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

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. 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?Ge>?Si.GaAs为直接带隙半导体,它的跃迁不与晶格交换能量,所以相对来说?GaAs>?Ge>?Si. 1.10 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? 15解 本征载流子浓度:ni?4.82?10(mdnmdpm02)exp(Eg) kT?两种半导体除禁带以外的其他性质相同 1.9exp(?k1T.1)n1.91?>0 ?n1?n2 ?在高温环境下n2更合适 ??exp() ?kTn2exp(?k3T.0)kT1.11 在300K下硅中电子浓度n0?2?103cm?3,计算硅中空穴浓度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. ni(1.5?1010)217?3n0p0?ni?p0???1.125?10cm?p0?n0?是p型半导体 解 n02?103221.16 硅中受主杂质浓度为1017cm?3,计算在300K下的载流子浓度n0和p0,计算费米能级相对于本征费米能级的位置,画出能带图. 217?3解 p0?NA?10cm n0p0?ni T=300K→ni?1.5?10cm 10?3n?n0?i?2.25?103cm?3 ?p0?n0 ?该半导体是p型半导体 p02Ei?EFPp01017?KTln()?0.0259?ln()10ni1.5?10

1.27 砷化镓中施主杂质浓度为1016cm?3，分别计算T=300K、400K的电阻率和电导率。

T?300K?ni?2?106cm?3解 n0?ND?10cm T?400K?ni?电导率??qn0?n?qp0?p，电阻率??1 16?3 nopo?ni?p0?2ni n0?1.40 半导体中载流子浓度n0?1014cm?3,本征载流子浓度ni?1010cm?3, 非平衡空穴浓度,非平衡空穴的寿命?n0?10s,计算电子-空穴的复合率,计算载流子的费米能级和准费米能级. 能级和准费米能级. 解 因为是n型半导体 ?6?n0?1CpNt R?CoNt?p??p?1019cm ?n0EFn?Ei?kTln(n0??pp??p) Ei?EFp?kTln(o) nini15?317?32.2 有两个pn结,其中一个结的杂质浓度ND?5?10cm,NA?5?10cm,另一个结的杂质浓度ND?5?10cm,NA?5?10cm,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. 解 接触电势差VD?差也不同. 17?319?3kTNNln(A2D) 可知VD与NA和ND有关,所以杂质浓度不同接触电势qni2.5 硅pn结ND?5?1016cm?3,NA?1017cm?3,分别画出正偏0.5V、反偏1V时的能带图. 解 T?300K?ni?1.5?1010cm?3 kTNAND1.38?10?23?3005?1016?10?6?1017?10?6?2VD?ln()?ln8.02?10V =2?19102q1.6?10(1.5?10)niq(VD?V)?0.37?10?19正偏:qV?0.8?10?19 反偏:q(VD?VR)?1.728?10?19qVR?1.6?10?19 2.12 硅pn结的杂质浓度分别为ND?3?1017cm?3,NA?1?1015cm?3,n区和p区的宽度大

于少数载流子扩散长度,?n??p?1?s,结面积=1600?m2,取

Dn?25cm2/s,Dp?13cm2/s,计算

(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)T?300K?ni?1.5?10cm 10?3?n??p?1?s?10?6s As?1600?m2?1.6?10?5cm2 Jd?IdAs qDppn0qDnnp0qVJ?? Lp?Dp?p Ln?Dn?n Jd?J0exp() 0LpLnkT?V?kTJdlnqJ0 kT3JdkTJdkTln?ln?ln3 qJ0qJ0q13?3(2)?V?(3)T?400K?ni?10cm... ... 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 Jd?Jo[exp(JqV)?1],d?0.7 kTJo2.22 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VB?6?10ND(2)?VB?6?10ND13?3413?34?60V 52?300V,?ND?2?103cm?2 由??1??1得?n?1350cm2/(?·s) qn?n2.24 硅突变pn结NA?5?1018cm?3,ND?1.5?1016cm?3,设pn结击穿时的最大电场为Ec?5?105V/cm,计算pn结的击穿电压.

解 突变结反向击穿电压VB?1?r?02NANDE0,N?

2qNNA?ND

2.25 在杂质浓度ND?2?1015cm?3的硅衬底上扩散硼形成pn结,硼扩散的便面浓度为

NA?1018cm?3,结深5?m,求此pn结5V反向电压下的势垒电容.

qa(??o)21解 CT?A[]3 12(VD?V)2.26 已知硅p?n结n区电阻率为1?·cm,求pn结的雪崩击穿电压,击穿时的耗尽区宽度和最大电场强度.（硅pn结Ci?8.45?10?36cm?1，锗pn结Ci?6.25?10?34cm?1） Ec?(8qND1)8Ci??0 解 ??1??1?3?n??q?n VB?6?1013ND4,ND?n qn?nVB?12VEcW?W?B 2Ec3.5 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 A B C 解 (1)??1? 基区杂质浓度 基区宽度 NBDPEWB,WB?xB??A??B??C NEDNBWE22W??1W2WB1(2)?T?1?(B)?1?,?nB???T?1?Br0??TA??TB??TC 2LNB2DnB?nB?r?02DnBxNB(NC?NB)?VptA?VptB?VptC (3)Vpt?B2??0NC2(4)

CT?A[1q??0NNNB·DA]2·?CTA?CTC?CTB 2(VD?V)ND?NAND?NB(5)

3.9 硅npn晶体管的材料参数和结构如下：