半导体计算题

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半导体习题

半导体习题

第一章 半导体中的电子状态 例题:

第一章 半导体中的电子状态

例1. 证明:对于能带中的电子,K 状态和-K 状态的电子速度大小相等,方向相反。即:

v(k )= -v(-k ),并解释为什么无外场时,晶体总电流等于零。

思路与解:K 状态电子的速度为:

1()()()()[]

x y z

E k E k E k v k i j k h k k k ∂∂∂=++∂∂∂ (1)

同理,-K 状态电子的速度则为:

1()()()

()[]

x y z

E k E k E k v k i j k h k k k ∂-∂-∂--=++∂∂∂ (2)

从一维情况容易看出:

()()

x x E k E k k k ∂-∂=-∂∂ (3)

同理有:

()()

y

y E k E k k k ∂-∂=-

∂∂ (4)

()()z

z E k E k k k ∂-∂=-

∂∂ (5) 将式(3)(4)(5)代入式(2)后得:

1()()()

()[]

x y z

E k E k E k v k i j k h k k k ∂∂∂-=-++∂∂∂ (6)

利用(1)式即得:v(-k )= -v(k )

因为电子占据某个状态的几率只同该状态的能量有关,即: E(k)=E(-k)故电子占有k 状态和-k 状态的几率相同,且

v(k)=-v(-k),故这两个状态上的电子电流相互抵消,晶体中总电流为零。

评析:该题从晶体中作共有化运动电子的平均漂移速度与能量E 的关系以及相同能量状

态电子占有的机率相同出发,证明K 状态和-K 状态的电子速度大小相等,方向相反,以及无电场时,晶体总电流为零。

半导体物理学(第7版)第四章习题及答案

半导体物理学(第7版)第四章习题及答案

第四章习题及答案

1. 300K 时,Ge 的本征电阻率为47Ωcm ,如电子和空穴迁移率分别为3900cm 2/( V.S)和1900cm 2

/( V.S)。 试求Ge 的载流子浓度。 解:在本征情况下,i n p n ==,由)

(/p n i p n u u q n pqu nqu +=

+=

=1

11σρ知 3

1319

10292190039001060214711--⨯=+⨯⨯⨯=+=

cm u u q n p n i .)

(.)(ρ 2. 试计算本征Si 在室温时的电导率,设电子和空穴迁移率分别为1350cm 2/( V.S)和500cm 2/( V.S)。当掺入百万分之一的As 后,设杂质全部电离,试计算其电导率。比本征Si 的电导率增大了多少倍? 解:300K 时,)/(),/(S V cm u S V cm u p n ⋅=⋅=225001350,查表3-2或图3-7可知,室温下Si 的本征载流子浓度约为3101001-⨯=cm n i .。 本征情况下,

cm S +.u u q n pqu nqu -p n i p n /.)()(6191010035001350106021101-⨯=⨯⨯⨯⨯=+=+=σ

金钢石结构一个原胞内的等效原子个数为842

1

6818=+⨯+⨯个,查看附录B 知Si 的晶格常数为

0.543102nm ,则其原子密度为

3

223

71051054310208--⨯=⨯cm )

.(。 掺入百万分之一的As,杂质的浓度为316221051000000

1

105-⨯=⨯

半导体物理习题第八章答案

半导体物理习题第八章答案

半导体物理习题第八章答案

半导体物理习题第八章答案

第一题:

根据题目要求,我们需要计算一个p型半导体的载流子浓度。根据半导体物理

的知识,p型半导体中主要存在的是空穴载流子,因此我们需要计算空穴浓度。在p型半导体中,空穴浓度可以通过以下公式计算:

p = ni^2 / n

其中,p表示空穴浓度,ni表示本征载流子浓度,n表示杂质浓度。根据题目

给出的数据,本征载流子浓度ni为2.5 x 10^16 cm^-3,杂质浓度n为1 x

10^16 cm^-3。将这些数据代入公式中,我们可以得到:

p = (2.5 x 10^16 cm^-3)^2 / (1 x 10^16 cm^-3) = 6.25 x 10^16 cm^-3

因此,该p型半导体的空穴浓度为6.25 x 10^16 cm^-3。

第二题:

第二题要求我们计算一个n型半导体的载流子浓度。根据半导体物理的知识,n 型半导体中主要存在的是电子载流子,因此我们需要计算电子浓度。在n型半

导体中,电子浓度可以通过以下公式计算:

n = ni^2 / p

其中,n表示电子浓度,ni表示本征载流子浓度,p表示空穴浓度。根据题目

给出的数据,本征载流子浓度ni为2.5 x 10^16 cm^-3,空穴浓度p为5 x

10^15 cm^-3。将这些数据代入公式中,我们可以得到:

n = (2.5 x 10^16 cm^-3)^2 / (5 x 10^15 cm^-3) = 12.5 x 10^16 cm^-3

因此,该n型半导体的电子浓度为12.5 x 10^16 cm^-3。

半导体器件物理 试题库

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题库(一)

半导体物理基础部分

1、计算分析题

已知:在室温(T = 300K )时,硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C µn =1350 2cm /V s ⋅ µp =500 2

cm /V s ⋅ 半导体硅材料在室温的条件下,测得 n 0 = 4.5×104/cm 3,

N D =5×1015/cm 3

问:⑴ 该半导体是n 型还是p 型?

⑵ 分别求出多子和少子的浓度

⑶ 样品的电导率是多少?

⑷ 分析该半导体的是否在强电离区,为什么0D n N ≠?

2、说明元素半导体Si 、Ge 中的主要掺杂杂质及其作用?

3、什么叫金属-半导体的整流接触和欧姆接触,形成欧姆接触的主要方法有那些?

4、为什么金属与重掺杂半导体接触可以形成欧姆接触? P-N 部分

5、什么叫pn 结的势垒电容?分析势垒电容的主要的影响因素及各因素导致垒电容大小变化的趋势。

6、什么是pn 结的正向注入和反向抽取?

7、pn 结在正向和反向偏置的情况下,势垒区和载流子运动是如何变化的?

8、简述pn 结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的机理.

9、什么叫二极管的反向恢复时间,提高二极管开关速度的主要途径有那些?

10、如图1所示,请问本PN 结的偏压为正向,还是反向?准费米能级形成的主要原因? PN 结空间电荷区宽度取决的什么因素,对本PN 结那边空间电荷区更宽?

图1 pn结的少子分布和准费米能级

三极管部分

11、何谓基区宽变效应?

12、晶体管具有放大能力需具备哪些条件?

13、怎样提高双极型晶体管的开关速度?

半导体物理试卷

半导体物理试卷

半导体物理试卷

一.填空题(20分)

1.半导体的晶格结构有、和。

2.本征激发是指电子激发成为电子的过程。

3.pn 结电容包括和。

4.在简并化的重掺杂半导体中,n 型半导体的费米能级进入,p 型半导体费米能级进入。

5.半导体载流子在运动中会遭到散射,其根本原因是。二.选择题(20分)

1.能带底电子的有效质量为m n *,则1/m n *等于()。

A.(d 2

E/dk 2

)k=0/h 2

B.(d 2

E/dk 2

) k=0/h

C. (d 2

E/dk 2

) k=0/k 2

D. (d 2E/dk 2) k=0/k

2.下列式中为费米分布函数的是()。

A.

)exp(21

11

0T

k E E f -+ B.

)

exp(211

0T

-+

C.

)

exp(11

0T

k E E f -+ D. )exp(0T

k E E f --

3.已知n 型硅半导体中电子的寿命为350us,电子的迁移率为3600cm 2/vs ,则电子的扩散长度为()

A.0.15cm B 0.1 6cm C 0.17cm D 0.18cm 4.300k 时,硅的本征电导率为2*105

Ω.cm,如果电子和空穴的迁移率分别为1300cm 2/vs ,500cm 2/vs ,则本征硅的载流子浓度为()。

A.1.7*10

10

B.1.8*1010

C.1.9*1010

D.2*1010

5.导带阶等于()

A .Ec-Ev B.Eg 2-Eg 1 C.χ1-χ2 D.Eg 2-Eg 1-(χ1-χ2) 6.发生弱简并的条件是()

A. Ec- E F ≦0

B.Ec-E F 〉2k 0T

《半导体器件》习题及参考答案

《半导体器件》习题及参考答案

第二章

1 一个硅p -n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结,a=1019cm -4,n 型一侧为均匀掺杂,杂质浓度为3×1014cm -3,在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为0.8μm ,求零偏压下的总耗尽层宽度、建电势和最大电场强度。

解:)0(,22≤≤-=x x qax dx

d p S εψ

)0(,2

2n S D x x qN dx

d ≤≤-=εψ 0),(2)(22

≤≤--=-

=E x x x x qa dx d x p p S

εψ n n S

D

x x x x qN dx d x ≤≤-=-

=E 0),()(εψ x =0处E 连续得x n =1.07µm x 总=x n +x p =1.87µm

⎰⎰

=--=-n

p

x x bi V dx x E dx x E V 0

516.0)()(

m V x qa E p S

/1082.4)(25

2max ⨯-=-=

ε,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。 2 一个理想的p-n 结,N D =1018cm -3,N A =1016cm -3,τp =τn =10-6s ,器件的面积为1.2×10-5cm -2,计算300K 下饱和电流的理论值,±0.7V 时的正向和反向电流。

解:D p =9cm 2/s ,D n =6cm 2/s

cm D L p p p 3103-⨯==τ,cm D L n n n 31045.2-⨯==τ

n

p n p

n p S L n qD L p qD J 0

+

=

I S =A*J S =1.0*10-16A 。 +0.7V 时,I =49.3µA , -0.7V 时,I =1.0*10-16A

模电_综合计算题

模电_综合计算题

一、常用半导体器件

1、写出下图所示各电路(1)二极管是导通还是截止?(2)输出电压值。设二极管导通电压U D=0.7V。

解:U O1≈1.3V,U O2=0,U O3≈-1.3V,U O4≈2V,U O5≈1.3V,U O6≈-2V。

2、已知稳压管的稳压值U Z=6V,稳定电流的最小值I Z m i n=5mA。求图所示电路中U O1和U O2各为多少伏。

解:U O1=6V,U O2=5V。

*3. 电路如下图所示,已知u i=10sinωt(v),试画出u i与u O的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。

解:u i和u o的波形如右上图所示。

*4. 电路如图示,已知u i=5sinωt (V),二极管导通电压U D=0.7V。试画出u i与u O的波形,并标出幅值。

解:波形如图所示。

5.现有两只稳压管,它们的稳定电压分别为6V和8V,正向导通电压为0.7V。试问:(1)若将它们串联相接,则可得到几种稳压值?各为多少?(2)若将它们并联相接,则又可得到几种稳压值?各

为多少?

解:(1)两只稳压管串联时可得 1.4V 、6.7V 、8.7V 和14V 等四种稳压值。(2)两只稳压管并联时可得0.7V 和6V 等两种稳压值。

*6.已知稳压管的稳定电压U Z =6V ,稳定电流的最小值I Z m i n =5mA ,最大功耗P Z M =150mW 。试求图所示电路中电阻R 的取值范围。

解:稳压管的最大稳定电流I Z M =P Z M /U Z =25mA ,电阻R 的电流为I Z M ~I Z m i n ,

半导体复习题(带答案)

半导体复习题(带答案)

半导体物理复习题

一、选择题

1.硅晶体结构是金刚石结构,每个晶胞中含原子个数为(D)P1

A.1

B.2

C.4

D.8

2.关于本征半导体,下列说法中错误的是(C)P65

A.本征半导体的费米能级E F=E i基本位于禁带中线处

B.本征半导体不含有任何杂质和缺陷

C.本征半导体的费米能级与温度无关,只决定于材料本身

D.本征半导体的电中性条件是qn0=qp0

3.非平衡载流子的复合率定义为单位时间单位体积净复合消失的电子-空穴对数。下面表达式中不等于复合率的是(D)P130

A. B. C. D.4.下面pn结中不属于突变结的是(D)P158、159

A.合金结

B.高表面浓度的浅扩散p+n结

C.高表面浓度的浅扩散n+p结

D.低表面浓度的深扩散结

5.关于pn结,下列说法中不正确的是(C)P158、160

A.pn结是结型半导体器件的心脏。

B.pn结空间电荷区中的内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。

C.平衡时,pn结空间电荷区中正电荷区和负电荷区的宽度一定相等。

6.对于小注入下的N型半导体材料,下列说法中不正确的是(B)P128

A. B. C. D.7.关于空穴,下列说法不正确的是(C)P15

A.空穴带正电荷B.空穴具有正的有效质量

C.空穴同电子一样都是物质世界中的实物粒子

D.半导体中电子空穴共同参与导电

8.关于公式,下列说法正确的是(D)P66、67

A.此公式仅适用于本征半导体材料

B.此公式仅适用于杂质半导体材料

C.此公式不仅适用于本征半导体材料,也适用于杂质半导体材料

D.对于非简并条件下的所有半导体材料,此公式都适用

半导体器件物理复习题答案

半导体器件物理复习题答案

半导体器件物理复习题答案

一、选择题

1. 半导体材料中,导电性介于导体和绝缘体之间的是:

A. 导体

B. 绝缘体

C. 半导体

D. 超导体

答案:C

2. PN结形成后,其空间电荷区的电场方向是:

A. 由N区指向P区

B. 由P区指向N区

C. 垂直于PN结界面

D. 与PN结界面平行

答案:B

3. 在室温下,硅的本征载流子浓度大约是:

A. \(10^{10}\) cm\(^{-3}\)

B. \(10^{12}\) cm\(^{-3}\)

C. \(10^{14}\) cm\(^{-3}\)

D. \(10^{16}\) cm\(^{-3}\)

答案:D

二、简答题

1. 解释什么是PN结,并简述其工作原理。

答案:PN结是由P型半导体和N型半导体接触形成的结构。P型半导体中空穴是多数载流子,N型半导体中电子是多数载流子。当P型和N型半导体接触时,由于扩散作用,空穴和电子会向对方区域扩散,形

成空间电荷区。在空间电荷区,由于电荷的分离,产生一个内建电场,这个电场的方向是从N区指向P区。这个内建电场会阻止进一步的扩散,最终达到动态平衡,形成PN结。

2. 描述半导体中的扩散和漂移两种载流子运动方式。

答案:扩散是指由于浓度梯度引起的载流子从高浓度区域向低浓度

区域的运动。漂移则是指在外加电场作用下,载流子受到电场力的作

用而产生的定向运动。扩散和漂移共同决定了半导体中的电流流动。

三、计算题

1. 假设一个PN结的内建电势差为0.7V,求其空间电荷区的宽度。

答案:设PN结的空间电荷区宽度为W,内建电势差为Vbi,则有:

\[ V_{bi} = \frac{qN_{A}N_{D}}{2\varepsilon}W \] 其中,q是电子电荷量,\( N_{A} \)和\( N_{D} \)分别是P型和

半导体器件物理复习计算题

半导体器件物理复习计算题

11. 在T = 300 K,计算理想p-n 结二极管在反向电流达到95 个百分比的反向饱和电流值时,需要外加的反向电压。

分析:

利用

注意Exp(qV/kT) - 1= 0.95 错误!

应为Exp(qV/kT) - 1= - 0.95 反向电流

1. 一扩散的pn硅结在p-为线性缓变结,其a = 1019 cm-4,而n侧为均匀掺杂,浓度为3×1014 cm-3 。如果在零偏压时,p侧耗尽层宽度为0.8μm ,找出在零偏压时的总耗尽层宽度,内建电势和最大电场

总耗尽区宽度:

利用耗尽区总电荷电中性条件,求得Xp与Xn

则W = Xp + Xn

求Vbi 与Emax,一般采用泊松方程求解电场和电势差

或者特别的,求Vbi时,

Vbi=Vn-Vp=(kT/q)ln(ND/ni)+(kT/q)ln(aw/ni)

即利用热平衡时,费米能级统一和

但在缓变结的中性区掺杂浓度并非恒量,结果稍有近似.

1.一n-p-n晶体管其基区输运效率为0.998,发射效率为0.997,为10 nA。(a)算出晶体管的和,(b)若,发射极电流为多少?

理想晶体管αo=γαT≈γ=0.999

βo= αo/(1-αo)=999

Ib=0,则

ICBO=10×10-6A

ICEO=(1+ βo) ICBO=10mA

第10解释偏压情况下金属与P型,N型半导体接触的能带图在书本105. 12题计算题。若一亚微米。。。。。题目在书本282第3题

第8题在书本223第1题。。。。。

第4题,5题6题没有找到;

mos管计算题

mos管计算题

mos管计算题

一、概述

MOS管(金属氧化物半导体场效应晶体管)是一种重要的电子元器件,广泛应用于各种电子设备中。MOS管的性能参数、电流容量、电压降等指标对电子设备的性能和效率有着重要影响。因此,正确地选择和使用MOS管是电子设备设计和生产中不可或缺的一环。本篇文章将围绕MOS管的计算问题展开,帮助读者掌握MOS管的基本计算方法和技巧。

二、基础计算

1. 耗尽型MOS管的阈值电压计算

耗尽型MOS管的阈值电压(Vth)受到器件结构、材料、工作电压、掺杂浓度等多种因素的影响。根据MOS管的构造和工作原理,可以列出以下方程:

Vgs + Vth = Vds

其中,Vgs为栅极与源极之间的电压,Vds为源极与漏极之间的电压。根据这个方程,我们可以根据已知条件求出阈值电压。

例题:某耗尽型MOS管,工作电压为5V,栅极掺杂浓度为

1015cm-3,源极掺杂浓度为1016cm-3,求该MOS管的阈值电压。

解:根据上述方程,可得:

Vgs = 5V - Vth = 5V - (5V × 1016cm-3)/(1015cm-3 + 1016cm-3)≈ 2.7V

因此,该MOS管的阈值电压约为2.7V。

2. NMOS管和PMOS管的工作电流计算

MOS管的工作电流受到其导通电压、源极和漏极之间的电压、工作电压等因素的影响。根据MOS管的构造和工作原理,可以列出以下方程:

Ids = (Vgs - Vt) / Rds on

其中,Ids为工作电流,Vgs为栅极与源极之间的电压,Vt为阈值电压,Rds on为导通电阻。根据这个方程,我们可以根据已知条件求出MOS管的工作电流。

半导体计算题

半导体计算题

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五、已知室温下硅的本征载流子密度ni=1.5?1010 cm-3,试求掺磷浓度为1.5?1013 cm-3,掺硼浓度为1.0?1013 cm-3的硅样品在室温热平衡状态下的电子密度n0、空穴密度p0和费米能级的位置。已知此时硅中杂质原子已全部电离,硅的导带底和价带顶有效态密度分别为

2.8?1019cm-3和1.1?1019cm-3。

解:因为ND=1.5?1013 cm-3,NA=1.0?1013 cm-3,ND>NA且完全电离,所以n0 = 有效施主浓度=1.5?1013-1.0?1013 =5?1012(cm-3)由n0 p0=ni2=2.25?1020 cm-6,知p0=ni2/n0=4.5?107(cm-3)

本题属轻掺杂非简并情况,因此由

?E?EF?n0?NCexp??C? kT?? NC2.87E?E?kTln?0.026??10)(eV)CF n05六、对非简并半导体,从利用等效态密度NC和NV求热平衡载流子密度n0和p0的公式出发,推出利用本征载流子密度ni和本征费米能级Ei求n0和p0的公式。

解:本征载流子密度即EF=Ei时的热平衡电子密度和空穴密度,于是由

?EC?EF??EF?EV?n?Nexpp?NexpC 00VkTkT?由此两式可将有效态密度NC和NV分别用ni和Ei表示为

EC?Ei??Ei?EV? n?Nexpni?NVexp???iCkT kT

九、若硅中施主杂质电离能?ED = 0.04eV,施主杂质浓度分别为1015 cm-3和1018 cm-3。计算这些杂质①99﹪电离;②90﹪电离;③50﹪电离

半导体物理综合练习题(3)参考答案

半导体物理综合练习题(3)参考答案

1、晶格常数2.5Å的一维晶格,当外加102V/m和107V/m电场时,试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需时间。(1Å=10nm=10-10m)

2、指出下图中各表示的是什么半导体?

3、如图所示,解释一下n0~T关系曲线。

4、若费米能E F=5eV,利用费米分布函数计算在什么温度下电子占据E=5.5eV能级的概率为1%。并计算在该温度下电子分布概率0.9~0.1所对应的能量区间。

5、两块n型硅材料,在某一温度T时,第一块与第二块的电子密度之比为n1/n2=e(e是自然对数的底)

(1)如果第一块材料的费米能级在导带底之下3k0T,试求出第二块材料中费米能级的位置;(2)求出两块材料中空穴密度之比p1/p2。

6、硼的密度分别为N A1和N A2(N A1>N A2)的两个硅样品,在室温条件下:

(1)哪个样品的少子密度低?

(2)哪个样品的E F离价带顶近?

(3)如果再掺入少量的磷(磷的密度N`D< N A2),它们的E F如何变化?

7、现有三块半导体硅材料,已知在室温下(300K)它们的空穴浓度分别为p01=2.25×1016cm-3、p02=1.5×1010cm-3、p03=2.25×104cm-3。

(1)分别计算这三块材料的电子浓度n01、n02、 n03;

(2)判别这三块材料的导电类型;

(3)分别计算这三块材料的费米能级的位置。

8、室温下,本征锗的电阻率为47Ω·cm,试求本征载流子浓度。若掺入锑杂质,使每106个锗原子中有一个杂质原子,计算室温下电子浓度和空穴浓度。设杂质全部电离。锗原子的浓度为4.4×1022/cm3,

半导体器件习题及参考答案

半导体器件习题及参考答案

第二章

1 一个硅p -n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结,a=1019cm -4,n 型一侧为均匀掺杂,杂质浓度为3×1014cm -3,在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为μm ,求零偏压下的总耗尽层宽度、内建电势和最大电场强度。

解:)0(,22≤≤-=x x qax dx

d p S εψ

)0(,2

2n S

D x x qN dx d ≤≤-=εψ 0),(2)(22

≤≤--=-

=E x x x x qa dx d x p p S

εψ n n S

D

x x x x qN dx d x ≤≤-=-

=E 0),()(εψ x =0处E 连续得x n =μm x 总=x n +x p =μm

⎰⎰

=--=-n

p

x x bi V dx x E dx x E V 0

516.0)()(

m V x qa E p S

/1082.4)(25

2max ⨯-=-=

ε,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。 2 一个理想的p-n 结,N D =1018cm -3,N A =1016cm -3,τp =τn =10-6s ,器件的面积为×10-5cm -2,计算300K 下饱和电流的理论值,±时的正向和反向电流。 解:D p =9cm 2/s ,D n =6cm 2/s

cm D L p p p 3103-⨯==τ,cm D L n n n 31045.2-⨯==τ

n

p n p

n p S L n qD L p qD J 0

+

=

I S =A*J S =*10-16A 。 +时,I =μA , -时,I =*10-16A

半导体物理学(第7版)第三章习题和答案

半导体物理学(第7版)第三章习题和答案

第三章习题和答案

1. 计算能量在E=E c 到 之间单位体积中的量子态数。2

*n 2

C L 2m 100E E π+=解:

2. 试证明实际硅、锗中导带底附近状态密度公式为式(3-6)。

3

22

23

3*28100E 21

23

3

*22100E 002

1

233*231000L 8100)(3

222)(22)(1Z V

Z

Z )(Z )(22)(23

22

C

22

C

L E m h E E E m V dE E E m V dE E g V

d dE

E g d E E m V E g c

n c C n

l

m h E C n

l

m E C n

n c n c πππππ=

+-=-==

==-=*+

+

⎰**

)()

(单位体积内的量子态数)

()

(21)(,)"(2)()(,)(,)()(2~.2'2

1

3'

'

''''2'

21'21'21'

2

2

222

22C a a l

t t

z y x a

c c z

l

a z y t a

y x t a x

z t y x C C e E E m h

k V m m

m m k g k k k k k m h E k E k m m k k m m k k m m k ml

k m k k h E k E K IC E G si -=⎪⎪⎭

⎫ ⎝

⎛+∙=+++====+++=*

**

**系中的态密度在等能面仍为球形等能面系中在则:令)

(关系为

)(半导体的、证明:[]

3

1

23

2212

32'

2123

2

31'2

'''')()2(4)()(111100)()(24)(4)()(~l

t

n c n

c l t t z m m s

半导体工艺计算题整理

半导体工艺计算题整理

一、计算题

1.例:假设经热氧化方式生长厚度为x的二氧化硅,要将消耗多少硅?每摩尔

Si的质量是28.9g,密度为2.33g/cm3;每摩尔SiO2的质量是60.08g,密度为2.21 g/cm3

解:1mol硅所占体积为

28.9g

3

=12.40cm3

1mol二氧化硅所占体积为:

60.08g

3

=27.18cm3

因为1mol Si转换成1mol SiO2,故

Si厚度×面积SiO2厚度×面积=

1molSi的体积1molSiO2的体积

故硅的厚度=0.46×二氧化硅的厚度

即,生长厚度为100nm的二氧化硅,需消耗46nm厚的硅

2.如果将一片直径200mm的硅片暴露在层流空气中1min,空气流速为30m/min,

若洁净室等级为10,求将有多少尘埃粒子降落在晶片上?

解:对10级的洁净室,每m3有350个大于500nm的粒子,1min内流经晶片表面的空气体积为:

30×π×(0.2/2)2×1=0.942m3

此空气中包含尘埃粒子为:350×0.942=330颗粒子

3.计算在200mm的晶片上铝的平均腐蚀速率于腐蚀速率均匀度,假设晶片在中

间、左、右、上、下的腐蚀速率分别为:750、812、765、743和798nm/min 解:铝的平均腐蚀速率为:

(750+812+765+743+798)/5=773.6nm/min 腐蚀速率均匀度为:(812−743)/(812+743)×100%=4.4%

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五、已知室温下硅的本征载流子密度n i=1.5⨯1010 cm-3,试求掺磷浓度为1.5⨯1013 cm-3,掺硼浓度为1.0⨯1013 cm-3的硅样品在室温热平衡状态下的电子密度n 0、空穴密度p 0和费米能级的位置。已知此时硅中杂质原子已全部电离,硅的导带底和价带顶有效态密度分别为

2.8⨯1019cm-3和1.1⨯1019cm-3。

解:因为N D=1.5⨯1013 cm-3,N A=1.0⨯1013 cm-3,ND>NA 且完全电离,所以n 0 = 有效施主浓度=1.5⨯1013-1.0⨯1013 =5⨯1012(cm-3)

由n 0 p 0=n i2=2.25⨯1020 cm-6,知 p 0=n i2/n 0=4.5⨯107(cm-3)

本题属轻掺杂非简并情况,因此由

六、对非简并半导体,从利用等效态密度N C 和N V 求热平衡载流子密度n 0和p 0的公式出发,推出利用本征载流子密度n i 和本征费米能级E i 求n 0和p 0的公式。

解:本征载流子密度即E F=E i 时的热平衡电子密度和空穴密度,于是由

由此两式可将有效态密度N C 和N V 分别用n i 和E i 表示为

九、若硅中施主杂质电离能∆E D = 0.04eV ,施主杂质浓度分别为1015 cm-3和1018 cm-3。计算这些杂质①99﹪电离;②90﹪电离;③50﹪电离时的温度。

解:这类题也可利用未电离施主的浓度公式(即电子占据施主能级的几率函数与施主浓度之积)

结果:

ND=1015/cm3时,电离度为99﹪、90﹪、50﹪的温度分别为124K 、84K 、59K

ND=1018/cm3时,电离度为99﹪、90﹪、50﹪的温度分别为1374K 、427K 、180K 需要注意的是:由参考书中的图3-7可见,当T=1000K 时,硅的本征载流子密度已接近1018cm-3:T=1374K 时,硅的本征载流子密度已将近-3,与解题过程中设定的 n0 = 0.99ND 误差很大,说明这个结果不准确。欲求其准确值,须利用迭代法反复修正,直至求出的温度所对应的 n0与代入式(12-1)中的n0接近相等为止。

其他温度所对应的本征载流子密度都比相应的电离杂质密度低很多数量级,n 0 =(1-D -)ND 的算法是合理的。

11exp()2D D D F N n E E kT =-+0011111exp()1146422exp()2exp()D C F D C C D D n E E E N N N E kT n n T kT ===--∆+++∆0.04463.54640.026300D E k ∆==≈)464exp(2110_T n N D C +=333*21522

32(2)() 5.410n C m k N T T T h π==⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛--=kT E E N n F C C exp 0)()105

8.2ln(026.0ln 70eV n N kT E E C F C ⨯⨯==-⎪⎭⎫ ⎝⎛--=kT E E N n F C C exp 0⎪⎭⎫ ⎝⎛--=kT E E N p V F V exp 0⎪⎭⎫ ⎝⎛--=kT E E N n i C C i exp ⎪⎭⎫ ⎝

⎛--=kT E E N n V i V i exp

二、对通过单一复合中心的间接复合过程,小注入条件下的额外载流子寿命

今有热平衡载流子密度相等的A 、B 两个n-Si 样品,其中A 的复合中心能级E TA 与费米能级E F 重合,而B 的复合中心能级E TA 在E F 之下10倍kT 处,但距本征费米能级仍有相当距离。用计算说明哪个样品的复合中心更有效?少子寿命τA 是τB 的多少倍?

解:按题意,该n 型半导体的费米能级比较靠近导带底,因而n 0>>p 0,且即便对复合中心能级相对靠近禁带中部的样品B ,由于距本征费米能级仍有相当距离,仍可知n 1>>p 1。因此,这两个样品的小注入少子寿命皆可由

对样品B ,因其E T =E F -10kT ,即n 1=n 0e-10<

命 而对样品A ,因其E T =E F ,即n1=n0,其少子寿命 是τB 的2倍,所以样品B 的复合中心更为有效。

三、一块施主浓度为2⨯1016cm-3硅片,含均匀分布的金,浓度为3⨯1015cm-3,表面复合中心密度为1010cm-2,已知硅中金的r p=1.15 ⨯10-7cm3/s ,表面复合中心的r s=2 ⨯10-6cm3/s ,求:

1)小注入条件下的少子寿命,扩散长度和表面复合速度;

2)均匀光照,产生率g=1017/s.cm3时的表面空穴密度和流密度

四、有一个用禁带宽度为0.104eV 的本征半导体制成的电阻,已知其300K 时的电阻值为500Ω,其600K 时的电阻值是多少?设其禁带宽度和两种载流子的迁移率都不随温度变化,已知300K 的kT 值为0.026eV ,自然对数之底e ≈ 2.7

解:令R 1和R 2分别表示该电阻在300K 和600K 时的阻值,σ1和σ2分别表示制成该电阻的半导体材料在相应温度下的电导率值,n i1和n i2分别表示该半导体材料在相应温度下的本征载流子密度。 材料的禁带宽度和两种载流子的迁移率都不随温度变化,那么就应有

由n i=(N C N V)1/2exp(-E g/(2kT )) 和R 2/R 1=σ1/σ2可得

)()()(0

01010p n r r N p p r n n r n p t p n ++++=τ)()()(001010p n r r N p p r n n r n p t p n ++++=τ010)(n r N n n p t +=τp t B r N 1=τp

t A r N 2=τt p p N r 1=τp p p D L τ=TS s p N r S =)0(p S U p S ∆=p p p p p p p g S L S p τττ⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡+-=∆1)0(p

p p p p p p p g L x s L s x p τττ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡- +-=∆)exp 1)(⎥⎦

⎤⎢⎣⎡-==)11(2exp )(122/32112112T T k E T T R n n R R g i i Ω≈⨯≈5.657.222500

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