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第1章思考题和习题
1.300K时硅的晶格常数a=5.43A,求每个晶胞内所含的完整原子数和原子密度为多少?
2.综述半导体材料的基本特性及Si、GaAs的晶格结构和特征。
3.画出绝缘体、半导体、导体的简化能带图,并对它们的导电性能作出定性解释。
4.以硅为例,简述半导体能带的形成过程。
5.证明本征半导体的本征费米能级氏位于禁带中央。
6.简述迁移率、扩散长度的物理意义。
7.室温下硅的有效态密度Nc28X1019cm-3,kT=0.026eV,禁带宽度
Eg=l.12eV,如果忽略禁带宽度随温度的变化,求:
(a)计算77K、300K、473K3个温度下的本征载流子浓度。
(b)300K本征硅电子和空穴的迁移率分别为1450cm2/V•s和
500cm2/V•s,计算本征硅的电阻率是多少?
&某硅棒掺有浓度分别为lOVcm3和1018/cm3的磷,求室温下的载流子浓度及费米能级除•的位置(分别从导带底和本征费米能级算起)。
9.某硅棒掺有浓度分别为lO^/cm3和lO^/cm3的硼,求室温下的载流
子浓度及费米能级Err的位置(分别从价带顶和本征费米能级算起)。
10.
求室温下掺磷为1017/cm3的2型硅的电阻率与电导率。
(a)光注入△n=Ap=3X1012的非平衡载流子,是否为小注入?
为什么?
(b)附加光电导率为多少?
画出光注入下的准费米能级E*和Epp®为参考)的位
示意图。
(d)画出平衡下的能带图,标出Ec、Ev、Erp、Ei能级的位置,在
此基础上再画出光注入时,E”和略,并说明偏离阳的程度是不同
的。
迁移率un=1050cm7V•s,叭=400cm2/V•s,kT/q=0.026V,求相
应的扩散系数和扩散长度为多少?
第2章思考题和习题
1.简述PN结空间电荷区的形成过程和动态平衡过程。
2.画出平衡PN结,正向PN结与反向PN结的能带图,并进行比较。
3•如图2-69所示,试分析正向小注入时,电子与空穴在5个区域中的运动情况。
4.仍如图2-69为例试分析PN结加反向偏压时,电子与空穴在5个区域中的运动情况。
5试画出正、反向PN结少子浓度分布示意图,写出边界少子浓度及
少子浓度分布式,并给予比较。
6.用平衡PN结的净空穴等于零的方法,推导出突变结的接触电动势差Ud表达式。
7.简述正反向PN结的电流转换和传输机理。
8.何为正向PN结空间电荷区复合电流和反向PN结空间电荷区的产生电流。
9.写出正、反向电流—电压关系表达式,画出PN结的伏安特性曲线,并解释PN结的整流特性特性。
10.推导硅突变结空间电荷区电场分布及其宽度表达式。
并画出示意图。
11.推导线性缓变变结空间电荷区电场分布及其宽度表达式。
并画出7K意图。
12.什么叫PN结的击穿与击穿电压,简述PN结雪崩击穿与隧道击穿的机理,并说明两者之间的不同之处。
13・如何提高硅单边突变结的雪崩击穿电压?
14.如何提高线性缓变结的雪崩击穿电压?
15.如何减小PN结的表面漏电流?
16.什么叫PN结的电容效应、势垒电容和扩散电容?
17•什么叫做二极管的反向恢复过程和反向恢复时间?
提高二极管开
关速度的途径有哪些?
18.以N型硅片为衬底扩硼制备PN结,已知硼的分布为高斯函数分
布,衬底浓度NEXlO^/cm',在扩散温度为1180°C下硼在硅中的扩散系数D=1.5X10-12cm7s,扩散时间t=30min,扩散结深X-2.7umo试求:
①扩散层表面杂质浓度N,?
②结深处的浓度梯度色?
③接触电势差Ud?
19•有两个硅阳结,其中一个结的杂质浓度ATD=5xlO,5cm-3,NA=5x\OnCfn3;另一个结的=5xlO,9cm-3,ML5xlO,〃尸,求室温下两个PN结的接触电动势差。
并解释为什么杂质浓度不同,接触电动势差的大小也不同。
20.计算一硅PN结在300K时的内建电场,Na=10怙厂,Nd=10怙厂。
21已知硅PN结:
=£)«=21cnf/s,
6=10cm2/s,rP=r„=5xIO-7s.截面积A=2xio_4cm2,求
1理想饱和电流几?
2外加正向电压为0・5«时的正向电流密度J?
3电子电流与空穴电流的比值?
并给以解释。
22.仍以上题的条件为例,假设0=「尸5'计算4V反向偏压时的产生电流密度。
23.最大电场强度(T=300K)?
求反型电压300W时的最大电场强度。
24.对于一个浓度梯度为10%亦4的硅线性缓变结,耗尽层宽度为
0・5“”。
计算最大电场强度和结的总电压降。
25.一硅厂N结,其山=10怙尸,心=10怙厂,面积A=ixio-V/»2.计算
反向偏压“分别等于W和10"的么势垒电容6、空间电荷区宽度X”和最大电场强度皿O
26.计算硅矿“结的击穿电压,其M^lO1怙产(利用简化式)。
27.
在衬底杂质浓度Mb5xio%『的N型硅晶片上进行硼扩散,形
的浓度梯度①,施加反向偏压5H时的单位面积势垒电容和击穿电压
28・设计一f突变结二极管。
其反向电压为130V,且正向偏压为
0."时的正向电流为2.2mAo并假设卄叫
29.一硅PF结,M产10怙产,求击穿时的耗尽层宽度,若N区减小到计算击穿电压并进行比较。
30.一个理想的硅突变结Mb10"尸,N严10怙尸,求①计算250K、
300K、400K、500K下的内建电场血,并画出⑷对温度T的关系曲线。
②用能带图讨论所得结果。
③求300K下零偏压的耗尽层宽度和最大电场。
第3章思考题和习题
1.画出PNP晶体管在平衡和有源工作模式下的能带图和少子分布示
意图。
2.画出正偏置的NPN晶体管载流子输运过程示意图,并解释电流传
输和转换机理。
3.解释发射效率Y。
和基区输运系数B「的物理意义。
4.解释晶体管共基极直流电流放大系数a。
,共发射极直流电流放大
系数的含义,并写出a。
、B。
、丫。
和的关系式。
5.什么叫均匀基层晶体管和缓变基区晶体管?
两者在工作原理上有什么不同?
6.画出晶体管共基极、共发射机直流输出、输出特性曲线、并讨论它们之间的异同。
7.晶体管的反向电流IcB。
、IEBO>ICEO是如何定义的?
写出IC
E。
与ICBO之间的关系式并加以讨论。
8.晶体管的反向击穿电压BUcb。
、BUce。
、BUebo是如何定义的?
写出BUceo与BUcb。
之间的关系式,并加以讨论。
9.高频时晶体管电流放大系数下降的原因是什么?
10・描写晶体管的频率参数主要有哪些?
它们分别的含义是什么?
11・影响特征频率fT的因素是什么?
如何特征频率fT?
12.画出晶体管共基极高频等效电路图和共发射极高频等效电路图。
13.大电流时晶体管的B°、fT下降的主要原因是什么?
14.简要叙述大注入效应、基区扩展效应、发射极电流集边效应的机理。
15.什么叫晶体管最大耗散功率Pcm?
它与哪些因素有关?
如何减少晶体管热阻Rt?
16・画出晶体管的开关波形,图中注明延迟时间丁」、上升时间tr、储存时间t八下降时间tf,并解释其物理意义。
17.解释晶体管的饱和状态、截止状态、临界饱和和深饱和的物理意义。
18.以NPN硅平面为例,当发射结正偏、集电结反偏状态下,分别说明从发射极进入的电子流,在晶体管的发射区、发射结势垒区、基
区、集电结势垒和集电区的传输过程中,以什么运动形式(指扩散或漂移)为主。
19.试比较fa、fp、fT的相对大小。
20.画出晶体管饱和态时的载流子分布,并简述超量存储电荷的消失过程。
21.画出普通晶闸的基本结构图,并简述其基本工作原理。
22.有一低频小功率合金晶体管,用N型Ge作基片,其电阻率为
1.5Qcm,用烧钮合金方法制备发射区和集电区,两区掺杂浓度约为3X1018/cm3,求“(己知肌=50““,Ue=5/^)o
23.某一对称的PW错合金管,基区宽度为5““,基区杂质浓度为5X1015cm-5,基区空穴寿命为10/zy(AE=Ac=10"scm2)o计算在U沪0.26V、Ucb=-50V时的基极电流厶?
求出上述条件下的5和B。
(ro^l)o
24.已知均匀基区硅NPN晶体管的丫o=O.99,BU^ISOV,Wb=18.7/^,基区中电子寿命tFlus(若忽略发射结空间电荷区复合和基区表面复合),求a。
、Bo、Bo*和BUa(设Dn=35cm2/s).
25.
己知NPN双扩散外延平面晶体管,集电区电阻率Pc=1.2Qcm,
Xje=l.o求集电极偏置电压分别为25V和2V时产生基区扩展效应
的临界电流密度。
26.已知P^NP晶体管,其发射区、基区、集电区德杂质浓度分别为5X1018cm_\2X1016cm-\lX1015cm_s,基区宽度時1・0如,器件截面积为0.2mm2,当发射结上的正向偏压为0.5V,集电结反向偏压为5V时,计算:
(1)中性基区宽度?
(2)发射结少数载流子浓度?
27.对于习题26中的晶体管,少数载流子在发射区、基区、集电区德扩散系数分别为52cm7s.40cm7s、115cm7s,对应的少数载流寿命分别为102、l(Ts、ICTs,求晶体管的各电流分量?
28.利用习题26、习题27所得到的结果,求出晶体管的端点电流人、Z和厶o求出晶体管的发射效率、基区输运系数、共基极电流增益和共发射极电流增益,并讨论如何改善发射效率和基区运输系数?
29.判断下列两个晶体管的最大电压的机构是否穿通:
晶体管1:
BUcbo=1O5V;BUceo=96V;BIU二9V;BUces=105V
(BUcbs为基极发射极短路时的集电极发射极击穿电压)
晶体管2:
BUo沪75V;BUo沪59V;BUebo=6V0
30.已知NPN晶体管共发射极电流增益低频值0。
二100,在20MHz下测得电流增益IB|=60o求工作频率上升到400MHz时,B下降到多少?
计算出该管的九和齐。
31.分别画出NPN晶体管小注入和大注入时基区少子分布图,简述两者的区别于原因。
32.硅NPN平面晶体管,其外延厚度为10um,掺杂浓度N=1015cm\计算|Ucb|=20V时,产生有效基区扩展效应的临界电流密度。
33.晶体管处于饱和状态时Ie=Ic+Ib的关系式是否成立?
画出少子的分布与电流传输图,并加以说明。
34.对于具有同样几何形状、杂质分布和少子寿命的硅和错PNP、NPN管,哪一种晶体管的开关速度最快?
为什么?
35.硅NPN平面管的基区杂质为高斯分布,在发射区表面的受主浓度为1019cm'3,发射结构深度为0.75um,集电结结深为1.5um,集电区杂质浓度为1015cm'3,试求其最大集电极电流浓度?
36.硅晶体管的集电区总厚度为100um,面积为10'Vni2,当集电极电压为10V电流为100mA时,其结温与管壳温度之差为几度(忽略其他介质的热阻)?
37.硅NPN晶体管的基区平均杂质浓度为5X1017cm-5,基区宽度为2,发射极条宽为12nm,B=50,如果基区横向压降为kT/q,求发射极最大电流密度。
38.在习题37中晶体管的人为800MHz,工作频率为500MHz,如果通过发射极的电流浓度为3000A/cm2,则其发射极有效条宽应为多少?
第4章思考题和习题
1.试画出6=0时,P衬底的Si02栅极的M0S二级管能带图。
2.试画出P型衬底的理想M0S二极管不同偏压下对应截流子积累、耗尽及强反型的能带图及电荷分布示意图。
3.试画出Si02—Si系统的电荷分布图。
4.N沟和P沟M0S场效应晶体管有什么不同?
概述其基本工作原理。
5.制作N沟增强型M0S管衬底材料的电阻率与制作N沟耗尽型M0S管衬底的电阻率,哪个选的应高一些,为什么?
6.M0S场效应晶体管的阈值电压山值电压受那些因素的影响?
其中
17.在掺杂浓度NA=1015cm-5P型Si衬底上制作两个N沟MOS管,其栅Si02层的厚度分别为lOOnm和200nm,若Ugs-U/HV,则Uds为多少时,漏极电流达到饱和?
18.已知N沟MOS器件具有下列参数:
Na=1X1016cm-s,500
cm2/V.S,tox=l5Onm,L=4Am,沟道宽度W=100Am,Ut=O・5Vo试计算UgsMV时的跨导gms;若已知Qox=5XlOloC/cm2,试计算Ugs=4V,U^lOA时的器件的饱和漏电导gDm;试计算器件的截止频率fT?
19.已知N沟MOS器件Na=1X1016cm-s,tox=15Onm,L=4Am试计算%=0V时,器件的漏源击穿电压,并解释击穿受什么限制。
20.定性说明在什么情况下MOS场效应晶体管会出现短沟道效应?
第5章半导体器件制备技术
1.硅的晶格常数为5.43A,假设硅原子为一硬球模型,试计算硅原子的半径和确定硅原子的浓度为多少?
2.用于柴可拉斯基法的籽晶,通常先拉成一小直径(5.5mm)的狭窄颈以作为无位错生长的开始,如果硅的临界屈服度为2X106g/cm2,试计算此籽晶可以支撑的200mm直径单晶锭的最大长度。
3.在利用柴可拉斯基法锁生长的晶体中掺入硼原子,为何在尾端的硼原子浓度会比籽晶端的浓度高?
4.简述热氧化形成SiO2的机理和制备Si02的方法?
5.试比较湿法化学腐蚀和干法刻蚀的优缺点。
6.假设测得的磷扩散分布可以用高斯函数表示,其扩散系数D=2.3
X10-15cm/s,测出的表面浓度是1X1018cm-3f衬底浓度为1X1015cm'3,测得结深为lum,试计算扩散时间和扩散层中的全部杂质量。
7.画出离子注入系统示意图,并结合图简述离子注入机理。
、
&为何在定积多晶硅时,通常以硅烷为气体源,而不以硅氯化物为气体源?
9.解释为何一般锭积多晶硅薄膜的温度普遍较低,大约在600〜650°C之间。
10.简述硅平面工艺的过程和各个工序的意义。
第6章Ga在Si02/Si结构下的开管掺杂
L简述开展Ga在Si02/Si结构下单温区开管掺杂的背景。
2.叙述Ga在Si02/Si系下实现掺杂的原理。
3.简述再分布过程近硅表面Ga的反扩散特性。
4.简述开管扩Ga对晶体管Z-7特性的影响。
5.简述开管扩Ga在晶闸管一类器件中的应用原理。
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