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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.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.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:两种半导体除禁带以外的其他性质相同 0 在高温环境下更合适1.11 在300K下硅中电子浓度,计算硅中空穴浓度,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 是p型半导体1.16 硅中受主杂质浓度为,计算在300K下的载流子浓度和,计算费米能级相对于本征费米能级的位置,画出能带图.解 T=300K 该半导体是p型半导体1.27 砷化镓中施主杂质浓度为，分别计算T=300K、400K的电阻率和电导率。解 电导率，电阻率1.40 半导体中载流子浓度,本征载流子浓度,非平衡空穴浓度,非平衡空穴的寿命,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 2.2 有两个pn结,其中一个结的杂质浓度,另一个结的杂质浓度,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 可知与和有关,所以杂质浓度不同接触电势差也不同.2.5 硅pn结,分别画出正偏0.5V、反偏1V时的能带图.解 =正偏:反偏:2.12 硅pn结的杂质浓度分别为,n区和p区的宽度大于少数载流子扩散长度,结面积=1600,取,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) (2)(3) . .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 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(2)2.24 硅突变pn结,设pn结击穿时的最大电场为,计算pn结的击穿电压.解 突变结反向击穿电压2.25 在杂质浓度的硅衬底上扩散硼形成pn结,硼扩散的便面浓度为,结深,求此pn结5V反向电压下的势垒电容.解 2.26 已知硅结n区电阻率为,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，锗pn结）解 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。器件基区杂质浓度基区宽度ABC解 (1)(2)(3)(4)(5)3.9 硅npn晶体管的材料参数和结构如下：发射区基区集电区计算晶体管的发射结注入效率，基区输运系数，计算复合系数，并由此计算晶体管的共发射极电流放大系数。解3.13 已知npn非均匀基区晶体管的有关参数为,电子扩散系数,本征基区方块电阻,计算其电流放大系数.解 基区输运系数（基区宽度，基区少子扩散长度）,发射结注入效率(&发射区和基区的方块电阻)发射结复合系数共基极直流电流放大系数=0.9971共发射极直流电流放大系数=352.14893.34 硅晶体管的标称耗散功率为20W,总热阻为,满负荷条件下允许的最高环境温度是多少?（硅，锗）解 最大耗散功率 满负荷条件下有，其中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,集电区的杂质浓度,基区的宽度,集电区宽度,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。穿通电压，冶金基区的扩展4.1 简要说明JFET的工作原理解 N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。N沟道结型场效应管工作时也需要外加偏置电压，即在栅-源极间加一负电压()，使栅-源极间的结反偏，栅极电流，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108左右)。在漏-源极间加一正电压()，使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流。的大小主要受栅-源电压控制，同时也受漏-源电压的影响。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（或沟道电阻）的控制作用，以及漏-源电压对漏极电流的影响。4.3 n沟道JFET有关材料参数和结构是：，沟道宽度是Z=0.1mm，沟道长度，沟道厚度是，计算(1)栅结的接触电势差；(2)夹断电压；(3)冶金沟道电导；(4)和时的沟道电导(考虑空间电荷区使沟道变窄后的电导)。解 (1)(2)(3)(4)若为突变结，4.7 绘出n型衬底MOS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。解 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。p基区与n漂移区之间形成的pn结反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压，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-电子吸引到栅极下面的p区表面，当大于（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型而成为反型层，该反型层形成n沟道而使pn结消失，漏极和源极导电。4.15 已知n沟道MOSFET的沟道长度，沟道宽度，栅氧化层厚度，阈值电压，衬底杂质浓度，求栅极电压等于7V时的漏源饱和电流。在此条件下，等于几伏时漏端沟道开始夹断？计算中取。解 饱和漏源电流，4.16 在的p型硅衬底上，氧化层厚度为70nm，层等效电荷面密度为，计算MOSFET的阈值电压。解 阈值电压，耗尽区宽度最大值单位面积氧化层电容4.19 用的n沟道MOSFET作为可变电阻，要获得的电阻，沟道电子浓度应为多少 ？应为多少？对有什么要求？解 跨导5.2 T=300K，n型硅衬底杂质浓度为，绘出平衡态金-硅接触能带图，计算肖特基势垒高度、半导体侧的接触电势差、空间电荷区厚度W。解 (1)(2)(3)5.4 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、半导体侧的接触电势差。解 5.10 T=300K，n型硅衬底杂质浓度为，计算金属铝-硅肖特基接触平衡态的反向电流、正偏电压为5V时的电流。计算中取理查森常数。解 5.13 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导带电子分布在导带底之上03/2 kT范围内，价带空穴分布在价带顶之上03/2 kT范围内，计算辐射光子的波长范围和频带宽度。解 6.6 T=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，pn结参数为：。计算其光电流密度，比较空间电荷区和扩散区对光电流密度的贡献。解 稳态光电流密度6.8 利用带隙工程，镓-铝-砷()和镓-砷-磷()可获得的最大辐射光波长的值是多少？解 6.9 分别计算镓-铝-砷()和镓-砷-磷()当x=0.3时辐射光的波长。解 同6.8，x=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，价带全满。(3)本征半导体：纯净的无缺陷半导体。(4)本征 空穴：在纯硅中由于+3价的铟或铝的原子周围有3个价电子，与同价硅原子组成共价结会少一个电子，形成空穴。(5)本征 电子：在纯硅中掺入V族元素，使之取代晶格中硅原子的位置。(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结。(7)异质pn结：由两种不同的半导体单晶材料组成。(8)LED发光原理：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，放出过多能量而引发光子发射；优点：工作寿命长、耗电低、反应时间快、体积小重量轻高抗击、易调光、换颜色可控性大。(9)pn结I-V特性：半导体禁带宽度/eV迁移率/300K,相对介电常数电子亲和势x/eV本征载流子浓度/300K0K电子空穴Ge0.660.74373900190016.04.0Si1.121.170135050011.64.05GaAs1.421.519850040013.14.07功函数：Ag4.26，Au5.1，Al4.28，Ga4.2，As3.75，Ti4.33，Si4.85电子电荷，普朗克常数