【8A版】半导体器件原理简明教程习题答案

1、【MeiWei81-优质实用版文档】【MeiWei81-优质实用版文档】【MeiWei81-优质实用版文档】【MeiWei81-优质实用版文档】傅兴华1.1 .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 E(k).解有效质量指的是对加速度的阻力.,GeSi,SiEgGeRgGe .GaAsSi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 .Si11.1eV2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

2、材料更适合制作高温环境下工作的器件? 4.821015 dndp )exp(Eg)mim 2km0T 两种半导体除禁带以外的其他性质相同exp(1.1)exp(1.1)exp(3.0 )kT1.91 n2exp(k) kkTT0 n1n 在高温环境下n2更合适300K 下硅中电子浓度n0 2103 cm3 ,p0,画出半导体能带图,判断该半导体是n 型还是p 型半导体.n p解 0 n 2 pnii0ni0(1.51010 )21.1251017 cm32103p0n p 型半导体001.16 硅中受主杂质浓度为1017 cm3 ,计算在 300K 下的载流子浓度n0和 p ,计算费米能级相0

3、对于本征费米能级的位置,画出能带图.解p 1017 cm3 n p n 2 T=300K1.51010 cm30A00iin 2ni 2.25103 cm3 p0p0n 该半导体是p 型半导体0E E KT ln(p0 )0.0259ln()iFPni1.510101.27 砷化镓中施主杂质浓度为1016 cm3 ，分别计算T=300K、400K 的电阻率和电导率。解n N0T 300K ni cm3 T 400K ni 2106 cm3n poo n 2 pi0nn0n电导率 qn 0nqp 0，电阻率 11.40 半导体中载流子浓度n0 1014 cm3 ,本征载流子浓度ni 1010 c

4、m3 ,n0 106 s .能级和准费米能级.解因为是n 型半导体10C NR C N ptot0cmn pppE kTln( 0) E EkTln(o)FniniFpniiD2.2 pn 结,其中一个结的杂质浓度ND 51015 cm3 , NA 51017 cm3 ,另一个结的杂质浓度 ND 51017 cm3 , NA 51019 cm3 ,在室温全电离近似下分别求它们的接触电势差,并解释为什么杂质浓度不同接触电势差的大小也不同.kTNN解接触电势差VD也不同.ln(AqniD )可知V与N和NDA有关,所以杂质浓度不同接触电势差2.5 pn ND 51016 cm3 , NA 1017

5、 cm3 ,分别画出正偏 0.5V、反偏 1V 时的能带图.解T 300K ni1.51010 cm3V kT ln(N1.381023 30051016 106 1017 106AD )ln=8.02102VDqn2i1.61019(1.51010 )2q(VDV ) 0.37 1019正偏qV 0.81019反偏:V) 1.7281019DRqV1.61019R2.12 pn ND 31017 cm3 , NA 11015 cm3 ,n 区和 p 区的宽度大于 少 数 载 流 子 扩 散 长 度 ,np,结 面 积 =1600m2,取D 25cm2 / s,Dn 13cm2 / s ,计算

6、T=300K 下,1mA 时的外加电压； (2)1mA 3mA,(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?i解(1)T 300K i1.51010 cm3J Idn 1s 106 s As1600m2 1.6105cm2dAsJexp( qVqD pJpqD nD D ppnp0LD D ppd0kT0LLpnnn nV kT lnJdqJ0(2) V kT ln 3JdqJkT ln Jd qJ kT ln3q0(3) T 400K ni0cm3 .2.14 根据理想的pn 70%值。J J解 dexp( qV)1,d 0.7JkTJJo2.2

7、2 pn pn ,300V,n ?解(1)反向击穿电压VB 61013 N4D4 60V3(2)V3B 61013 N4D4 300V , ND21052 cm2由 1得qnn 1350cm2 /(s)硅突变 pn NA 51018 cm3 , ND 1.51016 cm3 ,设 pn 结击穿时的最大电场为E5105V /cm,pn.c解突变结反向击穿电压V 1 r0 2 ,N NANDB2 qN0NNADND 21015 cm3 的硅衬底上扩散硼形成 pn 结,硼扩散的便面浓度为Ncm3 ,结深5m,求此pn5V .A解Cqa()2o1TDV ) 3pn结n 区电阻率为 ,求pn ,击穿时的

8、耗尽区宽度和最.（硅pn 结Ci 8.451036 cm1 ，锗 pn 结Ci 6.251034 cm1 ）8qN解 1qnn n VnB 61013 3 , N4D4EncCiD )18081VE WWBB2cEc以 npn ,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）?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-扩散三个 npn 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)(2)(3)(4)BC BC (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) 1 NB DPEWB ,

9、W xNDBBABCENBE1WW 21W 2 (2)1(B )2 1B, 1Br0 T2L2DnB T2DTATBTCNBx 2N(NNnB nBr0nBVptBBC0N0BptA VptB VptCCq0CNNNDA1CCCT2(VDV) NND2 NNDBTATCTB3.9 硅 npn 晶体管的材料参数和结构如下：计算晶体管的发射结注入效率 ，基区输运系数,VTBE此计算晶体管的共发射极电流放大系数 。解发射区N ， ， ，WEppE基区N 发射区N ， ， ，WEppE基区N , , ,WBnnB集电区N, ,Cpp ，计算复合系数 ，并由T1N DWW 21qn qD n 1BB ,

10、1B, 其中i,JB b0NDW2DJr0s0WEnBEnB nB1rJs0exp(BE )B2kT3.13已知 npn 非均匀基区晶体管的有关参数为xjc xje 3m , 电子扩散系数nnD 8cm2 /s,nn 1s ,本征基区方块电阻 RsB 2500, RsE 5 ,计算其电流放大系数、.W 2BB解基区输运系1TnB（ 基区宽度 WBR xxjc， 基区少子扩散长度L D）,发射结注入效率1sE (R&发射区和基区的方块电阻)nBnnRsEsBsB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 1=352.14893.34 硅晶体管的标称耗散功

11、率为总热阻为5C /W ,满负荷条件下允许的最高环境温度jm是多?（硅T 200C ，锗T 100 C）jm Tjm TjmTTaR PT满负荷条件下有aCMRaTTTaR PT，其中Tjm 200 C, RT 5 C /W3.39 晶体管穿通后的特性如何变化?某晶体管的基区杂质浓度 NB 1019 cm3 ,集电区的杂质浓度N51015cm3 ,基区的宽度W0.3m,集电区宽度 10m ,求晶体管的击CBC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。x2VBx2N(NBN)B穿通电压 pt20NxCWWCB4.1 简要说明

12、JFET 的工作原理N 沟道和PNN(V0pniGS 0 ，场效应管呈现很高的输入电阻(高108 VDS0)，使N作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流iD。i的大小主要受-源电压VD控制，同时也受漏-源电压VDS的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压 vGS 对漏极电流iD（或沟道电阻）的控制作用，以及漏-源电压VDS对漏极电流iD的影响。4.3n 沟道 JFET 有关材料参数和结构是： NA 1018 cm3 , ND 1015 cm3 ，沟道宽度是Z=0.1mm，沟道长度 L 20m ，沟道厚度是2a 4m ，计算(1)栅 p n 结的接触电势差；夹断电压；(3)冶金

13、沟道电导；(4)VGS 0 和VDS 0 时的沟道电导(考虑空间电荷区使沟道变窄后的电导)。解(1)V N NlnAD (2)(3) 2qZa / LDqni0 DV )2(4)若为突变pn结，W s0D2DnqND4.7 绘出 n 型衬底MOS1(n p结pn结N)D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。p n 漂移区之间形成的pn J 反1偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压VGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面p 区中的空穴推开，而将p 区中的少子-电子吸引到栅

14、极下面的p 区表面，当VGS大于VT（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，使p 型半导体反型成n n 沟道而使pn Jn MOSFET L 10m ，沟道宽度W 消失，漏极和源极导电。m ，栅氧化层厚度t150nm，阈值电压Vax 3V ，衬底杂质浓度 NA400 91014 cm3 7V时的漏源饱和电流。在此条件下， VDS等于几伏时漏端沟道开始夹断？ 计算中取 600cm2 /(Vs。nICnax V )2，Cax , ，V 7VVVVDSasDsat2LGSTaxtaxr0GSax cm3 p 衬底上，氧化层厚度为70nmS 层等效电荷面密Ai2度为3101

15、1 cm2 ，计算MOSFET 的阈值电压。V2kTNln(A qN Ad max解阈值电压 TqnCiax Nln(A )kTN4fpqni，fnln(iqiD ) ，耗尽区宽度最大值x d max0fp)AqNA单位面积氧化层电容Cax axt 0t4.19 用W / L 8, taxax 80nm, nax 600cm2 /(Vs) 的 n 沟道 MOSFET 作为可变电阻，要获得2.5k 的电阻，沟道电子浓度应为多少？VGSV 应为多少？对VT有什么要求？解跨导g V 其中 W Cnax , ax r0 ,11.7, 8.85104 F / cmmGSTLaxttr0axax5.2T=

16、300K，n 型硅衬底杂质浓度为 ND 1016 cm3 ，绘出平衡态金-硅接触能带图，计算肖特基势垒高度B0、半导体侧的接触电势差Vbi、空间电荷区厚度W。解(1) x(2)VW ( V)1B0bim0 bi2nqND5.4 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B0、半导体侧的接触电势差V。bi解B0 x Vbims5.10T=300K，n 型硅衬底杂质浓度为 ND 51015 cm3 ，计算金属铝-硅肖特基接触平衡态的反向电流 JsT5V 264Acm2K 2 。qq解J 2 exp(B ) 2 exp(B0),sTk

17、TkT,B0B0 xmJ JsTexp(qV ) kT5.13 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 03/2kT 范围内，价带空穴分布在价带顶之上03/2kT 范围内，计算辐射光子的波长范围和频带宽度。解 hc 1.24eV,解1.42eV 1.24eVV V Vcc12maxEE3kTggminEgmaxmin6.6T=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G10211cm3s1 ，pn结参数为：LN ND 81015 cm3 , Dn 25cm2 / s, Dp 10cm2

18、/ s,n0 5107 s,p 0 107 s 。 计22(G V )反向biqND n n0L, D n n0,VkT ln ND NA,W D pp0解 nbiqnD pp0i稳态光电流密度 IL qGL(W LnNL )pkT 11.7,q 1.61019,N A ,0.02592q铝-砷Ga1 xAl As)和镓砷磷(GaAsPxx)可获得的最大辐射光波长的值是多少？解E1.4241.247x(eV),x 1 gEg 1.24Eg铝砷Ga1 xAl As)和镓砷磷(GaAsPxx)当 G=0.3 时辐射光的波长。解同 6.8，G=0.3！(1)能带：由原子轨道所构成的分子轨道的数量非常大，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， (3)(4)+3 价的铟或铝的原子周围有 3 本征电子：V (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 (7)pn 结：由两种不同的半导体单晶材料组(8)LED ：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， 放出抗击、易调光、换颜色可控性大。(9)