半导体器件基础习题答案(完美版)

半导体器件习题答案1062109053杨旭一整理（仅供参考）1第二章2.2使用价键模型，形象而简要地说明半导体(a)失去原子(b)电子(c)空穴(d)施主(e)受主2.3Q:使用能带模型，形象而简要地说明半导体：(a)电子(b)空穴(c)施主(d)受主(e)温度趋向于0K时，施主对多数载流子电子的冻结(f)温度趋向于0K时，受主对多数载流子空穴的冻结(g)在不同能带上载流子的能量分布(h)本征半导体(i)n型半导体(j)p型半导体(k)非简并半导体(l)简并半导体2.7Q:在导带或价带中，载流子的分布或载流子的数目是能量的函数，并且在靠近能带边缘时，载流子的分布有最大值。取一种半导体是非简并半导体，对于导带和价带，证明其载流子分布的最大值分别对应的能量为Ec+kT/2和Ev-kT/2。A:电子在导带中的分布为空穴在价带中的分布为对于导带中的载流子电子)()(EfEgc)](1)[(EfEgv32**/)(2/1/)(32**/)(/)(2...)()(2)()(3,11)(nnkTEEckTEEcnncFkTEEkTEEmmeEEeEEmmEfEgkTEEeeEfFFFF半导体器件习题答案1062109053杨旭一整理（仅供参考）2对于价带中的载流子空穴2.16与浓度相关的问题(a)Q:均匀掺杂的p型硅片，在温度时，平衡状态的空穴和电子浓度是多少？A:由于T趋于0K，因此n-0，p-0(b)Q:掺入杂质浓度为N的半导体且所有的杂质全部被电离，和请判断杂质是施主还是受主？说明理由A:杂质是施主，因为对于施主对于受主(c)Q:一块硅片在平衡条件下保持300K的温度时，其电子的浓度是，空穴的浓度是多少？A:硅片在300K的温度下的本征载流子浓度为假设非简并，则结果显示确实为非简并(d)Q:在温度T=300K，样品硅的费米能级位于本征费米能级之上0.259eV处，空穴和电子的浓度是多少？A:硅片在300K的温度下的本征载流子浓度为kTEEEEkTEEeEEkTeEEEfEgdEdcelectronpeakccelectronEEkTEEckTEEccpeakFF21)(1)(210)()(2)()(,2/12/1,/)(2/1/)(2/132**/)(2/1/)(32**/)(/)(2...)()(2)](1)[(3,111)(ppkTEEvkTEEvppvFkTEEkTEEmmeEEeEEmmEfEgkTEEeeEfFFFFkTEEEEkTEEeEEkTeEEEfEgdEdvholepeakvvholeEEkTEEvkTEEvcpeakFF21)(1)(210)()(2)()(,2/12/1,/)(2/1/)(2/1315/10cmNAKT0inNNnNnpi/2DiDNnpNn/,2AiANnnNp/,235/10cm310/10cmni35/10cmn3152/10/cmnnpi310/10cmni350259.0/259.010/)(3140259.0/259.010/)(/1054.410/1020.210cmeenpcmeennkTEEikTEEiFiiF半导体器件习题答案1062109053杨旭一整理（仅供参考）3(e)Q:非简并锗样品，在平衡条件下温度保持在接近室温时，已知：求n和NDA:由非简并，得2.17Q:求在下列条件下，均匀掺杂硅样品中平衡状态的空穴和电子浓度：1.A:2.A:3.A:补偿半导体4.A:5.A:2.21Q:编写计算机程序,画出类似图2.21的Ef－Ei与NA或ND的变量关系。（注：本题及以下相关题目的matlab程序不是标准答案，仅供参考！）0,2,/10313AiNpncmn31322/10414.122/cmnnnnpnii313/10707.02/2/02/cmnnNNnnNNnpiDDAD315/10,,300cmNNNKTDDA352315310/10,/10,/10,300cmNnpcmNnNnNNcmnKTDiDDiDAiADANNcmNKT,/10,300316342316310/10,/10,/10,300cmNnncmNpNnNNcmnKTAiAAiADi316315/10,/109,300cmNcmNKTDA352315310/10/10,/10,300cmnnpcmNNnNpNnnNNcmnKTiADDAiADi314/10,0,450cmNNKTDA3131421323142/122313/1007.21021.1)105(/1021.12229.2/105,450,20.2cmnnpcmnNNnEqNncmnKTiiDDDii是可比的，应使用与由图314/10,0,650cmNNKTDA316316/10/10,650,20.2cmnpnNcmnKTiDi可认为是本征半导体由图半导体器件习题答案1062109053杨旭一整理（仅供参考）4A:clear；％specificationofbasicparameterskT=0.0259;ni=1.0e10;NB=logspace(13,18);%NB=NDorNA%computationofEF-Eiversusdoping(Eq2.38)EFiD=kT.*log(NB./ni);EFiA=-EFiD;%plotoutFermilevelpositioningsemilogx(NB,EFiD,NB,EFiA);axis([1.0e13,1.0e18,-0.56,0.56]);grid;xlabel(‘NDorNA’);ylabel(‘EF-Ei’);text(1.0e14,0.30,’Donor’);text(1.0e14,-0.30,’Acceptor’);第三章3.1使用能带图，简要说明下列情况的图示。Q:(a)在半导体内存在电场A:说明：当材料内存在电场时，能带能量变成位置的函数，称为“能带弯曲”Q:(b)电子的动能为零，即K.E.=0A:说明：Q:(c)空穴的动能K.E.=EG/4A:说明：Q:(d)光产生A:说明：从外部输入的光被吸收，电子被激发后，直接从价带进入导带Q:(e)直接热产生半导体器件习题答案1062109053杨旭一整理（仅供参考）5A:说明：热能被吸收，电子被激发后，直接从价带进入导带Q:(f)直接复合A:说明：电子和空穴在半导体晶格内运动，漂移到相同的空间靠近并相互碰撞，形成导带电子和价带空穴的直接湮灭。这一过程中会发生过剩的能量的释放。Q:(g)经由R-G中心的复合A:说明：电子失去能量后，在价带中与空穴一起湮灭。Q:(h)经由R-G中心的产生A:说明：热能可以帮助在R-G中心内产生载流子。简要回答Q:(a)当2V的电压加在1cm长的半导体棒的两端时，空穴的平均漂移速度为10cm/s。半导体内的空穴迁移率是多少？A:Q:(b)影响非简并掺杂半导体器件性能的两种主要载流子散射机制的名称是什么？A:晶格散射电离杂质散射Q:(c)在已知本征半导体材料中的载流子迁移率与重掺杂材料相比，结果为较高。简要说明为什么与重掺杂材料相比，在本征材料中的迁移率是较高。A:本征半导体中晶格散射是主要的散射机制，而在重掺杂材料中电离杂质散射也很重要，因为电离杂质散射是随着施主或受主的增加而增加的，并使载流子迁移率有规律地减少。Q:(d)n型和p型两片GaAs晶片是均匀掺杂的，即ND(晶片1)=NA(晶片2)ni。哪一个晶或EVETEC热能EVETEC热能pdvsVcmcmVscmvdp/5001/2/1023半导体器件习题答案1062109053杨旭一整理（仅供参考）6片的电阻率较大？说明理由。A:两片晶片的掺杂浓度相同，而电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此p型半导体即晶片2的电阻率较大。Q:(e)在室温下硅样品中测得电子的迁移率cm2/V.s。求电子的扩散系数。A:Q:(f)低浓度注入的代数陈述是什么？A:Q:(g)在硅样品中使用光照来产生过剩载流子。这些过剩载流子将会通过R-G中心复合形式被复合。说明：硅是间接半导体，在间接半导体中，R-G中心复合机制是主要的复合过程，与R-G中心复合相比，直接复合是完全可以忽略的。Q:(h)在处理之前，硅样品中含有ND=10^14/cm3施主和NT=10^11/cm3R-G中心。处理之后，样品含有ND=10^17/cm3施主和NT=10^10/cm3R-G中心在处理的过程中少子的寿命是增加了还是减少了？说明理由。A:少子寿命增加了。因为而NT在处理之后减小了，因此少子寿命增加了。3.18假设地球受到神秘光线的影响，所有的少子立刻消失，而多子未受影响。最初在平衡状态下的房间没有受到神秘光线的影响，书桌上放有一块均匀掺杂的硅片，在时间t=0时受到这束神秘光线的影响。硅片的掺杂NA=10^16/cm3，τn=10^-6s，温度T=300K。Q:(a)在t=0+时Δn是什么？A:说明：受到神秘光线的影响后，所有的少子立刻消失，因此n=0。Q:(b)在t=0+时是产生占优势还是复合占优势？说明原因。A:在t=0+时是产生占优势。由于在t=0+时少子减少了，故处于载流子欠缺状态，因此R-G中心产生占优势。Q:(c)在t=0+时硅片内存在低浓度注入的条件吗？说明原因。A:存在低浓度注入条件。由(a)知，而多子未受影响，因此满足低浓度注入条件。Q:(d)从适当的微分方程出发，求t0时的A:少子的扩散方程为：型半导体型半导体pNqnNqApDn,1,1qkTDppscmsVcmeeVqkTDpp/67.33/13000259.022型半导体型半导体ppppnnnnnp,,,,0000TnnNc13416210200/1010)10(cmNnnnnnAi3160340/10/10||||cmNpcmnnnA)(tnpLnppNpGnxnDtn22半导体器件习题答案1062109053杨旭一整理（仅供参考）7由于t0时，硅片没有受到光照设，因此GL=0；而硅片中又不存在浓度梯度，因此则少子扩散方程简化为：初始条件为方程的解为：3.24在平衡和稳态条件下，半导体光照前和光照后的特性由能带图P3.24给出。温度T=300K，ni=10^10/cm2，电子迁移率为1345cm2/V.s，空穴迁移率为458cm2/V.s。根据这些已知条件求：Q:(a)平衡载流子浓度n0和p0。A:由图P3.24知，光照前因此Q:(b)在稳态条件下的n和p。A:光照后因此在稳态条件下，Q:(c)NDA:由平衡条件下得Q:(d)当半导体被光照射时，有“低浓度注入”吗？说明原因。A:由于该半导体的少子为空穴，而不满足，且不满足因此不满足低浓度注入条件。Q:(e)在光照前和光照后，半导体的电阻率是多少?A:光照前光照后022xnDpNnppntn340/10)0(cmnnpntpentn/0)(eVEEiF3.03150259.0/3.010/)(0/1007.110cmeennkTEEiiF3415210020/1032.9)1007.1/()10(/cmnnpieVFEeVEFPiiN3.0,318.03150259.0/318.010/)(/1015.210cmeennkTEFiiN3150259.0/3.010/)(/10