半导体物理分章答案第八章

半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。

它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。

2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。

3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。

自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。

空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。

4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。

掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。

1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。

晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。

晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。

2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。

3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。

晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。

2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。

3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。

1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。

它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。

晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。

常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。

掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。

常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。

第 1 页第一章 半导体中的电子状态1. 设晶格常数为 a 的一维晶格，导带极小值附近能量 E c （k ）和价带极大值附近 能量 E v （k ）分别为：E c (k)=2 2h k + 3m 02h (k − m 0k1) 2和 E v (k)= 2 2h k － 6m 0322h k ； m 0m 0为电子惯性质量，k 1＝1/2a ；a ＝0.314nm 。

试求： ①禁带宽度；②导带底电子有效质量； ③价带顶电子有效质量；④价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。

[解] ①禁带宽度 Eg22h k − k ＝0；可求出对应导带能量极小值 E min的 k 值：根据 dEc (k ) ＝2h k ＋2( dk 3m 0m 03 ，1 )k min＝ k 14由题中 E C式可得：E min＝E C(K)|k=k min=h k 2；m 401 由题中 E V式可看出，对应价带能量极大值 Emax 的 k 值为：k max＝0；2 2 2h 2并且 E min＝E V(k)|k=k max＝k ；∴Eg ＝E min－E max＝hk 1＝ h 21 6m 12m48m a 20 −27 20 0＝×−28× (6.62 ×10) −8 2 ×× −11＝0.64eV48 × 9.1 10(3.14 ×10 1.6 10②导带底电子有效质量 m n22 2 22d E C= 2h + 2h = 8h ；∴ m n＝ h2 / d E C =3 m 0dk 23m 0 m 0 3m 0dk 28 ③价带顶电子有效质量 m ’222d E V= −6h'=，∴ mh2/ d E V= − 1 mdk 2m 0ndk 2 6 0④准动量的改变量h△k ＝ h (k min-k max)=3 4h k1=3h 8a2. 晶格常数为 0.25nm 的一维晶格，当外加 102V/m ，107V/m 的电场时，试分别 计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。

半导体物理习题第八章答案半导体物理习题第八章答案第一题：根据题目要求，我们需要计算一个p型半导体的载流子浓度。

根据半导体物理的知识，p型半导体中主要存在的是空穴载流子，因此我们需要计算空穴浓度。

在p型半导体中，空穴浓度可以通过以下公式计算：p = ni^2 / n其中，p表示空穴浓度，ni表示本征载流子浓度，n表示杂质浓度。

根据题目给出的数据，本征载流子浓度ni为2.5 x 10^16 cm^-3，杂质浓度n为1 x10^16 cm^-3。

将这些数据代入公式中，我们可以得到：p = (2.5 x 10^16 cm^-3)^2 / (1 x 10^16 cm^-3) = 6.25 x 10^16 cm^-3因此，该p型半导体的空穴浓度为6.25 x 10^16 cm^-3。

第二题：第二题要求我们计算一个n型半导体的载流子浓度。

根据半导体物理的知识，n 型半导体中主要存在的是电子载流子，因此我们需要计算电子浓度。

在n型半导体中，电子浓度可以通过以下公式计算：n = ni^2 / p其中，n表示电子浓度，ni表示本征载流子浓度，p表示空穴浓度。

根据题目给出的数据，本征载流子浓度ni为2.5 x 10^16 cm^-3，空穴浓度p为5 x10^15 cm^-3。

将这些数据代入公式中，我们可以得到：n = (2.5 x 10^16 cm^-3)^2 / (5 x 10^15 cm^-3) = 12.5 x 10^16 cm^-3因此，该n型半导体的电子浓度为12.5 x 10^16 cm^-3。

第三题：第三题要求我们计算一个p-n结的内建电势。

根据半导体物理的知识，p-n结的内建电势可以通过以下公式计算：Vbi = (kT / q) * ln(Na * Nd / ni^2)其中，Vbi表示内建电势，k表示玻尔兹曼常数，T表示温度，q表示电子电荷量，Na和Nd分别表示p型和n型半导体中杂质浓度，ni表示本征载流子浓度。

第8章 半导体表面与MIS 结构许多半导体器件的特性都和半导体的表面性质有着密切关系，例如，晶体管和集成电路的工作参数及其稳定性在很大程度上受半导体表面状态的影响；而MOS 器件、电荷耦合器件和表面发光器件等，本就是利用半导体表面效应制成的。

因此．研究半导体表面现象，发展相关理论，对于改善器件性能，提高器件稳定性，以及开发新型器件等都有着十分重要的意义。

§8.1 半导体表面与表面态在第2章中曾指出，由于晶格不完整而使势场的周期性受到破坏时，禁带中将产生附加能级。

达姆在1932年首先提出：晶体自由表面的存在使其周期场中断，也会在禁带中引入附加能级。

实际晶体的表面原子排列往往与体内不同，而且还存在微氧化膜或附着有其他分子和原子，这使表面情况变得更加复杂。

因此这里先就理想情形，即晶体表面无缺陷和附着物的情形进行讨论。

一、理想一维晶体表面模型及其解达姆采用图8-l 所示的半无限克龙尼克—潘纳模型描述具有单一表面的一维晶体。

图中x ＝0处为晶体表面；x ≥0的区域为晶体内部，其势场以a 为周期随x 变化；x ≤0的区域表示晶体之外，其中的势能V 0为一常数。

在此半无限周期场中，电子波函数满足的薛定谔方程为)0(20202≤=+-x E V dx d m φφφη (8-1))0()(2202≥=+-x E x V dx d m φφφη (8-2)式中V (x)为周期场势能函数，满足V (x +a )=V(x )。

对能量E ＜V 0的电子，求解方程(8-1)得出这些电子在x ≤0区域的波函数为 ])(2ex p[)(001x E V m A x η-=φ (8-3) 求解方程(8-2)，得出这些电子在x ≥0区域中波函数的一般解为kx i k kx i k e x u A e x u A x ππφ22212)()()(--+= (8-4)当k 取实数时，式中A 1和A 2可以同时不为零，即方程(8-2)满足边界条件φ1(0)=φ2(0)和φ1'(0)=φ2'(0)的解也就是一维无限周期势场的解，这些解所描述的就是电子在导带和价带中的允许状态。

第8章 半导体表面与MIS 结构2.对于电阻率为8cm Ω⋅的n 型硅，求当表面势0.24s V V =-时耗尽层的宽度。

解：当8cm ρ=Ω⋅时：由图4-15查得1435.810D N cm -=⨯∵22D d s rs qN x V εε=-，∴1022()rs s d D V x qN εε=-代入数据：11141352219145211.68.85100.24 4.9210()()7.3101.610 5.8109.2710d x cm -----⨯⨯⨯⨯⨯==⨯⨯⨯⨯⨯3.对由电阻率为5cm Ω⋅的n 型硅和厚度为100nm 的二氧化硅膜组成的MOS 电容，计算其室温（27℃）下的平带电容0/FB C C 。

解：当5cm ρ=Ω⋅时，由图4-15查得143910D N cm -=⨯；室温下0.026eV kT =，0 3.84r ε=（SiO 2的相对介电系数） 代入数据，得：1141/20002197722110.693.84(11.68.85100.026)11()11.6 1.61010010310FBr rs rs A C C kT q N d εεεε---===⨯⨯⨯+⋅+⨯⨯⨯⨯⨯此结果与图8-11中浓度为1⨯1015/cm 3的曲线在d 0=100nm 的值非常接近。

4. 导出理想MIS 结构的开启电压随温度变化的表示式。

解：按定义，开启电压U T 定义为半导体表面临界强反型时加在MOS 结构上的电压，而MOS结构上的电压由绝缘层上的压降U o 和半导体表面空间电荷区中的压降U S （表面势）两部分构成，即oST S Q U U C =-+ 式中，Q S 表示在半导体表面的单位面积空间电荷区中强反型时的电荷总数，C o 单位面积绝缘层的电容，U S 为表面在强反型时的压降。

U S 和Q S 都是温度的函数。

以p 型半导体为例，强反型时空间电荷区中的电荷虽由电离受主和反型电子两部分组成，且电子密度与受主杂质浓度N A 相当，但反型层极薄，反型电子总数远低于电离受主总数，因而在Q S 中只考虑电离受主。

半导体物理与器件习题目录半导体物理与器件习题 (1)一、第一章固体晶格结构 (2)二、第二章量子力学初步 (2)三、第三章固体量子理论初步 (2)四、第四章平衡半导体 (3)五、第五章载流子输运现象 (5)六、第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (5)七、第七章pn结 (6)八、第八章pn结二极管 (6)九、第九章金属半导体和半导体异质结 (7)十、第十章双极晶体管 (7)十一、第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (8)十二、第十二章MOSFET概念的深入 (9)十三、第十三章结型场效应晶体管 (9)一、第一章固体晶格结构1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是。

2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。

3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm。

4．什么是晶体？晶体主要分几类？5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。

常用的掺杂方法有扩散和离子注入。

6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？二、第二章量子力学初步1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。

2．什么是概率密度函数？3．描述原子中的电子的四个量子数是：、、、。

三、第三章固体量子理论初步1．能带的基本概念◼能带（energy band）包括允带和禁带。

◼允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。

◼禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。

◼允带又分为空带、满带、导带、价带。

◼空带（empty band）：不被电子占据的允带。

◼满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。

导带：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。

价带:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。

半导体物理学习题答案（有目录）半导体物理习题解答目录1－1．（P32）设晶格常数为a的一维晶格，导带极小值附近能量E c（k）和价带极大值附近能量E v（k）分别为： (2)1－2．（P33）晶格常数为0.25nm的一维晶格，当外加102V/m，107V/m的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。

(3)3－7．（P81）①在室温下，锗的有效状态密度Nc＝1.05×1019cm－3，Nv＝5.7×1018cm－3，试求锗的载流子有效质量mn*和mp*。

(3)3－8．（P82）利用题7所给的Nc和Nv数值及Eg＝0.67eV，求温度为300k和500k时，含施主浓度ND＝5×1015cm-3，受主浓度NA＝2×109cm-3的锗中电子及空穴浓度为多少？ (4)3－11．（P82）若锗中杂质电离能△ED＝0.01eV，施主杂质浓度分别为ND＝1014cm-3及1017cm-3，计算(1)99%电离，(2)90%电离，(3)50%电离时温度各为多少？ (5)3－14．（P82）计算含有施主杂质浓度ND＝9×1015cm-3及受主杂质浓度为1.1×1016cm-3的硅在300k 时的电子和空穴浓度以及费米能级的位置。

(6)3－18．（P82）掺磷的n型硅，已知磷的电离能为0.04eV，求室温下杂质一般电离时费米能级的位置和磷的浓度。

(7)3－19．（P82）求室温下掺锑的n型硅，使EF＝(EC＋ED)/2时的锑的浓度。

已知锑的电离能为0.039eV。

(7)3－20．（P82）制造晶体管一般是在高杂质浓度的n型衬底上外延一层n型的外延层，再在外延层中扩散硼、磷而成。

①设n型硅单晶衬底是掺锑的，锑的电离能为0.039eV，300k时的EF位于导带底下面0.026eV处，计算锑的浓度和导带中电子浓度。

(8)4－1．（P113）300K时，Ge的本征电阻率为47Ω.cm，如电子和空穴迁移率分别为3900cm2/V.S和1900cm2/V.S，试求本征Ge的载流子浓度。

第一章习题1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E V (k)分别为：E C （K ）=0220122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V -=-+ 0m 。

试求：为电子惯性质量，nm a ak 314.0,1==π（1）禁带宽度;（2）导带底电子有效质量; （3）价带顶电子有效质量;（4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解：（1）eVm k E k E E E k m dk E d k m kdk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43(0,060064338232430)(2320212102220202020222101202==-==<-===-==>=+===-+ηηηηηηηη因此：取极大值处，所以又因为得价带：取极小值处，所以：在又因为：得：由导带：043222*83)2(1m dk E d mk k C nC===ηsN k k k p k p m dkE d mk k k k VnV/1095.7043)()()4(6)3(25104300222*11-===⨯=-=-=∆=-==ηηηηη所以：准动量的定义：2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107 V/m 的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。

解：根据：tkhqE f ∆∆== 得qE k t -∆=∆ηsat sat 137192821911027.810106.1)0(1027.810106.1)0(----⨯=⨯⨯--=∆⨯=⨯⨯--=∆ππηη补充题1分别计算Si （100），（110），（111）面每平方厘米内的原子个数，即原子面密度（提示：先画出各晶面内原子的位置和分布图）Si 在（100），（110）和（111）面上的原子分布如图1所示：（a ）(100)晶面 （b ）(110)晶面（c ）(111)晶面补充题2一维晶体的电子能带可写为)2cos 81cos 87()22ka ka ma k E +-=η（， 式中a 为 晶格常数，试求（1）布里渊区边界； （2）能带宽度；（3）电子在波矢k 状态时的速度；（4）能带底部电子的有效质量*n m ；（5）能带顶部空穴的有效质量*p m解：（1）由0)(=dk k dE 得 an k π= （n=0，±1，±2…） 进一步分析an k π)12(+= ，E （k ）有极大值，214221422142822/1083.7342232212414111/1059.92422124142110/1078.6)1043.5(224141100cm atom a a a cm atom a a a cm atom a a ⨯==⨯+⨯+⨯⨯==⨯⨯+⨯+⨯=⨯==⨯+-）：（）：（）：（222)mak E MAXη=（ ank π2=时，E （k ）有极小值所以布里渊区边界为an k π)12(+=(2)能带宽度为222)()ma k E k E MIN MAX η=-（ (3）电子在波矢k 状态的速度)2sin 41(sin 1ka ka ma dk dE v -==ηη （4）电子的有效质量)2cos 21(cos 222*ka ka mdkEd m n-==η能带底部 an k π2=所以m m n 2*= (5)能带顶部 an k π)12(+=， 且**n p m m -=，所以能带顶部空穴的有效质量32*mm p =半导体物理第2章习题1. 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？答：（1）理想半导体：假设晶格原子严格按周期性排列并静止在格点位置上，实际半导体中原子不是静止的，而是在其平衡位置附近振动。

Chapter 88.1In forward bias Then or (a)For 1021=f f I I , thenor6.5921=-V V mV 60≅mV (b)For 10021=f f I I , thenor3.11921=-V V mV 120≅mV_______________________________________ 8.2()4152102108125.2108105.1⨯=⨯⨯==a i po N n n cm 3-()515210210125.1102105.1⨯=⨯⨯==d i no N n p cm 3-(a) 45.0=a V V,121095.3⨯=cm 3- or()111088.9⨯=-p p x n cm 3- (b) 55.0=a V V,141088.1⨯=cm 3- 131069.4⨯=cm 3- (c) 55.0-=a V V_______________________________________ 8.3()516262101.8104108.1-⨯=⨯⨯==a i po N n n cm 3-()4162621024.310108.1-⨯=⨯==d i noN n p cm 3-(a) 90.0=a V V,11100.4⨯=cm 3- 10100.10⨯=cm 3- (b) 10.1=a V V141003.9⨯=cm 3-141026.2⨯=cm 3-_______________________________________ 8.43105.4⨯=cm 3-4105.4⨯=cm 3-(i)()⎪⎪⎭⎫⎝⎛=t a no n n V V p x p exp or ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡=no n n t a p x p V V ln599.0=V (ii) n-region - lower doped side 410214.3⨯=cm 3-3105.7⨯=cm 3-(i) ()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=po a t a n N V V 1.0ln6165.0=V(ii) p-region - lower doped side_______________________________________ 8.5849.1=A/cm 2()()()849.1103-=-=p n n x AJ I Aor 85.1=n I mA521.4=A/cm 2()()()521.4103-==n p p x AJ I Aor 52.4=p I mA(a) 37.652.485.1=+=+=p n I I I mA _______________________________________ 8.6For an p n + silicon diode or15108.1-⨯=S I A (a) For 5.0=a V V, or71036.4-⨯=D I A(b) For 5.0-=a V V, or15108.1-⨯-=-≅S D I I A_______________________________________ 8.7410568.1-⨯=s J A/cm 2 41044.2-⨯= A or 244.0=I mA810568.1-⨯-= A_______________________________________ 8.81110145.5-⨯=s J A/cm 2 1410029.1-⨯= A (i)()⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=-0259.045.0exp 10029.114I71061.3-⨯= A(ii)()⎪⎭⎫⎝⎛⨯=-0259.055.0exp 10029.114I51072.1-⨯= A (iii)()⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=-0259.065.0exp 10029.114I 41016.8-⨯= A_______________________________________ 8.9We haveor we can write this as so thatIn reverse bias, I is negative, so at90.0-=SI I, we haveor6.59-=V mV_______________________________________ 8.10Case 1: ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=t a s V V I I exp1510305.6-⨯=⇒s I A 1210305.6-⨯=mA 810153.3-⨯=mA/cm 2Case 2: ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=t a s V V I I exp or 093.1=I mA9102-⨯=mA/cm 2Case 3: ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=t a s V V AJ I exp So ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=s t a AJ I V V ln6502.0=a V V Then()()1174101010---===s s AJ I mACase 4: ⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=0259.072.0exp 20.1exp ta s V V I I1210014.1-⨯=s I mA 51007.5-⨯=cm 2 _______________________________________ 8.1107857.0=da N Nor73.12=adN N (a) From part (a),828.2=daN N or 354.0=adN N _______________________________________ 8.12The cross-sectional area is43105201010--⨯=⨯==J I A cm 2We have which yields1010522.2-⨯=S J A/cm 2 We can write We want or=()10.010472.410071.710071.7333=⨯+⨯⨯da N Nwhich yields Now We find141009.7⨯=d N cm 3- and161001.1⨯=a N cm 3-_______________________________________ 8.13Plot_______________________________________ 8.14 (a)We have4.21==np np D D μμ and 1.01=po no ττ soor(b) Using Einstein's relation, we can write We haved n n Ne μσ= and a p p N e μσ= Also Then_______________________________________ 8.15(a) p-side; or329.0=-F Fi E E eV Also on the n-side; or407.0=-Fi F E E eV (b) We can find()()4.320259.01250==n D cm 2/s ()()29.80259.0320==p D cm 2/sNow or1110426.4-⨯=S J A/cm 2 Then or1510426.4-⨯=S I A We find or61007.1-⨯=I A μ07.1= A (c) The hole current is or⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯=-t D p V V I exp 10278.316 (A) Then_______________________________________ 8.161410342.1-⨯=sp I A ()()()162107419105105.110225105106.1⨯⨯⋅⨯⨯⨯=--- 1510025.4-⨯=sn I A746826.0=V()()()59746.0746826.08.08.0===bi a V V V 141056.1⨯=cm 3- 5101981.4-⨯= A 4103997.1-⨯= A 410820.1-⨯= ANow5104896.8-⨯= A Then510710.9-⨯= A_______________________________________ 8.17(a) The excess hole concentration is given byWe find()41621021025.210105.1⨯=⨯==d i no N n p cm 3- and410828.2-⨯=cm μ828.2=m Then or()⎪⎭⎫⎝⎛⨯-⨯=-41410828.2exp 1081.3x p n δ cm 3-(b) We haveAt 4103-⨯=x cm, or()5966.03=p J A/cm 2 (c) We haveWe can determine that3105.4⨯=po n cm 3- andμ72.10=n L m Then or2615.0=no J A/cm 2 We can also find724.1=po J A/cm 2Then at μ3=x m, or()39.13=n J A/cm 2_______________________________________ 8.18 (a) Problem 8.7 or()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=a i a t po p t a N n N V n n V V 21.0ln ln 205.0=V (b) Problem 8.8or ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=no n t a p p V V ln ()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=d i d t N n N V 21.0ln623.0=V_______________________________________8.19The excess electron concentration is given byThe total number of excess electrons is We may note that ThenWe find that25=n D cm 2/s and μ0.50=n L m Also()41521021081.2108105.1⨯=⨯⨯==a i po N n n cm 3- Then orThen, we find the total number of excess electrons in the p-region to be: (a)3.0=a V V, 41051.1⨯=p N(b)4.0=a V V, 51017.7⨯=p N (c)5.0=a V V, 71040.3⨯=p N Similarly, the total number of excess holes inthe n-region is found to be We find that0.10=p D cm 2/s and μ0.10=p L mAlso()41621021025.210105.1⨯=⨯==d i no N n p cm 3- Then So(a)3.0=a V V, 31041.2⨯=n P(b)4.0=a V V, 51015.1⨯=n P (c)5.0=a V V, 61045.5⨯=n P_______________________________________ 8.20Then so orWe then have or Then or769.02=g E eV_______________________________________ 8.21(a) We havewhich can be written in the form or(b) Taking the ratioFor 3001=T K, 0259.01=kT ,61.3811=kT For 4002=T K, 03453.02=kT , 96.2812=kT (i) Germanium: 66.0=g E eV or138312=S S I I (ii) Silicon: 12.1=g E eVor5121017.1⨯=S S I I _______________________________________ 8.22Plot_______________________________________ 8.23First case: or()05049.0102ln 50.0ln 4=⨯==sf a t I I V V VNow ()⎪⎭⎫⎝⎛=3000259.005049.0T8.584=⇒T K Second case:or 272102519.8⨯=i n NowBy trial and error, 502≅T KThe reverse-bias current is limiting factor. _______________________________________ 8.24()()37101010--===po p p D L τcmor μ10=p L m; p n L W <<⇒(i)()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==tano d n n VV p N x p exp 1.0 or ()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=221.0ln i d t a n N V V 5516.0=a V V(ii)⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=t ad i n p p V VN n W AeD I exp 2310565.4-⨯=p I A 61026.2-⨯=n I A 310567.4-⨯= A or 567.4=I mA (b)(i)()()⎪⎪⎭⎫⎝⎛==-t a po a p p V V n N x n exp 1.0 or ()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=221.0ln i a t a n N V V 5516.0=a V V (ii)⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=t adi n p p V VN n W AeD I exp 2 510565.4-⨯=p I A 4102597.2-⨯=n I A 410716.2-⨯= A or 2716.0=I mA_______________________________________ 8.25(a) We can write for the n-region The general solution is of the formThe boundary condition at n x x =gives and the boundary condition at n n W x x += givesFrom this equation, we haveThen, from the first boundary condition, weobtainWe then obtainwhich can be written as We can also findThe solution can now be written as or finally (b)=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-p n t a no p L W V V p eD sinh 1expThen_______________________________________ 8.26For the temperature range 320300≤≤T K,neglect the change in c N and υN . ThenTaking the ratio of currents, but maintainingD I a constant, we have We then have We have300=T K , 60.01=D V V and 0259.01=kT eV,0259.01=ekT V 310=T K ,02676.02=kT eV,02676.02=ekT V 320=T K ,02763.03=kT eV,02763.03=ekT V For 310=T K , which yields5827.02=D V V For 320=T K , which yields5653.03=D V V_______________________________________ 8.27(a) We can writewhere C is a constant, independent of temperature.As a first approximation, neglect the variation of c N and υN with temperatureover the range of interest. We can then writewhere 1C is another constant, independent oftemperature. We find or_______________________________________ 8.281510323.2-⨯=s I A We find7665.0=V and510109.6-⨯=W cm Then()()()()()751019410210109.6105.1106.110----⨯⨯⨯=gen I 1110331.7-⨯= A_______________________________________ 8.29(a) Set gen S I I =,so 131321050.2109528.3100545.3--⨯+⨯⨯=i n 1410734.4⨯=cm 3- ThenBy trial and error,567≅T K We have()()()()()751419410210109.610734.4106.110----⨯⨯⨯=Thengen s I I +610314.2-⨯= Aor μ314.2==gen s I I A (b) From Problem 8.281510323.2-⨯=s I A 1110331.7-⨯=gen I ASo ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=t a gen t a s V V I V V I I 2exp exp 5366.0=V_______________________________________ 8.305.142=cm 2/s()()70.52200259.0==p D cm 2/s(a)(i)⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+=00211p p dn nais D N D N Aen I ττ 221050.1-⨯=s I A (ii)⎪⎪⎭⎫⎝⎛=tas D VV I I exp 1210726.1-⨯= A(iii)()⎪⎭⎫⎝⎛⨯=-0259.08.0exp 1050.122D I910896.3-⨯= A(iv)()⎪⎭⎫⎝⎛⨯=-0259.00.1exp 1050.122D I610795.8-⨯= A(b)02τWAen I i gen =263.1=V 510201.4-⨯=cm (i)Then()()()()()856194102210201.4108.1106.1102----⨯⨯⨯⨯⨯=genI 1410049.6-⨯= A(ii)⎪⎪⎭⎫⎝⎛=t a ro rec V V I I 2exp 910436.6-⨯= A(iii)()()⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯=-0259.028.0exp 10614rec I710058.3-⨯= A(iv)()()⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯=-0259.020.1exp 10614rec I510453.1-⨯= A_______________________________________ 8.31Using results from Problem 8.30, we find 4.0=a V V, 161064.7-⨯=d I A, 101035.1-⨯=rec I A, 101035.1-⨯≅T I A6.0=a V V, 121073.1-⨯=d I A 91044.6-⨯=rec I A, 91044.6-⨯≅T I A8.0=a V V, 91090.3-⨯=d I A71006.3-⨯=rec I A, 71010.3-⨯=T I A0.1=a V V, 61080.8-⨯=d I A 51045.1-⨯=rec I A, 51033.2-⨯=T I A2.1=a V V. 21099.1-⨯=d I A 41090.6-⨯=rec I A,21006.2-⨯=T I A_______________________________________ 8.32Plot_______________________________________ 8.33Plot_______________________________________ 8.34We have thatLet O nO pO τττ≡= and i n p n ='='We can write andWe also have so thatThen DefinekT eV a a =η and ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=kT E E Fi Fn η Then the recombination rate can be written asorTo find the maximum recombination rate, setorwhich simplifies toThe denominator is not zero, so we have orThen the maximum recombination rate becomes orwhich can be written asIf ()e kT V a >>, then we can neglect the (-1)term in the numerator and the (+1) term in thedenominator, so we finally have_______________________________________ 8.35We haveIn this case, 19104⨯='=g G cm 3-s 1- and isa constant through the space charge region. Then We find or659.0=bi V V Also or41035.2-⨯=W cm Then or3105.1-⨯=gen J A/cm 2_______________________________________ 8.36 or1110638.1-⨯=S J A/cm 2 Now We want orwhich can be written as We find or548.0=D V V_______________________________________ 8.3781016.1-⨯= For 6.11=d C nF91016.1-⨯= F or 16.1=d C nF_______________________________________ 8.38(a) VQC d ∆∆=, For 2.1=D I mA101079.5-⨯= C (b) For 12.0=D I mA 111079.5-⨯= C_______________________________________ 8.39For a n p + diodet DQ d V I g =, tpODQ d V I C 2τ=Now231086.30259.010--⨯==d g Sand()()()9731093.10259.021010---⨯==d C FWe havewhere f πω2= We obtain10=f kHz , 0814.09.25j Z -=100=f kHz , 814.09.25j Z -= 1=f MHz , 41.76.23j Z -= 10=f MHz , 49.738.2j Z -= _______________________________________ 8.40Reverse bias790.0=Vr bi j V V C +⨯=-12101078.5 FR V (V) j C (pF) 10 1.555 5 2.123 3 2.624 1 3.818 0 5.74720.0- 6.650 40.0- 8.179 Forward biasFor no po d a I I N N >>⇒>> Then()⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯=-t a po V V I exp 10006.114A a V (V) d C (F) + j C (F)= Total C (F)_______________________________________ 8.41For a n p + diode, nO pO I I >>, then Now6105.22-⨯=tpOV τF/AThen or7103.1-⨯=pO τsAt 1 mA, or9105.2-⨯=d C F_______________________________________ 8.42(i) tp po d V I C 20τ=or ()()()7910100259.022--==p d t po C V I τ 41018.5-⨯= A or 518.0=po I mA(ii) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=t a d i p ppo V V N n D Ae I exp 20τ 618.0=V(iii) Ω=⨯==-5010518.00259.03D t d I V r(b)(i)()()()790101025.00259.022--⨯==p d t po C V I τ 410295.1-⨯= Aor 1295.0=po I mA(ii) ()⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯=--1431025.2101295.0ln 0259.0a V5821.0=V(iii) Ω=⨯=-200101295.00259.03d r_______________________________________ 8.43(a) p-region: so orn-region: so orThe total resistance is or (b)which yields 38.1=I mA_______________________________________ 8.44 orWe can write(a) (i) For 1=D I mA, or 567.0=V V (ii) For 10=D I mA, or 98.1=V V (b) Set 0=R (i) For 1=D I mA, or 417.0=V V (ii) For 10=D I mA, or 477.0=V V_______________________________________ 8.45or 41009375.8-⨯=D I A 4896.0=a V V(a) 4103167.4600259.0-⨯===d t D r V I A 4733.0=V_______________________________________ 8.46(a) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==t a t S a Dd V V V I dV dI r exp 11 orwhich yields (b)which yields_______________________________________ 8.47(a) If 2.0=FR I IThen we have orWe find(b) If 0.1=FR I I, thenwhich yields_______________________________________ 8.48(a) erf RF Fp s I I I t +=τerf 3.0= erf ()5477.0≅erf ()56332.055.0= Then FR I I +=1156332.0 (b) erf()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+F Rp p p II t tt 1.01exp 02022τπττ By trial and error,80.002≅p t τ_______________________________________ 8.4918=j C pF at 0=R V 2.4=j C pF at 10=R V V We have710-==pO nO ττs , 2=F I mA and 11010==≅R V I R R mA So or7101.1-⨯=s t s Also1.1122.418=+=avg C pF The time constant is71011.1-⨯=s Now, the turn-off time is or71021.2-⨯=off t s_______________________________________ 8.50()()()136.1105.1105ln 0259.0210219=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⨯⨯=bi V VWe find which yields71017.6-⨯=W cm oA 7.61=_______________________________________ 8.51Sketch_______________________________________ 8.53From Figure 7.15, 15109⨯≅d N cm 3- Let 17105⨯=a N cm 3-()4152102105.2109105.1⨯=⨯⨯==d i no N n p cm 3- Then()6295.0105.2109ln 0259.0414=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯=a V V1210389.1-⨯= A or 21091.4-⨯=A cm 2_______________________________________。