn結(jié)的反向擊穿電壓，如果要使

8、其反向電壓提高到300V,n側(cè)的電阻率應(yīng)為多少？3解(1)反向擊穿電壓VB=6M1013NDF=60V352c(2)VB=610ND"-300V,.ND-210=cm11-2由P=得Nn=1350cm/(vs)二qnn2.24硅突變pn結(jié)NA=5M1018cmJ3,ND=1.5父1016cm、，設(shè)pn結(jié)擊穿時的最大電場為一5Ec=5父10V/cm,計算pn結(jié)的擊穿電壓.解突變結(jié)反向擊穿電壓VB=r_0E；,N=AD2qNNANd2.25 在雜質(zhì)濃度ND=2父1015cm，的硅襯底上擴(kuò)散硼形成pn結(jié),硼擴(kuò)散的便面濃度為NA=1018cm,結(jié)深5Mm，求此pn結(jié)5V反向電壓下的勢壘電容.

9、2qa('')3兒牢Ct-A12(VD-V)2.26 已知硅pi結(jié)n區(qū)電阻率為1復(fù)cm,求pn結(jié)的雪崩擊穿電壓，擊穿時的耗盡區(qū)寬度和最大電場強(qiáng)度.(硅pn結(jié)Ci=8.45M10“6cm,，渚pn結(jié)Ci=6.25父10®cm")E一鄴人1 1134Ec(八.)解：=n-：qnVb=610ND4,ND=nCi0二qn,Ec，在晶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)、集電極勢壘區(qū)和集電區(qū)的傳輸過程中，以什么運動形式(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

10、勢壘區(qū)-漂移集電區(qū)-擴(kuò)散3.6 三個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)判斷哪一個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ABC解=1NbdpeWb,Wb=Xb.ab=cNeDnbWe,c、/1 /Wb、2/(2) ： T =1 -( -) =1 2 LNB2Wb2DnB nB-nB1a Pnr 02、Wb - r: o 一_2DnB=' TA= TB二 TCVpt2XbNb(Nc Nb)_2；o N

11、c 一VptA=V ptB :二 V ptC(4)CTq ；oNdNa A Nb一 A'"2(Vd -V) Nd Na Nd NbCta = CTC CTB3.9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)Ne，1,，WeNbM'WbNc,1,，并由qDB、0Wb計算晶體管的發(fā)射結(jié)注入效率尸，基區(qū)輸運系數(shù)aT,VBE=0.55V，計算復(fù)合系數(shù)6,此計算晶體管的共發(fā)射極電流放大系數(shù)P。1-2、1一:1一,每二1v其中Jr0=g,Js°NEDnBWE2DnBnB1-Jr0exp(_qVBE)2Jso2kT3.13已知npn非均勻基區(qū)晶體管的有關(guān)參數(shù)為Xjc

12、=5Nm,Xje=3Nm,電子擴(kuò)散系數(shù)2Dn=8cm/s,品=1Ms,本征基區(qū)方塊電阻Rsb=2500Q,Re=5Q，計算其電流放大系數(shù):、：.WB2解基區(qū)輸運系數(shù)口T=12（基區(qū)寬度WB=Xjc-Xje,基區(qū)少子擴(kuò)散長度LnB.RsELnB=Dn與），發(fā)射結(jié)注入效率1=1Z-（RsE&Rb發(fā)射區(qū)和基區(qū)的方塊電阻）RsB發(fā)射結(jié)復(fù)合系數(shù):=1共基極直流電流放大系數(shù)ct=¥46=0.9971共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)=二一=352.14891 -11.34 硅晶體管的標(biāo)稱耗散功率為20W,總熱阻為5"/W,滿負(fù)荷條件下允許的最高環(huán)境溫度是多少？（硅Tjm=200C,錯Tj

13、m=100C）解最大耗散功率PCMJjmka=Ta=Tjm_RTPCM滿負(fù)荷條件下有RtTaMTjm-RtPcm,其中Tjm=200C,RT=5C/W1.39 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Nb=1019cm”,集電區(qū)的雜15-3質(zhì)濃度NC=5父10cm，基區(qū)的寬度Wb=0.3Nm,集電區(qū)寬度Wc=10Nm,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)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。XB2Nb（NcNb）V穿通電壓pt2鴕0Nc，冶金基區(qū)的擴(kuò)展xB=WC-WB4.1 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

14、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)管工作時也需要外加偏置電壓，即在柵-源極間加一負(fù)電壓（Vgs<0）,使柵-源極間的pt結(jié)反偏，柵極電流iG定0,場效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻（高達(dá)108。左右）。在漏-源極間加一正電壓（Vds>0）,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動，形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵-源電壓VGS控制，同時也受漏-源電壓Vds的影響。因此，討論場效應(yīng)管的工作原理就是討論柵-源電壓vGS對漏極電流ip（或溝道電阻）的控制作用，以及漏-源電壓Vds對漏極電流ip的影響。4.3 n溝道JFET有關(guān)材料

15、參數(shù)和結(jié)構(gòu)是：Na=1018cm；Nd=1015cm，,溝道寬度是Z=0.1mm,溝道長度L=20Rm,溝道厚度是2a=4Nm,計算（1）柵p+n結(jié)的接觸電勢差；（2）夾斷電壓；（3）冶金溝道電導(dǎo)；（4）Vgs=0和Vds=0時的溝道電導(dǎo)（考慮空間電荷區(qū)使溝道變窄后的電導(dǎo)）。kTNaNd,解（1）Vdlna2d（2）（3）G0：2qNDZa/Lqni（4）若為突變p%結(jié)，W=s叼2S%（Vd-V）廣（np結(jié)Na,P：結(jié)Nd）qNp4.7 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，

16、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)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓Vgs,柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面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)Vgs大于Vt(開啟電壓或閾值電壓)時，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)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。4.15 已知n溝道MOSFET的溝道長度L=10Nm,溝道寬度W=400m,柵氧化層厚度143tax=150nm,閾值電壓Vt=3V,襯底雜質(zhì)濃度Na=9m10cm,求柵極電壓等于7V

17、時的漏源飽和電流。在此條件下，Vds等于幾伏時漏端溝道開始夾斷？計算中取.2氏=600cm/(Vs)。解飽和漏源電流IWtCax(VgsVt)2，Cax=%，&x=許,Vgs=7V2LtaxVDS=Vas-Vt4.16 在NA=1015cmJ3的p型硅111襯底上，氧化層厚度為70nm,SiO2層等效電荷面密度為3M1011cmi計算MOSFET的閾值電壓。kTNaqNAxdmax2ln(A)Amax解閾值電壓qniCaxfp =。(3q ni ，fn =-kTln(ND),耗盡區(qū)寬度最大值 q nixd max(4"0fpqNA單位面積氧化層電容Cax ax& ta

18、x tax4.19用W/L=8%=80nm,=600cm2/(Vs)的n溝道MOSFET作為可變電阻，要獲得2.5kG的電阻，溝道電子濃度應(yīng)為多少？Vgs-3應(yīng)為多少Vgs有什么要求？解跨導(dǎo)gm= P(Vgs Vt),其中 P 二WnCax,Caxax i-r = 0taxt ax4；r = 11.7, ；o = 8.85 10 F / cm5.2T=300K,n型硅襯底雜質(zhì)濃度為ND=1016cm'繪出平衡態(tài)金-硅接觸能帶圖，計算肖特基勢壘高度如0、半導(dǎo)體側(cè)的接觸電勢差Vbi、空間電荷區(qū)厚度Wo解(1)B0 = m _X(2)Vbi = m - s (3)W =Xn =(2；0Vbi

19、qND5.4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，分別計算肖特基勢壘高度曾。、半導(dǎo)體側(cè)的接觸電勢差Vbi。解B0=m-xVbi=m-5.10T=300K,n型硅襯底雜質(zhì)濃度為ND=5父1015cm工，計算金屬鋁-硅肖特基接觸平衡態(tài)的反向電流JsT、正偏電壓為5V時的電流。計算中取理查森常數(shù)*22A=264AcmK。解 Jst =AT2exp(kT*2,)：A T exp(q B0kTqVJ，啥）75.13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03/2kT范圍內(nèi)，價帶空穴分布在價帶

20、頂之上03/2kT范圍內(nèi)，計算輻射光子的波長范圍和頻帶寬度hc解 max - e1.24eVEg 3kTg,Eg =1.42eVmin6.6 T=300K考慮一個硅pn結(jié)光電二極管-1.24eV V =V1 - V2 =ycEgmax min,外加反向偏壓6V ,穩(wěn)態(tài)光產(chǎn)生率為Gl=10211cm's,pn結(jié)參數(shù)為：1532277ND=NA=8x10cm,Dn=25cm/s,Dp=10cm/s,En0=5M10s,ep0=10-s。計算其光電流密度，比較空間電荷區(qū)和擴(kuò)散區(qū)對光電流密度的貢獻(xiàn)。,.-/kT.NdNA.|2w（G反向+Vb）解Ln=.工.的仙=DppoMi=-qln:qN穩(wěn)態(tài)光電流密度IL-qGL（W.Ln.Lp）；=11.7,q=1.610,9,N=N旦=0.02592q6.8利用帶隙工程，錢-鋁-神（GaAlxAs）和錢-神-磷（GaAsB）可獲得的最大輻射光波長的值是多少？一hc1.24解Eg=1.4241.247x（eV）,x=1>EgEg6.9分別計算錢-鋁-神（GaAlxAs）和錢-神-磷