《半导体物理学》习题库.docx
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《半导体物理学》习题库
第1xx思考题和习题
1.300K时硅的晶格常数a=
5.43Å,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E
i位于禁带中央。
6.简述迁移率、扩散xx的物理意义。
7.室温下硅的有效态密度Nc=
2.8×1019cm-3,κT=
0.026eV,禁带宽度Eg=
1.12eV,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?
8.某硅棒掺有浓度分别为1016/cm3和1018/cm3的磷,求室温下的载流子浓度及费米能级E
FN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1015/cm3和1017/cm3的硼,求室温下的载流子浓度及费米能级E
FP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N+型硅的电阻率与电导率。
11.掺有浓度为3×1016cm-3的硼原子的硅,室温下计算:
(a)光注入△n=△p=3×1012cm-3的非平衡载流子,是否为小注入?
为什么?
(b)附加光电导率△σ为多少?
(c)画出光注入下的准费米能级E’
FN和E’
FP(E
i为参考)的位置示意图。
(d)画出平衡下的能带图,标出E
C、E
V、E
FP、E
i能级的位置,在此基础上再画出光注入时,E
FP’和E
FN’,并说明偏离E
FP的程度是不同的。
12.室温下施主杂质浓度N
D=4×1015cm-3的N型半导体,测得载流子迁移率μ
n=1050cm2/V·s,μ
p=400cm2/V·s,κT/q=
0.026V,求相应的扩散系数和扩散长度为多少?
第2xx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U
D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。
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。
并画出示意图。
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N
D=1×1015/cm3,在扩散温度为1180℃下硼在硅中的扩
散系数D=
1.5×10-12cm2/s,扩散时间t=30min,扩散结深X
j=
2.7μm。
试求:
①扩散层表面杂质浓度N
s?
②结深处的浓度梯度a
j?
③接触电势差U
D?
19.有两个硅PN结,其中一个结的杂质浓度N
D=5´10cm
1715-3
N
A=5´10cm
17-3
;另一个结的N
D=5´10cm19-3
,N
A=5´10cm,求室温下两个PN结的接触电动势差。
并解释为什么-3
杂质浓度不同,接触电动势差的大小也不同。
NA=10cm,N
D=10cm。
20.计算一硅PN结在300K时的内建电场,18-315-3
21.已知硅PN16-316-32=5´,=,=21s
,N10cmcmDnAD
结:
2-7DP=10cms
,t
P=t
n=5´10s,
截面积A=2´10-4cm2
,求
①理想饱和电流J
0?
②外加正向电压为
0.5V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。
=t
=tt
22.仍以上题的条件为例,假设gnp,
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300V时的最大电场强度。
20-4
24.对于一个浓度梯度为10cm的硅线性缓变结,耗尽层宽度为
0.5mm
。
计算最大电场强度和结的总电压降。
19-315-3-32+=,=A=1´,
计算N10cm10cmADP
25.一硅N结,其,面积
反向偏压U分别等于5V和10V的么势垒电容C
T、空间电荷区宽度X
M和最大电场强度E
M。
+P
26.计算硅N结的击穿电压,其N
D=10cm(利用简化式)。
16-3
27.在衬底杂质浓度N
D=5´10cm的N型硅晶片上进行硼扩散,形成PN18-3
=,
结深X
j=5mm
。
试求结深处的N10cmS结,硼扩散后的表面浓度16-3
浓度梯度a
j,施加反向偏压5V时的单位面积势垒电容和击穿电压U
B。
+P
28.设计一N突变结二极管。
其反向电压为130V,且正向偏压为
0.7V时的正向电流为-7
2.2mA。
并假设t
p0=10s。
15-3+
29.一硅PN结,N
D=10cm,求击穿时的耗尽层宽度,若N区减小到5mm
计算击穿电压并进行比较。
18-315-3
=,=
N10cm
AD
30.一个理想的硅突变结,求①计算250K、300K、400K、500K下的内建电场U
D,并画出U
D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3xx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γ
0和基区输运系数β*
0的物理意义。
4.解释晶体管共基极直流电流放大系数α
0,共发射极直流电流放大系数β
0的含义,并写出α
0、β
0、γ
0和β*
0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I
CBO、I
EBO、I
CEO是如何定义的?
写出I
CEO与I
CBO之间的关系式并加以讨论。
8.晶体管的反向击穿电压BU
CBO、BU
CEO、BU
EBO是如何定义的?
写出BU
CEO与BU
CBO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f
T的因素是什么?
如何特征频率f
T?
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β
0、f
T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P
CM?
它与哪些因素有关?
如何减少晶体管热阻R
T?
16.画出晶体管的开关波形,图中注明延迟时间τ
d、上升时间t
r、储存时间t
s、下降时间t
f,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f
α、f
β、f
T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
1.5Wcm,用烧铟合金方法制备发射区和集电区,两区掺杂浓度约为3×1018/cm3,求r
o(已知W
b=50
mm,L
ne=5
mm)。
23.某一对称的P+NP+锗合金管,基区宽度为5
mm,基区杂质浓度为5×1015cm-3,基区空穴寿命为10ms(A
E=A
C=10-3cm2)。
计算在U
EB=
0.26V、U
CB=-50V时的基极电流I
B?
求出上述条件下的α
0和β
0(r
0≈1)。
24.已知均匀基区硅NPN晶体管的γ
0=
0.99,BU
CBO=150V,W
b=
18.7
mm,基区中电子寿命т
b=1us(若忽略发射结空间电荷区复合和基区表面复合),求α
0、β
0、β
0*和BU
CEO(设D
n=35cm2/s).
25.已知NPN双扩散外延平面晶体管,集电区电阻率ρ
c=
1.2Ωcm,集电区厚度W
c=10
mm,硼扩散表面浓度N
BS=5×1018cm-3,结深X
jc=
1.4
mm。
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5×1018cm-
3、2×1016cm-
3、1×1015cm-3,基区宽度W
b=
1.0
mm,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52cm2/s、40cm2/s、115cm2/s,对应的少数载流寿命分别为10-8s、10-7s、10-6s,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I
E、I
C和I
B。
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:
BU
CBO=105V;BU
CEO=96V;BU
EBO=9V;BU
CES=105V(BU
CES为基极发射极短路时的集电极发射极击穿电压)晶体管2:
BU
CBO=75V;BU
CEO=59V;BU
EBO=6V。
30.已知NPN晶体管共发射极电流增益低频值β
0=100,在20MHz下测得电流增益|β|=60。
求工作频率上升到400MHz时,β下降到多少?
计算出该管的ƒ
β和ƒ
T。
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10μm,掺杂浓度N=
1015.cm-3,计算|U
CB|=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I
E=I
C+I
B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锗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
0.75μm,集电结结深为
1.5μm,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100μm,面积为10-4cm2,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5×1017cm-3,基区宽度为2,发射极条宽为12μm,β=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ƒ
T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U
G=0时,P衬底的SiO
2栅极的MOS二级管能带图。
2.试画出P型衬底的理想MOS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SiO
2—Si系统的电荷分布图。
4.N沟和P沟MOS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MOS管衬底材料的电阻率与制作N沟耗尽型MOS管衬底的电阻率,哪个选的应高一些,为什么?
6.MOS场效应晶体管的阈值电压U
T值电压受那些因素的影响?
其中最重要的是哪个?
7.MOS场效应晶体管的输出特性曲线可分为哪几个区?
每个区所对应的工作状态是什么?
8.用推导N沟MOS器件漏电流表示式的方法,试推导出P沟MOS器
件的漏电流表示式。
9.为什么MOS场效应晶体管的饱和电流并不完全饱和?
10.MOS场效应晶体管跨导的物理意义是什么?
11.如何提高MOS场效应晶体管的频率特性?
12.MOS场效应晶体管的开关特性与什么因素有关?
如何提高其开关速度?
13.短沟道效应对MOS场效应晶体管特性产生什么影响?
14.已知P沟MOS器件的衬底杂质浓度N
D=5×1015cm-3,栅氧化层厚度t
OX=100nm,栅电极材料为金属铝,测得器件的值电压U
g=-
2.5V。
试计算SiO
2中的正电荷密度Q
OX;若加上衬底偏置电压U
BS=10V,值电压漂移多少?
分别计算U
BS为0V、10V时最大耗尽层宽度?
15.已知N沟MOS器件的衬底杂质浓度N
A=5×1015cm-3,栅极为金属铝,栅氧化层厚度t
OX=150nm,SiO
2中的正电荷密度Q
OX=1×1022q/cm2(q为电子电荷),试求该管的阈值电压U
T?
并说明它是耗尽型还是增强型的?
16.如果一个MOS场效应晶体管的U
T=0V,U
GS=4V,I
DS=3mA时,MOS管是否工作在饱和区?
为什么?
17.在掺杂浓度N
A=1015cm-3P型Si衬底上制作两个N沟MOS管,其栅SiO
2层的厚度分别为100nm和200nm,若U
GS-U
FB=15V,则U
DS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=1×1016cm-3,µ
n=500cm2/V.S,t
OX=150nm,L=4µm,沟道宽度W=100µm,U
T=
0.5
V。
试计算U
GS=4V时的跨导g
ms;若已知Q
OX=5×10C/cm2,试计算U
GS=4V,U
DS=10A时的器件的饱和漏电导g
Dsat;试计算器件的截止频率f
T?
19.已知N沟MOS器件N
A=1×1016cm-3,t
OX=150nm,L=4µm试计算U
GS=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
5.43Å,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2×106g/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SiO
2的机理和制备SiO
2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=
2.3×10-13cm/s,测出的表面浓度是1×1018cm-3,衬底浓度为1×1015cm-3,测得结深为1um,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。
、
8.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℃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SiO
2/Si结构下的开管掺杂
1.简述开展Ga在SiO
2/Si结构下单温区开管掺杂的背景。
2.叙述Ga在SiO
2/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I-V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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