半导体器件原理简明教程习题答案傅兴华教学内容
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半导体工艺原理测试题及答案大全一、选择题(每题2分,共20分)1. 下列关于半导体材料的叙述中,错误的是:A. 半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间。
B. 半导体材料的导电性随温度升高而增加。
C. 半导体材料的导电性受光照影响。
D. 半导体材料的导电性不受掺杂影响。
答案:D2. 在半导体工艺中,光刻技术主要用于:A. 沉积薄膜B. 氧化C. 刻蚀D. 形成图案答案:D3. 下列哪种掺杂方式可以增加半导体的导电性?A. N型掺杂B. P型掺杂C. 无掺杂D. 以上都是答案:D4. 氧化层在半导体工艺中的作用不包括:A. 保护B. 绝缘C. 导电D. 隔离答案:C5. 扩散工艺在半导体工艺中主要用于:A. 形成晶体管B. 形成绝缘层C. 形成金属层D. 形成氧化层答案:A二、填空题(每题2分,共20分)1. 在半导体工艺中,____是形成晶体管PN结的关键步骤。
答案:扩散2. 半导体工艺中的氧化层通常采用____材料。
答案:二氧化硅3. 光刻胶在光刻过程中的作用是____。
答案:形成掩模4. 离子注入技术可以用于____掺杂。
答案:N型或P型5. 在半导体工艺中,____技术用于去除不需要的材料。
答案:刻蚀三、简答题(每题10分,共30分)1. 简述CMOS工艺中晶体管的工作原理。
答案:在CMOS工艺中,晶体管的工作原理基于PN结的开关特性。
N型晶体管(NMOS)在栅极电压高于源极电压时导通,而P型晶体管(PMOS)在栅极电压低于源极电压时导通。
通过控制栅极电压,可以实现晶体管的开关控制。
2. 描述氧化层在半导体工艺中的作用。
答案:氧化层在半导体工艺中主要起到保护、绝缘和隔离的作用。
它可以保护硅片不受化学腐蚀,防止杂质扩散,同时作为绝缘层隔离不同的晶体管或电路元件,确保电路的稳定性和可靠性。
3. 离子注入技术在半导体工艺中的应用是什么?答案:离子注入技术在半导体工艺中主要用于掺杂,通过将掺杂原子注入硅片,可以精确控制掺杂的类型、浓度和深度,从而制造出具有特定特性的半导体器件,如晶体管、二极管等。
半导体器件原理简明教程本文主要介绍半导体器件、二极管、三极管以及场效应管,并阐述有关基本概念及分析方法。
内容包括:半导体根底知识、半导体二极管及二极管的应用、稳压二极管及其稳压电路,半导体三极管与场效应管的构造分类、特性曲线等。
一、半导体根底知识自然界的物质,按照导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三类。
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。
通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体。
完全纯净的、构造完整的半导体晶体称为本征半导体。
半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。
自由电子在运动中与空穴相遇就会填补空穴,使二者同时消失,这种现象称为复合。
一定温度下,本征激发产生的自由电子和空穴对,与复合的自由电子和空穴对数目相等,到达动态平衡。
在本征半导体中掺入杂质,可以形成N型半导体和P 型半导体。
在N型半导体中,自由电子的浓度远大于空穴的浓度,因此自由电子称为多数载流子(简称多子),而其中空穴称为少数载流子(简称少子)。
N型半导体主要靠自由电子导电,掺入的杂质越多,自由电子的浓度就越高,导电性能也就越强。
在P型半导体中,空穴的浓度远大于自由电子的浓度,因此空穴称为多数载流子(简称多子),而其中自由电子称为少数载流子(简称少子)。
P型半导体主要靠空穴导电,掺入的杂质越多,空穴的浓度就越高,导电性能也就越强。
对于杂质半导体来说,无论是N型还是P型半导体,从总体上看,仍然保持着电中性。
在PN结中开展着两种载流子的运动:多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动。
在无外电场和其他激发作用下,多子的扩散运动和少子的漂移运动到达动态平衡。
当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏;反之称为加反向电压,简称反偏。
PN加正向电压是导通,加反向电压是截止。
因此PN结具有单向导电性。
二、半导体二极管在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。
由P 区引出的电极称为阳极,由N区引出的电极称为阴极。
25001二极管电路如图25001所示,求电流1I 、2I 、3I 和I 。
答:因为1D 、2D 、3D 为共阳极接法,所以在此电路中只有2D 导通,而1D 、3D 截止。
所以 mA I 151692=+=mA I I 152-=-=01=I 03=IΩk V图25001Ωk V图2500225002二极管电路如图25002所示,求电流1I 、2I 、3I 和I 。
答:因为1D 、2D 、3D 为共阴极接法,所以在此电路中只有2D 导通,而1D 、3D 截止。
所以mA I 31362=-=mA I I 32==01=I 03=I25003电路如图)(25003a ,设1Z D 的稳定电压为V 5,2Z D 的稳定电压为V 7,两稳压管的正向压降均为零伏,在tV u i ωsin 10=[波形如图)(25003b 所示]的作用下,试画出o u 的 波形。
当V 5≥i u 时,输出电压V u o 5=。
o图25003(a)(c)26001 在图26001所示的各电路中,通过计算确定晶体管工作于何种状态。
(设各管0.6BE U =V )……(A )答:图(a )电路基极电流为 3 2.40.083030BE B U I mA -=== 极电极电流350.08 2.8c B I I mA β==⨯= 集电极饱和电流62.42.5cs I mA ≈= 图(b )电路基极电流 6 5.40.15454BE B U I mA -=== 极电极电流500.15c B I I mA β==⨯= 集电极饱和电流12121cs I mA ≈=因c cs I I <,故晶体管处于放大状态。
图(c )电路因6BE U =-V,故基极电流和集电极电流均为0,晶体管处于截止状态。
6V k Ω35=12V k Ω50=12V k Ω-30=图26001。
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基本概念题:第一章半导体电子状态1.1 半导体通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料,其导带在绝对零度时全空,价带全满,禁带宽度较绝缘体的小许多.1.2能带晶体中,电子的能量是不连续的,在某些能量区间能级分布是准连续的,在某些区间没有能及分布。
这些区间在能级图中表现为带状,称之为能带。
1.2能带论是半导体物理的理论基础,试简要说明能带论所采用的理论方法.答:能带论在以下两个重要近似基础上,给出晶体的势场分布,进而给出电子的薛定鄂方程.通过该方程和周期性边界条件最终给出E—k关系,从而系统地建立起该理论。
单电子近似:将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑,这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。
绝热近似:近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换,而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。
1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法答案:克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E—k关系而提出的一维晶体的势场分布模型,如下图所示在频率为时便观测到共振吸收现象。
1。
6 直接带隙材料如果晶体材料的导带底和价带顶在k空间处于相同的位置,则本征跃迁属直接跃迁,这样的材料即是所谓的直接带隙材料。
1。
6 间接带隙材料如果半导体的导带底与价带顶在k空间中处于不同位置,则价带顶的电子吸收能量刚好达到导带底时准动量还需要相应的变化第二章半导体杂质和缺陷能级2。
第一章、半导体器件(附答案)一、选择题1.PN 结加正向电压时,空间电荷区将 ________A. 变窄B. 基本不变C. 变宽2.设二极管的端电压为 u ,则二极管的电流方程是 ________A. B. C.3.稳压管的稳压是其工作在 ________A. 正向导通B. 反向截止C. 反向击穿区4.V U GS 0=时,能够工作在恒流区的场效应管有 ________A. 结型场效应管B. 增强型 MOS 管C. 耗尽型 MOS 管5.对PN 结增加反向电压时,参与导电的是 ________A. 多数载流子B. 少数载流子C. 既有多数载流子又有少数载流子6.当温度增加时,本征半导体中的自由电子和空穴的数量 _____A. 增加B. 减少C. 不变7.用万用表的 R × 100 Ω档和 R × 1K Ω档分别测量一个正常二极管的正向电阻,两次测量结果 ______A. 相同B. 第一次测量植比第二次大C. 第一次测量植比第二次小8.面接触型二极管适用于 ____A. 高频检波电路B. 工频整流电路9.下列型号的二极管中可用于检波电路的锗二极管是: ____A. 2CZ11B. 2CP10C. 2CW11D.2AP610.当温度为20℃时测得某二极管的在路电压为V U D 7.0=。
若其他参数不变,当温度上升到40℃,则D U 的大小将 ____A. 等于 0.7VB. 大于 0.7VC. 小于 0.7V11.当两个稳压值不同的稳压二极管用不同的方式串联起来,可组成的稳压值有 _____A. 两种B. 三种C. 四种12.在图中,稳压管1W V 和2W V 的稳压值分别为6V 和7V ,且工作在稳压状态,由此可知输出电压O U 为 _____A. 6VB. 7VC. 0VD. 1V13.将一只稳压管和一只普通二极管串联后,可得到的稳压值是( )A. 两种B. 三种C. 四种14.在杂质半导体中,多数载流子的浓度主要取决于 __(1)__,而少数载流子的浓度与 __(2)__有很大关系。
第二章1一个硅p -n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结,a=1019cm -4,n 型一侧为均匀掺杂,杂质浓度为3×1014cm -3,在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为0.8μm ,求零偏压下的总耗尽层宽度、建电势和最大电场强度。
解:)0(,22xx qaxdxdp S )(,22n SDx xqN dxd),(2)(22x x x xqa dx d x ppSnn SDx xx xqN dxd x 0),()(x =0处E 连续得x n =1.07μm x 总=x n +x p =1.87μm n px x biVdx x E dxx E V 00516.0)()(m V x qa E pS/1082.4)(252max,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。
2一个理想的p-n 结,N D =1018cm -3,N A =1016cm -3,τp =τn =10-6s ,器件的面积为1.2×10-5cm -2,计算300K 下饱和电流的理论值,±0.7V 时的正向和反向电流。
解:D p =9cm 2/s ,D n =6cm 2/scm D L ppp 3103,cmD L nnn 31045.2np n pn p SL n qD L p qD J 0I S =A*J S =1.0*10-16A 。
+0.7V 时,I =49.3μA ,-0.7V 时,I =1.0*10-16A3 对于理想的硅p +-n 突变结,N D =1016cm -3,在1V 正向偏压下,求n 型中性区存贮的少数载流子总量。
设n 型中性区的长度为1μm ,空穴扩散长度为5μm 。
解:P +>>n ,正向注入:0)(2202pn nn nLp p dxp p d ,得:)sinh()sinh()1(/00pnnpnkTqV n n nL x W L x W ep p p n nW x n n Adxp p qAQ20010289.5)(4一个硅p +-n 单边突变结,N D =1015cm -3,求击穿时的耗尽层宽度,若n 区减小到5μm ,计算此时击穿电压。
第二章 半导体中的载流子及其输运性质1、对于导带底不在布里渊区中心,且电子等能面为旋转椭球面的各向异性问题,证明每个旋转椭球内所包含的动能小于(E -E C )的状态数Z 由式(2-20)给出。
证明:设导带底能量为C E ,具有类似结构的半导体在导带底附近的电子等能面为旋转椭球面,即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=-l t C m k m k k E k E 23222122)( 与椭球标准方程2221122221k k k a b c++= 相比较,可知其电子等能面的三个半轴a 、b 、c 分别为212])(2[ c t E E m b a -== 212])(2[c l E E m c -= 于是,K 空间能量为E 的等能面所包围的体积即可表示为232122)()8(3434C t l E E m m abc V -==ππ因为k 空间的量子态密度是V/(4π3),所以动能小于(E -E C )的状态数(球体内的状态数)就是2/332/122)()8(31C t l E E m m V Z -=π2、利用式(2-26)证明当价带顶由轻、重空穴带简并而成时,其态密度由式(2-25)给出。
证明:当价带顶由轻、重空穴带简并而成时,其态密度分别由各自的有效质量m p 轻和m p 重表示。
价带顶附近的状态密度应为这两个能带的状态密度之和。
即:2/132/321)()2(2)(E E m V E g V p V -= 轻π 2/132/322)()2(2)(E E m V E g V p V -=重π价带顶附近的状态密度 =)(E g V 1)(E g V 2)(E g V +即:=)(E g V 2/132/32)()2(2E E m V V p -轻π+2/132/32)()2(2E E m V V p - 重π ]2)2[()(223232212)(重轻p P V m m E E V +-=π 只不过要将其中的有效质量m p *理解为3/22/32/3*)(重轻p p p m m m +=则可得:])2)2[()2(2/32323*重轻(p p p m m m +=带入上面式子可得: 2/132/3*2)()2(2)(E E m V E g V p V -=π 3、完成本章从式(2-42)到(2-43)的推演,证明非简并半导体的空穴密度由式(2-43)决定。
第1章 半导体器件一、是非题 (注:请在每小题后[ ]内用"√"表示对,用"×"表示错) 1、P 型半导体可通过在本半导体中掺入五价磷元素而获得。
( ) 2、N 型半导体可以通过在本征半导体中掺入三价元素而得到。
( ) 3、在N 型半导体中,掺入高浓度的三价杂质可以发型为P 型半导体。
( ) 4、P 型半导体带正电,N 型半导体带负电。
( )5、N 型半导体的多数载流子是电子,所以它带负电。
( )6、半导体中的价电子易于脱离原子核的束缚而在晶格中运动。
( )7、半导体中的空穴的移动是借助于邻近价电子与空穴复合而移动的。
( )8、施主杂质成为离子后是正离子。
( )9、受主杂质成为离子后是负离子。
( )10、PN 结中的扩散电流是载流子在电场作用下形成的。
( ) 11、漂移电流是少数载流子在内电场作用下形成的。
( )12、由于PN 结交界面两边存在电位差,所以,当把PN 结两端短路时就有电流流过。
( ) 13、PN 结在无光照、无外加电压时,结电流为零。
( )14、二极管的伏安特性方程式除了可以描述正向特性和反向特性外,还可以描述二极管的反向击穿特性。
( ) 15、通常的BJT 管在集电极和发射极互换使用时,仍有较大的电流放大作用。
( ) 16、有人测得某晶体管的U BE =0.7V ,I B =20μA ,因此推算出r be =U BE /I B =0.7V/20μA=35kΩ。
( ) 17、有人测得晶体管在U BE =0.6V ,I B =5μA ,因此认为在此工作点上的r be 大约为26mV/I B =5.2kΩ。
( )18、有人测得当U BE =0.6V ,I B =10μA 。
考虑到当U BE =0V 时I B =0因此推算得到0.6060()100BE be B U r k I ∆-===Ω∆- ( )二、选择题(注:在每小题的备选答案中选择适合的答案编号填入该题空白处,多选或不选按选错论) . 1、在绝对零度(0K )时,本征半导体中_________ 载流子。
第五章半导体铸件一、填空I,半导体是指常海下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料物质。
2、半导体具有热敏性、光敏性、掺杂性的特性,坦重耍的是热敏性特性。
3、纯净硅或者镭原子最外层均有四个电子,常因热运动或光照等原因挣脱原子核的束缚成为自由电子,在原来的位置上留下一个空位,称为空穴.4、自由电子带建________ 电,空穴带正电。
5、半导体导电的一个她本特性是指,在外电场的作用下,自由电子和空穴均可定向移动形成电流。
6、在单晶硅(或者错〉中掺入微限的五价元素,如磷,形成掺杂半导体,大大提高/导电能力,这种半导体中自由电子数远大于空穴数,所以靠自由电子导电。
将这种半导体称为电子型半导体或N*半导体半导体。
7、在单晶硅(或者锌)中掺入微量的三价元诺,如硼,形成掺杂半导体,这种半导体中空穴数远大于自由电子数,所以靠空穴导电。
将这种半导体称为空穴里半导体或P型半导体半导体。
8、PN结具有单向导电性,即加正向电压时PN结导通,加反向电压时PN结截止。
9、PN结加正向电压是指在P区接电源正极,N区接电源负极,此时电流能通过PN结,称PN结处「导通状态"相反,PN结加反向电压是指在P区接电源负极,N区接电源正极,此时电流不能通过PN结,称PN结处于截止状态。
10、二极管的正极乂称为」1.极,由PN结的P区引出,负极乂称为阴极,由PN结的N区引出.Ik按照芯片材料不同,二极管可分为由二极管和楮二极管两种。
12、按照用途不同,二极管可分为普通二极管、整流二极管、开关二极管、拴压二极管、发光二极管。
13、二极管的伏安特性曲线是指二极管的电压电流关系曲线。
该曲线由」m特性和反向特性两部分组成。
14、二极管的正向压降是指正向电流通过二极管时二极管两端产生的电位差,也称为正向饱和电压.15、从二极管的伏安特性曲线分析,二极管加正向电压时二极管导通,导通时,硅管的正向压降约为0.7伏,错管的正向压降约为3伏。
16,二极管两端加反向电压时,管子处F截止状态.当反向电压增加到一定数值时,反向电流突然增大,二极管失去单向导电性特性,这种现象称为⅛________ o17、硅稳压二极管简称为稳压管,符号是_________________ 它与普通二极管不同的地方在于只要反向电潦在一定范围内反向击穿并不会造成会压二极管的损坏,以实现稳JK目的,所以电路中稳压管的两端应加反向电*。
1.1 确定晶胞中的原子数:(a )面心立方;(b )体心立方;(c)金刚石晶格。
解:(a )面心立方: 8个拐角原子×81=1个原子6个面原子×21=3个原子∴ 面心立方中共含4个原子(b )体心立方:8个拐角原子×81=1个原子1个中心原子 =1个原子 ∴ 体心立方中共含2个原子(c )金刚石晶格:8个拐角原子×81=1个原子6个面原子×21 =3个原子4个中心原子 =4个原子 ∴ 金刚是晶格中共含8个原子1.15 计算如下平面硅原子的面密度:(a )(100),(b )(110),(c )(111)。
解:(a):(100)平面面密度,通过把晶格原子数与表面面积相除得:面密度=()28-1043.52⨯个原子=214/1078.6cm 个原子⨯(b):(110)表面面密度=()28-1043.524⨯个原子=214/1059.9cm 个原子⨯(c):(111)表面面密度=()28-1043.534⨯个原子=214/1083.7cm 个原子⨯1.19(a )如果硅中加入浓度为2×1610/3cm 的替位硼杂质原子,计算单晶中硅原子替位的百分率。
(b )对于浓度为1510/3cm 的硼杂质原子,重新计算(a ) 解:(a ):硅原子的体密度()32238-/1000.51043.58cm 个原子个原子⨯≈⨯=∴ 硅原子替位百分率=005-0022161041001000.5102⨯=⨯⨯⨯ (b )同理:硅原子替位百分率=006-0022161021001000.5101⨯=⨯⨯⨯3.14 图3.35所示色E-k 关系曲线表示了两种可能的价带。
说明其中哪一种对应的空穴有效质量较大。
为什么?解:图中B 曲线对应的空穴有效质量较大空穴的有效质量: 2222*11m k d E d p ⨯=图中曲线A 的弯曲程度大于曲线B故 BAkd E d kd Ed 222222>∴()()**m m B p A p <3.16 图3.37所示为两种不同半导体材料导带中电子的E-k 关系抛物线,试确定两种电子的有效质量(以自由电子质量为单位)。
1.半导体硅材料的晶格结构是(A)A 金刚石B 闪锌矿C 纤锌矿2.下列固体中,禁带宽度 Eg 最大的是( C )A金属B半导体C绝缘体3.硅单晶中的层错属于( C )A点缺陷B线缺陷C面缺陷4.施主杂质电离后向半导体提供( B ),受主杂质电离后向半导体提供( A ),本征激发后向半导体提供( A B )。
A 空穴B 电子5.砷化镓中的非平衡载流子复合主要依靠( A )A 直接复合B 间接复合C 俄歇复合6.衡量电子填充能级水平的是( B )A施主能级B费米能级C受主能级 D 缺陷能级7.载流子的迁移率是描述载流子( A )的一个物理量;载流子的扩散系数是描述载流子( B ) 的一个物理量。
A 在电场作用下的运动快慢B 在浓度梯度作用下的运动快慢8.室温下,半导体 Si中掺硼的浓度为 1014cm-3,同时掺有浓度为 1.1×1015cm-3的磷,则电子浓度约为( B ),空穴浓度为( D ),费米能级( G );将该半导体升温至 570K,则多子浓度约为( F ),少子浓度为( F ),费米能级( I )。
(已知:室温下,ni≈1.5×1010cm-3,570K 时,ni≈2×1017cm-3)A 1014cm-3B 1015cm-3C 1.1×1015cm-3D 2.25×105cm-3E 1.2×1015cm-3F 2×1017cm-3G 高于 EiH 低于 Ei I等于 Ei9.载流子的扩散运动产生( C )电流,漂移运动产生( A )电流。
A 漂移B 隧道C 扩散10. 下列器件属于多子器件的是( B D )A稳压二极管B肖特基二极管C发光二极管 D 隧道二极管11. 平衡状态下半导体中载流子浓度n0p0=ni2,载流子的产生率等于复合率,而当np<ni2 时,载流子的复合率( C )产生率A大于B等于C小于12. 实际生产中,制作欧姆接触最常用的方法是( A )A重掺杂的半导体与金属接触B轻掺杂的半导体与金属接触13.在下列平面扩散型双极晶体管击穿电压中数值最小的是( C )A BVCEOB BVCBOC BVEBO14.MIS 结构半导体表面出现强反型的临界条件是( B )。
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.kE h m k ∂∂=21*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Ge μ>Si μ.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 μ>Ge μ>Si μ.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?解 本征载流子浓度:)exp()(1082.4215Tdp dn i k Eg m m m n ⨯= 两种半导体除禁带以外的其他性质相同∴)9.1exp()exp()exp(0.31.121Tk k k n n T T ==-- T k 9.1>0 ∴21n n > ∴在高温环境下2n 更合适 1.11 在300K 下硅中电子浓度330102-⨯=cm n ,计算硅中空穴浓度0p ,画出半导体能带图,判断该半导体是n 型还是p 型半导体.解 317321002020010125.1102)105.1(p -⨯=⨯⨯==→=cm n n n p n i i ∴>00n p 是p 型半导体 1.16 硅中受主杂质浓度为31710-cm ,计算在300K 下的载流子浓度0n 和0p ,计算费米能级相对于本征费米能级的位置,画出能带图.解 317010-==cm N p A 200i n p n = T=300K →310105.1-⨯=cm n i330201025.2-⨯==∴cm p nn i 00n p > ∴该半导体是p 型半导体)105.110ln(0259.0)ln(10170⨯⨯==-i FPi n p KT E E1.27 砷化镓中施主杂质浓度为31610-cm ,分别计算T=300K 、400K 的电阻率和电导率。
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.kE h m k ∂∂=21*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Ge μ>Si μ.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 μ>Ge μ>Si μ.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?解 本征载流子浓度:)exp()(1082.4215Tdp dn i k Eg m m m n ⨯= 两种半导体除禁带以外的其他性质相同∴)9.1exp()exp()exp(0.31.121Tk k k n n T T ==--T k 9.1>0 ∴21n n > ∴在高温环境下2n 更合适 1.11 在300K 下硅中电子浓度330102-⨯=cm n ,计算硅中空穴浓度0p ,画出半导体能带图,判断该半导体是n 型还是p 型半导体.解 317321002020010125.1102)105.1(p -⨯=⨯⨯==→=cm n n n p n i i ∴>00n p 是p 型半导体 1.16 硅中受主杂质浓度为31710-cm ,计算在300K 下的载流子浓度0n 和0p ,计算费米能级相对于本征费米能级的位置,画出能带图.解 317010-==cm N p A 200i n p n = T=300K →310105.1-⨯=cm n i330201025.2-⨯==∴cm p nn i 00n p > ∴该半导体是p 型半导体)105.110ln(0259.0)ln(10170⨯⨯==-i FPi n p KT E E1.27 砷化镓中施主杂质浓度为31610-cm ,分别计算T=300K 、400K 的电阻率和电导率。
解 316010-==cm N n D =⇒=⨯=⇒=-i i n K T cm n K T 40010230036 002n n p n p n ii o o =⇒= 电导率p n qp qn μμσ00+=,电阻率σρ1=1.40 半导体中载流子浓度314010-=cm n ,本征载流子浓度31010-=cm n i ,非平衡空穴浓度31310-=cm p δ,非平衡空穴的寿命s n 6010-=τ,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. 解 因为是n 型半导体t p N C n 10=τ cm n p p N C R t o 19010===τδδ)ln(0i i Fn n p n kT E E δ+=- )ln(io Fp i n pp kT E E δ+=- 2.2 有两个pn 结,其中一个结的杂质浓度317315105,105--⨯=⨯=cm N cm N A D ,另一个结的杂质浓度319317105,105--⨯=⨯=cm N cm N A D ,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)ln(2iD A D n NN q kT V = 可知D V 与A N 和D N 有关,所以杂质浓度不同接触电势差也不同.2.5 硅pn 结31731610,105--=⨯=cm N cm N A D ,分别画出正偏0.5V 、反偏1V 时的能带图.解 310105.1300-⨯=⇒=cm n K T i21061761619232)105.1(101010105ln 106.13001038.1)ln(⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==----iD A D n N N q kT V =V 21002.8-⨯ 正偏:1919108.01037.0)(--⨯=⨯=-qV V V q D 反偏:1919106.110728.1)(--⨯=⨯=+R R D V q V V q2.12 硅pn 结的杂质浓度分别为315317101,103--⨯=⨯=cm N cm N A D ,n 区和p 区的宽度大于少数载流子扩散长度,s p n μττ1==,结面积=16002m μ,取s cm D s cm D p n /13,/2522==,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)310105.1300-⨯=⇒=cm n K T is s p n 6101-===μττ 252106.11600cm m A s -⨯==μs d d A I J =)exp(0kT qVJ J d = n p n p n p L n qD L p qD J 000+= p p p D L τ= n n n D L τ= 0ln J J q kT V d=∴(2)3ln ln 3ln 00qkT J J q kT J J q kT V d d =-=∆ (3)31310400-=⇒=cm n K T 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(=-=od o d J J kT qVJ J 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V N V D B 601064313=⨯=-(2)21335243102,300106--⨯=∴=⨯=cm N V N V D DB)·/(1350112s cm qn n nνμμσρ===得由 2.24 硅突变pn 结316318105.1,105--⨯=⨯=cm N cm N D A ,设pn 结击穿时的最大电场为cm V E c /1055⨯=,计算pn 结的击穿电压. 解 突变结反向击穿电压DA DA rB N N N N N E qN V +==,21200εε 2.25 在杂质浓度315102-⨯=cm N D 的硅衬底上扩散硼形成pn 结,硼扩散的便面浓度为31810-=cm N A ,结深m μ5,求此pn 结5V 反向电压下的势垒电容.解 31])(12)([2V V qa A C D o T -=εε 2.26 已知硅n p +结n 区电阻率为cm ·1Ω,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1361045.8--⨯=cm C i ,锗pn 结1341025.6--⨯=cm C i )解 n nq n qn μρμσρ=⇒==11n N N V D D B =⨯=-,106431381)8(0εεi D c C qN E = cB c B E VW W E V 221=⇒=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。
解 (1)C B A B B ENB E BPE B x W W D N W D N γγγγ=>∴=-=,1(2)TC TB TA nB r B T r nB nB nB B NB B T D W D W L W αααρααραττα>=⇒-=⇒=-=-=211,21)(21102022(3)ptC ptB ptA CB C B Bpt V V V N N N N x V <=⇒+=)(202εε (4)TBTC TA A D A D D T C C C N N N N V V q A C >=⇒++-=BD B0N N N ·]·)(2[21εε (5)3.9 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γ,基区输运系数V V BE T 55.0,=α,计算复合系数δ,并由此计算晶体管的共发射极电流放大系数β。
解ααβγδαα-==1,T B b B s r BE s r nB nB B T E nB E BpE B W n qD J J kTqV J J D W W D N W D N 00i 0002,2Wqn )2exp(11,21,1==-+=-=-=τδταγ其中3.13 已知npn 非均匀基区晶体管的有关参数为m x m x je jc μμ3,5==,电子扩散系数s s cm D n n μτ1,/82==,本征基区方块电阻Ω=Ω=5,2500sE sB R R ,计算其电流放大系数βα、.解 基区输运系数221nBB T L Wηα-=(基区宽度je jc B x x W -=,基区少子扩散长度n n nB D L τ·=),发射结注入效率sB sER R -=1γ(sER &sB R 发射区和基区的方块电阻) 发射结复合系数1=δ共基极直流电流放大系数δγααT ==0.9971 共发射极直流电流放大系数ααβ-=1=352.1489 3.34 硅晶体管的标称耗散功率为20W,总热阻为W C /5︒,满负荷条件下允许的最高环境温度是多少?(硅C T jm ︒=200,锗C T jm︒=100) 解 最大耗散功率Tajm CM R T T P -=⇒CM T jm a P R T T -= 满负荷条件下有CM T jm a P R T T -≤,其中W C R C T T jm /5,200︒︒==3.39 晶体管穿通后的特性如何变化?某晶体管的基区杂质浓度31910-=cm N B ,集电区的杂质浓度315105-⨯=cm N C ,基区的宽度m W B μ3.0=,集电区宽度m W C μ10=,求晶体管的击穿电压.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。