半导体器件原理简明教程习题答案Word文件下载.docx
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正偏:
qV=0.810"
q(VDVr)=1.72810」9
反偏:
qVR=1.610」9
2.12硅pn结的杂质浓度分别为Nd=31017cm"
NA=11015cm'
n区和p区的宽度大于少数载流子扩散长度,.n=.p=1丄s,结面积=1600Jm2,取
22
Dn=25cm/s,Dp=13cm/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?
⑶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=m=1.51010cm‘
qVJd
解Jd^exp加-1],十0.7
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?
3
解⑴反向击穿电压Vb=610NdR=60V
133522
(2)Vb=610Nd^=300V,.Nd=210"
cm2
112
由得叽=1350cm2/(、.s)
aqn^n
2.24硅突变pn结Na=510%口二叽=1.51016cm;
设pn结击穿时的最大电场为
Ec=5105V/cm,计算pn结的击穿电压.
解突变结反向击穿电压Vb^^—Eo^NNaNd
2qNNa+Nd
2.25在杂质浓度ND=21015cm:
的硅衬底上扩散硼形成pn结,硼扩散的便面浓度为
Na=1018cm"
结深5」m,求此pn结5V反向电压下的势垒电容.
解G胡qa(F2F
12(Vd-V)
2.26已知硅pn结n区电阻率为tjcm,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G=8.451036cmJ,锗pn结G=6.2510"
4cm」)
113巳=(四与
解r二—二一n二巾」nVB=61013Nd1Nd=nG;
;
。
▽qnU
VB=—EcW=W=2Vb
2Ec
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。
⑷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
a
B
C
解⑴…脱"
AB=C
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
Ne,%气,We
Nb,S,巴,Wb
Nc,三p,卩p
计算晶体管的发射结注入效率,基区输运系数:
t,Vbe=0.55V,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1。
解
qDBnb0
Wb
1-a
2
=1^^「「1_旦,,其中J“3nW,Jso
NEDnBWE2Dn^nB1+Jr0eXP(-qVBE)2
Jso一2kT
3.13已知npn非均匀基区晶体管的有关参数为Xjc=5」m,Xje=3」m,电子扩散系数
Dn=8cm/s,n=1七,本征基区方块电阻Rsb=2500丄尺£
=5」,计算其电流放大系数a、B.
解基区输运系数:
T=1r(基区宽度Wb二Xjc-Xje,基区少子扩散长度LnB
R丘
jB=Dn€n),发射结注入效率丫T—^^RsE&
Rb发射区和基区的方块电阻)
RsB
发射结复合系数:
=1
共基极直流电流放大系数〉二=0.9971
共发射极直流电流放大系数=352.1489
1-OL
3.34硅晶体管的标称耗散功率为20W,总热阻为5C/W,满负荷条件下允许的最高环境温度
是多少?
(硅Tjm=200C,锗Tjm=100C)
解最大耗散功率PCMTa-Tjm-RtPcM满负荷条件下有
Rt
Ta汀jm-RtPcm,其中Tjm=200C,RT=5C/W
193
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NB=10cm,集电区的杂
15-3
质浓度Nc=510cm,基区的宽度Wb=0.3」m,集电区宽度Wc=10」m,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。
XbNb(NcNb)
V+=
穿通电压p2%NC,冶金基区的扩展xB=WC-WB
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
(Vgs:
:
0),使栅-源极间的pn结反偏,栅极电流iG:
0,场效应管呈现很高的输入电阻(高
达108门左右)。
在漏-源极间加一正电压(Vds0),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iD。
iD的大小主要受栅-源电压Vgs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=1018cm二ND=1015cm°
,沟道宽度是
Z=0.1mm沟道长度L=20Pm,沟道厚度是2a=4Am,计算
(1)栅p+n结的接触电势差;
⑵夹断电压;
(3)冶金沟道电导;
(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)Vd二kTln“人亞⑵(3)g。
:
2qlNDZa/L
qm
⑷若为突变pP结,W=sn怎[―『(n*p结NA,p*n结ND)
qND
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J1反
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-电子吸引到栅极下面的p区表面,当乂$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型而成为反型层,该反型层形成n沟道而使pn结J1消失,漏极和源极导电。
4.15已知n沟道MOSFET的沟道长度L=10」m,沟道宽度W=400」m,栅氧化层厚度以=150nm,阈值电压Vt-3V,衬底杂质浓度NA=91014cm‘,求栅极电压等于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2
叫二600cm/(Vs)。
Vds讥-Vt
4.16在NAT015cm"
的p型硅<111>衬底上,氧化层厚度为70nm,SO2层等效电荷面密
得2.5k"
的电阻,沟道电子浓度应为多少?
Vgs-Vt应为多少?
对Vgs有什么要求?
解跨导
gm=、(Vgs—Vt),其中]=WnCax,Cax=A="
口,-11.7,^-8.8510‘F/cm
taxtax
5.2T=300K,n型硅衬底杂质浓度为Nd=1016cm“,绘出平衡态金-硅接触能带图,计算肖特基势垒高度'
bo、半导体侧的接触电势差Vbi、空间电荷区厚度W。
解⑴BO=m-X
(2)Vbi=m-s(3)W=X*=(尸
qN°
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'
bo、半导体侧的接触电势差Vbi。
解BO=m-XVbi=m-s
5.10T=3OOK,n型硅衬底杂质浓度为ND=51O15cm‘,计算金属铝-硅肖特基接触平衡态的反向电流JsT、正偏电压为5V时的电流。
计算中取理查森常数A*=264Acm,K,。
解Jst二A*T2exp(-吐):
A*T2exp(-^),b二bo-:
,bo二m-X
kTkT
J二JsT【exp()-1]
kT
5.13分别绘出GaAIAs-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O~3/2kT范围内,价带空穴分布在价带顶之上
O~3/2kT范围内,计算辐射光子的波长范围和频带宽度。
6.6T=3OOK,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
Gl=10211cm"
s'
pn结参数为:
1532277
Nd=Na=810cm,Dn二25cm/s,Dp=10cm/s,.n0=510s,.p0=10s。
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。
k「NdNa2;
(G反向Vbi)
解.一DnnO,Lp一.Dppo,Vbi『n门2,WqN
稳态光电流密度|L二qGL(W-LnLp)
=11.7,q=1.610,N二山,耳=0.02592q
6.8利用带隙工程,镓-铝-砷(Ga^AIxAs)和镓-砷-磷(GaAs—Pj可获得的最大辐射光波长的值是多少?
肿丄hc1.24
解E^1.4241.247x(eV),x=1>
gEgEg
6.9分别计算镓-铝-砷(Ga^ALAs)和镓-砷-磷(GaAs^Pj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,
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:
Jd=J0exp(^X)
半导体
禁带宽度
Eg/eV
迁移率/[300K,cm2/(Vs)]
相对介电
电子亲和
本征载流子]
常数厂
势G/eV
浓度ni/cm^
300K|
0K
电子
空穴
Ge
0.66
0.7437「
3900[
1900[
16.0[
4.0
2.5x10
Si
1.12
1.170
1350
500
11.6|
4.05|
1.5x101°
GaAs
1.42
1.519
8500
400
13.1
4.07
2x106
功函数:
Ag4.26,Au5.1,AI4.28,Ga4.2,As3.75,Ti4.33,Si4.85
电子电荷q=1.610J9,kT/q=0.0259,普朗克常数h=6.62610;
4Js
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