微电子器件与IC设计基础第二版第1章习题
微电子器件 学习辅导资料 第 1 章
1 半导体物理基础1.1 半导体材料 1.1.1 学习重点1．半导体通常把电阻率介于10-2Ω·cm 到109Ω·cm 之间的材料称为半导体。
2．半导体的分类 根据成分的不同，半导体可分为元素半导体和化合物半导体两类。
由单一元素构成的半导体称为元素半导体；由两种或两种以上的元素组成的半导体称为化合物半导体。
3．固体材料中原子、分子或分子团的排列方式根据原子、分子或分子团在三维空间中排列有序程度的不同，固体材料分为无定形、多晶和单晶三种基本类型。
• 无定型材料：原子或分子只在几个原子或分子尺度内排列有序。
• 多晶材料：原子或分子在小区域内排列有序。
• 单晶体：原子或分子在整个晶体中有序排列。
4．硅和锗的晶体结构硅和锗的单晶体中原子的排列方式与金刚石相同，称为金刚石结构，如下图所示。
1.1.2自学练习1、半导体材料是指（ ）。
（a) 金刚石结构（b）硅单晶的正四面体结构硅和锗的晶体结构2、根据成分的不同，半导体材料可分为（ ）和（ ）两类。
3、根据原子、分子或分子团在三维空间中排列有序程度的不同，固体材料分为（ ）、 （ ）和（ ）三种基本类型。
4、无定型、多晶和单晶在原子或分子的排列方式各有什么特点？5、硅和锗单晶的结构为（ ）结构。
6、硅单晶的结构特点是什么？1.1.3练习答案1、半导体材料是指（ 电阻率介于导体和半导体之间的材料 ）。
2、根据成分的不同，半导体材料可分为（ 元素半导体 ）和（ 化合物半导体 ）两类。
3、根据原子、分子或分子团在三维空间中排列有序程度的不同，固体材料分为（ 无定形 ）、（ 多晶 ）和（ 单晶 ）三种基本类型。
4、无定型、多晶和单晶在原子或分子的排列方式各有什么特点？ 答：无定型材料中原子或分子只在几个原子或分子尺度内排列有序。
多晶材料中原子或分子在小区域内排列有序。
单晶体中原子或分子在整个晶体中有序排列。
5、硅和锗单晶的结构为（ 金刚石 ）结构。
苑尚尊电工与电子技术基础第2版习题参考答案第1章
第1章 直流电路及其分析方法习题解答习 题 一1.1 题1.1图所示电路由4个元件组成，电压电流的参考方向如图中所示。
已知U 1= –5V ，U 2=15V ，I 1=2A ，I 2=3A ，I 3= –1A 。
试计算各元件的电功率，并说明哪些元件是电源？哪些元件是负载？题1.1图解：1元件：102)5(111−=×−==I U P （W ）是电源。
2元件：40315222=×==I U P （W ）是负载。
3元件：15)1(15323−=−×==I U P （W ）是电源。
4元件：202)155(14−=×+−−=−=UI P （W ）是电源。
1.2 求题1.2图所示各元件的端电压或通过的电流。
题1.2图解：(a)10101−=×−=−=IR U (V)(b)155−=−==R U I (A) (c)1010)1(−=×−==IR U (V)1.3 电路如图1.3所示，已知U =12V ，E =6V ，R 0=2Ω，试根据电流、电压和电动势的正方向，分别计算图1.3中各电流I 。
题1.3图第1章 直流电路及其分析方法习题解答2 解：(a) 0U E IR =− 03 (A)E UI R −==− (b) 0U E IR =+ 0 3 (A)U EI R −== ©0U E IR =−− 09 (A)E UI R −−==− (d) 0U E IR =−+ 09 (A)E UI R +==1.4 已知电路如题1.4图（a ）和（b ）所示，试计算a 、b 两端的电阻。
解：(a)由图可知，电阻的串并联关系可等效为下图所示：则710//10210//]6)12//6[(2=+=++=ab R （Ω） (b)由图可知，电阻的串并联关系可等效为下图所示：则4.54.236//46//6=+=+=ab R （Ω） 1.5 在题1.5图中，R 1=R 2=R 3=R 4=300Ω，R 5=600Ω，试求开关S 断开和闭合时a 、b 之间的等效电阻。
微电子学概论复习题及答案(详细版)
微电子学概论复习题及答案（详细版）第一章绪论1．画出集成电路设计与制造的主要流程框架。
2．集成电路分类情况如何？双极型PMOSMOS型单片集成电NMOS路CMOS按结构分类BiMOSBiMOS型BiCMOS厚膜混合集成电路混合集成电路薄膜混合集成电路SSIMSI集成电路LSI按规模分类VLSIULSIGSI组合逻辑电路数字电路时序逻辑电路线性电路按功能分类模拟电路非线性电路数字模拟混合电路按应用领域分类第二章集成电路设计1．层次化、结构化设计概念，集成电路设计域和设计层次分层分级设计和模块化设计．将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低的设计级别，这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级别；这样的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足够低，也就是说，能相当容易地由这一级设计出的单元逐级组织起复杂的系统。
从层次和域表示分层分级设计思想域：行为域：集成电路的功能结构域：集成电路的逻辑和电路组成物理域：集成电路掩膜版的几何特性和物理特性的具体实现层次：系统级、算法级、寄存器传输级(也称RTL级)、逻辑级与电路级2．什么是集成电路设计？根据电路功能和性能的要求，在正确选择系统配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下，尽量减小芯片面积，降低设计成本，缩短设计周期，以保证全局优化，设计出满足要求的集成电路。
3．集成电路设计流程，三个设计步骤系统功能设计逻辑和电路设计版图设计4．模拟电路和数字电路设计各自的特点和流程A.数字电路：RTL级描述逻辑综合(Synopy,Ambit)逻辑网表逻辑模拟与验证，时序分析和优化难以综合的：人工设计后进行原理图输入，再进行逻辑模拟电路实现(包括满足电路性能要求的电路结构和元件参数)：调用单元库完成；没有单元库支持：对各单元进行电路设计，通过电路模拟与分析，预测电路的直流、交流、瞬态等特性，之后再根据模拟结果反复修改器件参数，直到获得满意的结果。
由此可形成用户自己的单元库；单元库：一组单元电路的集合；经过优化设计、并通过设计规则检查和反复工艺验证，能正确反映所需的逻辑和电路功能以及性能，适合于工艺制备，可达到最大的成品率。
模拟电子技术(第2版)课后复习题答案第一章
第一章 半导体器件1.1 电路如图P1.1所示，设二极管为理想的，试判断下列情况下，电路中的二极管是导通还是截止，并求出AO 两端的电压AO U 。
（1）V V DD 61=，V V DD 122=；（2）V V DD 61=、V V DD 122-=；（3）V V DD 61-=、V V DD 122-=。
解：1、当V V DD 61=、V V DD 122=时，假设二极管是截止的，则V V B 6=、VV A 12=二极管承受反偏电压，所以二极管截止假设成立。
V V U DD AO 122==。
2、当V V DD 61=、V V DD 122-=时，假设二极管是截止的则V V B 6=、V V A 12-=二极管承受正偏电压，所以二极管截止假设不成立，二极管导通。
V V U DD AO 61==。
3、当V V DD 61-=、V V DD 122-=时，假设二极管是截止的，则V V B 6-=、V V A 12-= 二极管承受正偏电压，所以二极管截止假设不成立，二极管导通。
V V U U DD BO AO 61-===。
1.2 二极管电路如图P1.2所示，二极管的导通电压V U D 7.0)on (=，试分别求出Ω=k R 1、Ω=k R 4时，电路中的电流O I I I 、、21和输出电压O U 。
解：1、当Ω=k R 1时，假设二极管是截止的，则mA I I O 5.41192=+=-= V R I U V L O O B 5.415.4-=⨯-===V V A 3-= (V V V B A 5.1=-)由上分析可知，二极管承受正偏电压导通（假设不成立）故可得其等效电路如图P1.2b 所示：根据KCL 、 KVL ：⎪⎩⎪⎨⎧+-=-+=+=R I R I R I I I I L O O 222197.039 解之：mA I mA I mA I 3.56.17.3210==-=V R I U L O O 7.317.3-=⨯-==2、当Ω=k R 4时，假设二极管是截止的，则mA I I O 8.11492=+=-=V R I U V L O O B 8.118.1-=⨯-===V V A 3-= V U U B A 2.1-=-由上分析可知，二极管承受反偏电压截止（假设成立）01=I mA I I 8.102=-=V R I U L O O 8.118.1-=⨯-==3.3 设二极管为理想的，试判断P1.3所示电路中各二极管是导通还是截止，并求出AO两端的电压AO U解：（a ）假设21V V 、均截止，则V V A 10=、V V B 6-=、V V O 0=， 21V V 、均承受正偏电压，但2V 管的正向偏值电压更大，故它首先导通。
微电子器件基础题13页word文档
微电子器件基础题13页word文档“微电子器件”课程复习题一、填空题1、若某突变PN 结的P 型区的掺杂浓度为163A 1.510cm N -=?，则室温下该区的平衡多子浓度p p0与平衡少子浓度n p0分别为（）和（）。
2、在PN 结的空间电荷区中，P 区一侧带（负）电荷，N 区一侧带（正）电荷。
内建电场的方向是从（N ）区指向（P ）区。
3、当采用耗尽近似时，N 型耗尽区中的泊松方程为（）。
由此方程可以看出，掺杂浓度越高，则内建电场的斜率越（）。
4、PN 结的掺杂浓度越高，则势垒区的长度就越（短），内建电场的最大值就越（大），内建电势V bi 就越（大），反向饱和电流I 0就越（小），势垒电容C T 就越（），雪崩击穿电压就越（低）。
5、硅突变结内建电势V bi 可表为（），在室温下的典型值为（0.8）伏特。
6、当对PN 结外加正向电压时，其势垒区宽度会（减小），势垒区的势垒高度会（降低）。
7、当对PN 结外加反向电压时，其势垒区宽度会（变宽），势垒区的势垒高度会（增高）。
8、在P 型中性区与耗尽区的边界上，少子浓度n p 与外加电压V 之间的关系可表示为（）。
若P 型区的掺杂浓度173A 1.510cm N -=?，外加电压V = 0.52V ，则P 型区与耗尽区边界上的少子浓度n p 为（）。
9、当对PN 结外加正向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（高）；当对PN 结外加反向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（低）。
10、PN 结的正向电流由（空穴扩散Jdp ）电流、（电子扩散电流Jdn ）电流和（势垒区复合电流Jr ）电流三部分所组成。
11、PN 结的正向电流很大，是因为正向电流的电荷来源是（多子）；PN 结的反向电流很小，是因为反向电流的电荷来源是（少子）。
12、当对PN 结外加正向电压时，由N 区注入P 区的非平衡电子一边向前扩散，一边（复合）。
大学电路与模拟电子技术基础(第2版) 习题解答-第1章习题解答
20XX年复习资料大学复习资料专业：班级：科目老师：日期：第1章直流电路习题解答1.1 在图1.1所示电路中，（1）选d 为参考点，求a V 、b V 和c V ；（2）选c 为参考点，求a V 、b V 和d V 。
图1.1 习题1.1电路图解 （1） 当选d 为参考点时， V 3ad a ==u VV 112cd bc bd b =-=+==u u u V ；V 1cd c -==u V （2） 当选c 为参考点时， 4V 13dc ad a =+=+=u u VV 2bc b ==u V ；V 1dc d ==u V1.2 求图1.2中各元件的功率，并指出每个元件起电源作用还是负载作用。
图1.2 习题1.2电路图解 W 5.45.131=⨯=P （吸收）； W 5.15.032=⨯=P （吸收） W 15353-=⨯-=P （产生）；W 5154=⨯=P （吸收）； W 4225=⨯=P （吸收）元件1、2、4和5起负载作用，元件3起电源作用。
1.3 求图1.3中的电流I 、电压U 及电压源和电流源的功率。
图1.3 习题1.3电路图解 A 2=I ；V 13335=+-=I I U电流源功率：W 2621-=⋅-=U P （产生），即电流源产生功率6W 2。
电压源功率：W 632-=⋅-=I P （产生），即电压源产生功率W 6。
1.4 求图1.4电路中的电流1I 、2I 及3I 。
图1.4 习题1.4电路图解 A 1231=-=IA 1322-=-=I由1R 、2R 和3R 构成的闭合面求得：A 1223=+=I I 1.5 试求图1.5所示电路的ab U 。
图1.5 习题1.5电路图解 V 8.13966518ab -=⨯+++⨯-=U 1.6求图1.6所示电路的a 点电位和b 点电位。
图1.6 习题1.6电路图解 V 4126b =⨯-=VV 13b a =+-=V V1.7 求图1.7中的I 及S U 。
微电子器件与IC设计基础_第2版_刘刚_陈涛_课后答案(DOC)
课后习题答案1.1 为什么经典物理无法准确描述电子的状态？在量子力学中又是用什么方法来描述的？ 解：在经典物理中，粒子和波是被区分的。
然而，电子和光子是微观粒子，具有波粒二象性。
因此，经典物理无法准确描述电子的状态。
在量子力学中，粒子具有波粒二象性，其能量和动量是通过这样一个常数来与物质波的频率ω和波矢k 建立联系的，即k n ch p h E ====υωυ 上述等式的左边描述的是粒子的能量和动量，右边描述的则是粒子波动性的频率ω和波矢k 。
1.2 量子力学中用什么来描述波函数的时空变化规律？解：波函数ψ是空间和时间的复函数。
与经典物理不同的是，它描述的不是实在的物理量的波动，而是粒子在空间的概率分布，是一种几率波。
如果用()t r ,ψ表示粒子的德布洛意波的振幅，以()()()t r t r t r ,,,2ψψψ*=表示波的强度，那么，t 时刻在r 附近的小体积元z y x ∆∆∆中检测到粒子的概率正比于()z y x t r ∆∆∆2,ψ。
1.3 试从能带的角度说明导体、半导体和绝缘体在导电性能上的差异。
解：如图1.3所示，从能带的观点来看，半导体和绝缘体都存在着禁带，绝缘体因其禁带宽度较大(6~7eV)，室温下本征激发的载流子近乎为零，所以绝缘体室温下不能导电。
半导体禁带宽度较小，只有1~2eV ，室温下已经有一定数量的电子从价带激发到导带。
所以半导体在室温下就有一定的导电能力。
而导体没有禁带，导带与价带重迭在一起，或者存在半满带，因此室温下导体就具有良好的导电能力。
1.4 为什么说本征载流子浓度与温度有关？解：本征半导体中所有载流子都来源于价带电子的本征激发。
由此产生的载流子称为本征载流子。
本征激发过程中电子和空穴是同时出现的，数量相等，i n p n ==00。
对于某一确定的半导体材料，其本征载流子浓度为kT E V C i g e N N p n n ==002式中，N C ，N V 以及Eg 都是随着温度变化的，所以，本征载流子浓度也是随着温度变化的。
微电子器件与IC设计
39
2.2.4、V-I 特性方程
PN结N区边界处少子扩散电流密度：
jp
q
pN 0
exp
qV kT
1
Dp Lp
PN结P区边界处少子扩散电流密度：
jn
q nP0
exp
qV kT
1
Dn Ln
40
第41页/共60页
通过器件的总电流为常数，且为上 两式的总和，为理想二极管方程式：
x
6
2.1.1、PN结的形成及类型
线性缓变结近似
杂 质
适用于表面杂质浓度较低、结深较
浓
深的缓变结
度
杂
ND NA aj x xj
质 浓
度
dN ( x) a j dx xxj c
第8页/共60页
ND -NA xj
αj
xj
x
x
7
2.1.1、PN结的形成及类型
突变结近似
适用于表面杂质浓度较高、结深较 浅的缓变结
J J p (xn ) Jn (xp )
Js
exp
qV kT
1
其中是Js饱和电流密度:
Js
qDp pn0 Lp
N区
杂 质
NA
浓
度
ND
xj
第5页/共60页
x
4
2.1.1、PN结的形成及类型
(2)、缓变结
N
P
杂 质
ND -NA
浓
度
xj
第6页/共60页
x
5
2.1.1、PN结的形成及类型
(3)、实际PN结近似
N
P
缓变PN结附近杂质浓度有两种近似处理
方法
芯片基础--模拟集成电路设计智慧树知到课后章节答案2023年下山东工商学院
芯片基础--模拟集成电路设计智慧树知到课后章节答案2023年下山东工商学院山东工商学院第一章测试1.跟数字集成电路设计一样，目前高性能模拟集成电路的设计已经能自动完成。
A:错 B:对答案:错2.模拟电路许多效应的建模和仿真仍然存在问题，模拟设计需要设计者利用经验和直觉来分析仿真结果A:对 B:错答案:对3.模拟设计涉及到在速度、功耗、增益、精度、电源电压等多种因素间进行折衷A:错 B:对答案:对4.CMOS电路已成为当今SOC设计的主流制造技术。
A:错 B:对答案:对5.MOSFET的特征尺寸越来越小，本征速度越来越快（已可与双极器件相比较），现在几GHz～几十GHz的CMOS模拟集成电路已经可批量生产。
A:错 B:对答案:对6.相对于数字电路来说，模拟集成电路的设计更加基础，更加灵活。
A:错 B:对答案:对7.片上系统，又称SOC，其英文全称是：A:System Operations CenterB:System on ChipC:Separation of concernsD:System of computer答案:System on Chip8.互补金属氧化物半导体，英文简称CMOS，其英文全称为：A:Complementary Machine Of SemiconductorB:Complementary Metal Oxide SemiconductorC:Complementary Metal Oxide SystemD:Cargo Machine Of Semiconductor答案:Complementary Metal Oxide Semiconductor9.模拟数字转换器, 英文简称ADC, 英文全称为：A:Ambulance to Digital ConverterB:Ambulance to Destination ConverterC:Analog-to-Digital ConverterD:Analog-to- Destination Converter答案:Analog-to-Digital Converter第二章测试1.MOS器件的源端和漏端不可以共用，不可以互换。
微电子器件与IC设计基础第二版第1章习题
第一章思考题：1.1简单解释原子能级和晶体能带之间的联系和区别。
答：在孤立原子中，原子核外面的电子受到这个原子核所带正电荷的作用，按其能量的大小分布在不同的电子轨道上绕核运转。
原子中不同轨道上电子能量的大小用彼此有一定间隔的横线段组成的能级图来表示（见图1.1b）。
能级的位置越高，表示该能级上电子的能量就越大。
原子结合成晶体后，一个原子核外的电子除了受到这个原子核所带正电荷以及核外电子所带负电荷的作用以外，还要受到这个原子周围其它原子所带正负电荷的作用。
也就是说，晶体中的电子是在原子核的正电荷形成的周期性势场中作如图1.1（a）中箭头所示的共有化运动。
正因为如此，原来描述孤立原子中电子能量大小的能级就被分裂成为一系列彼此相距很近的准连续的能级，其形状好似一条条反映电子能量大小的带子，故称之为能带，见图1.1（b）。
1.2以硅为例，解释什么是施主杂质和施主能级？什么是受主杂质和受主能级？答：以硅为例，见图1.2（a），如果在单晶硅中掺入Ⅴ族元素的杂质磷（P+），磷原子()P将取代Ⅳ族的硅(Si)原子的位置而成为所谓的施主杂质。
因为磷原子外层有五个价电子，它和周围的四个硅原子形成共价键后还多出一个电子，这个多余的电子受到磷原子核的微弱束缚力而绕着该原子核做一定半径的圆周运动，它只需要吸收很小的能量（百分之几个电子伏特）就能挣脱磷原子核的束缚而成为可以在整个晶体中运动的准自由电子，原来的磷原子则成为了磷离子()+P，称之为正电中心。
从电子能量大小的观点来看，导带底能量E C表示导带中速度为零的电子所具备的能量，而没有被热（或光）激发、仍然绕磷原子核运转的电子处于束缚态，其能量应低于导带底能量C E 。
用能级图来表示，该电子所在的能级应在C E 下方并且非常靠近C E 的地方，一般用短的横线表示。
我们称这一能级为施主能级，用D E 表示。
又称能够向能带提供施主能级的杂质为施主杂质。
同样，见图1.2(b)。
《集成电路设计(第2版)》习题答案1-5章
9． MOSFET 存在哪些二阶效应？分别是由什么原因引起的？ P.70-73 沟道长度调制效应，体效应，亚阈值效应 10．说明 MOSFET 噪声的来源、成因及减小的方法。 噪声来源：热噪声和闪烁噪声。热噪声是由沟道内载流子的无规则热运动造成的，可通 过增加 MOS 管的栅宽和偏置电流减少热噪声。闪烁噪声是由沟道处二氧化硅与硅界面上电 子的充放电引起的，增加栅长栅宽可降低闪烁噪声。
CH3
1． 写出晶体外延的意义，列出三种外延生长方法，并比较各自的优缺点。 意义：用同质材料形成具有不同掺杂种类及浓度而具有不同性能的晶体层。外延方法: 液态生长，气相外延生长，金属有机物气相外延生长 2．写出掩膜在 IC 制造过程中的作用，比较整版掩膜和单片掩膜的区别，列举三种掩膜的制 造方法。P28,29 3．写出光刻的作用，光刻有哪两种曝光方式？ 作用： 把掩膜上的图形转换成晶圆上的器 件结构。曝光方式有接触与非接触两种。 4．X 射线制版和直接电子束直写技术替代光刻技术有什么优缺点？ X 射线（X-ray）具有比可见光短得多的波长，可波长很短，分辨率很高 5． 说出半导体工艺中掺杂的作用，举出两种掺杂方法，并比较其优缺点。 热扩散掺杂和离子注入法。与热扩散相比，离子注入法的优点如下：1.掺杂的过程可通 过调整杂质剂量与能量来精确控制杂质分布。2.可进行小剂量的掺杂。3.可进行极小深度的 掺杂。4.较低的工业温度，故光刻胶可用作掩膜。5.可供掺杂的离子种类较多，离子注入法 也可用于制作隔离岛。缺点：价格昂贵，大剂量注入时，半导体晶格会遭到严重破坏且难以 恢复 6．列出干法和湿法氧化法形成 SiO2 的化学反应式。 干氧 Si O2 SiO2 湿氧 Si 2 H 2 O SiO2 2 H 2
怎样的条件下金属与半导体形成肖特基接接触区半导体重掺杂可实现欧姆接触金属与掺杂半导体接触形成肖特基接触4
电子技术基础(第二版)前三章习题答案
第一章1.1 能否将1.5V 的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？解：不能。
因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V 时，管子会因电流过大而烧坏。
1.2已知稳压管的稳压值U Z ＝6V ，稳定电流的最小值I Zmin ＝5mA 。
求图T1.4所示电路中U O1和U O2各为多少伏。
解：U O1＝6V ，U O2＝5V 。
1.3写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U D ＝0.7V 。
（该题与书上略有不同）解：U O1≈1.3V ，U O2＝0，U O3≈－1.3V ，U O4≈2V ，U O5≈1.3V ，U O6≈－2V 。
1.5 电路如图P1.5（a ）所示，其输入电压u I1和u I2的波形如图（b ）所示，二极管导通电压U D ＝0.7V 。
试画出输出电压u O 的波形，并标出幅值（该题与书上数据不同）解：u O 的波形如解图P1.5所示。
解图P1.51.9电路如图T1.9所示，V CC ＝15V ，β＝100，U BE ＝0.7V 。
试问： （1）R b ＝50k Ω时，u O ＝？ （2）若T 临界饱和，则R b ≈？ 解：（1）R b ＝50k Ω时，基极电流、集电极电流和管压降分别为26bBEBB B =-=R U V I μAV2mA 6.2 C C CC CE B C =-===R I V U I I β所以输出电压U O ＝U CE ＝2V 。
1.11电路如图P1.11所示，试问β大于多少时晶体管饱和？ 解：取U CES ＝U BE ，若管子饱和，则Cb C BECC b BE CC R R R U V R U V ββ=-=-⋅所以，100Cb=≥R R β时，管子饱和。
图1.11 1.12 分别判断图P1.12所示各电路中晶体管是否有可能工作在放大状态第二章2.1试分析图T2.2所示各电路是否能够放大正弦交流信号，简述理由。
微电子与IC设计第一章
1.3.2 本征载流子浓度
本征半导体（intrinsic semiconductor） ： 当半导体中的杂质远小于由热产生的电子空穴 时，此种半导体称为本征半导体。( 纯净的、未掺杂 的、没有晶格缺陷的完整的 )
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1.3.2 本征载流子浓度 本征载流子：本征半导体中的载流子
本征激发：产生与复合
概况 由硅石 粗硅 高纯多晶硅（纯度在99.9999999 ％以上）单晶硅
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1． 粗硅的制备 粗硅
又称工业硅或结晶硅（冶金级硅）， 纯度在95％99％。这种硅是石英砂在电炉中 用碳还原方法冶炼而成的。 反应要点：高温1600℃1800℃ 原因：SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g) 粗硅中杂质多，主要有Fe、Al、C、B、P、 Cu 等，其中Fe 含量最多。可用酸洗法初步提 纯，高纯硅还需进一步提纯。
用扫描隧道显微镜观察到的硅晶体表面的原子排列
7
1.1.2 硅材料的分类
1、按形态分： 薄膜型：淀积在玻璃、钢片、铝片等廉价衬底上，所 用的硅材料很少。 体材料（块状硅）：通常以硅片形式出现 单晶硅片（晶圓）
8
2、按纯度分：
名称 合金级硅 英文缩写 AG-Si 杂质总含量 1N 主要用途 炼合金
18
1.1.4 多晶硅材料相关产业链产品
半导体硅系列产品和设备产业链
19
太阳能光伏系列产品和设备产业链
20
多晶硅副产物系列产品和设备产业链
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1.2 半导体的形成与能带
1.2.1 原子能级与晶体能带 1、原子结合成晶体前 电子在各自的轨道上做圆周运动，每一壳层对 应相应的能量。
2、形成晶体后
非晶硅：短程有序，长程无序
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第一章思考题：1.1简单解释原子能级和晶体能带之间的联系和区别。
答：在孤立原子中，原子核外面的电子受到这个原子核所带正电荷的作用，按其能量的大小分布在不同的电子轨道上绕核运转。
原子中不同轨道上电子能量的大小用彼此有一定间隔的横线段组成的能级图来表示（见图1.1b）。
能级的位置越高，表示该能级上电子的能量就越大。
原子结合成晶体后，一个原子核外的电子除了受到这个原子核所带正电荷以及核外电子所带负电荷的作用以外，还要受到这个原子周围其它原子所带正负电荷的作用。
也就是说，晶体中的电子是在原子核的正电荷形成的周期性势场中作如图1.1（a）中箭头所示的共有化运动。
正因为如此，原来描述孤立原子中电子能量大小的能级就被分裂成为一系列彼此相距很近的准连续的能级，其形状好似一条条反映电子能量大小的带子，故称之为能带，见图1.1（b）。
1.2以硅为例，解释什么是施主杂质和施主能级？什么是受主杂质和受主能级？答：以硅为例，见图1.2（a），如果在单晶硅中掺入Ⅴ族元素的杂质磷（P+），磷原子()P将取代Ⅳ族的硅(Si)原子的位置而成为所谓的施主杂质。
因为磷原子外层有五个价电子，它和周围的四个硅原子形成共价键后还多出一个电子，这个多余的电子受到磷原子核的微弱束缚力而绕着该原子核做一定半径的圆周运动，它只需要吸收很小的能量（百分之几个电子伏特）就能挣脱磷原子核的束缚而成为可以在整个晶体中运动的准自由电子，原来的磷原子则成为了磷离子()+P，称之为正电中心。
从电子能量大小的观点来看，导带底能量E C表示导带中速度为零的电子所具备的能量，而没有被热（或光）激发、仍然绕磷原子核运转的电子处于束缚态，其能量应低于导带底能量C E 。
用能级图来表示，该电子所在的能级应在C E 下方并且非常靠近C E 的地方，一般用短的横线表示。
我们称这一能级为施主能级，用D E 表示。
又称能够向能带提供施主能级的杂质为施主杂质。
同样，见图1.2(b)。
如果在硅()Si 晶体中掺入Ⅲ族元素的杂质硼()B ，硼原子也将取代Ⅳ族的硅原子的位置并与周围的四个硅原子形成共价键。
但是硼原子外层只有三个价电子，在形成共价键时还缺少一个电子，必须从周围的共价键上夺取一个电子，使之成为带有一个负电荷的离子()-B ，称为负电中心。
故此，称硼原子为受主杂质。
被负电中心束缚的空穴在电场力的作用下绕着负电中心作圆周运动，这种状态称为空穴束缚态，即一个负电中心束缚着一个空穴，或者说受主能级被空穴占据着。
束缚态作为一个系统是电中性的。
当束缚态的空穴获得外界能量挣脱负电中心的束缚而成为价带中的自由空穴时，在原来杂质原子所在处就留下一个负电中心，所对应的状态称为离化态。
离化后的原子带有一个负电荷。
从能量大小考虑，受主能级上空穴的能量应低于价带顶部能级()V E 上空穴的能量。
反过来也可以说，受主能级上电子的能量应高于价带顶部能级()V E 上电子的能量，受主能级应位于价带顶V E 的上方，用A E 表示，见图（b ）。
1.3 何谓杂质电离和杂质电离能?答：杂质电离分为施主电离和受主电离。
以硅晶体为例：所谓施主电离，就是指Ⅴ族元素的杂质磷与周围的硅原子形成共价键后，多余的那个电子挣脱磷原子核的束缚成为晶体中自由电子的过程；受主电离则是说Ⅲ族元素的杂质硼与周围的硅原子形成共价键后，空穴挣脱硼原子的束缚成为晶体中的自由空穴的过程。
杂质电离所需要的能量则称为杂质电离能。
参见图1.2中的说明。
1.4 试从能带的观点谈谈导体、半导体和绝缘体为什么会有导电性能上的差异？ 答：如图1.3所示，从能带的观点来看，半导体和绝缘体都存在着禁带，绝缘体因其禁带宽度较大，室温下本征激发的载流子近乎为零，所以绝缘体室温下不能导电。
半导体禁带宽度较小，只有1~2eV ，室温下已经有一定数量的电子从价带激发到导带。
所以半导体在室温下就有一定的导电能力。
而导体没有禁带，导带与价带重迭在一起，或者存在半满带，因此室温下导体就具有良好的导电能力。
1.5 何谓少子寿命？何谓扩散长度？二者有何联系？答：少数载流子从产生到复合整个过程中平均生存的时间称为少子寿命，用τ表示。
少数载流子在其寿命期间作扩散运动所走过的平均路程称为扩散长度，用L 表示。
二者的关系为τD L =，其中，D 是载流子的扩散系数。
注意：电子和空穴的扩散长度及少子寿命是有区别的，分别用下标小写字母n 和p 表示电子和空穴的扩散长度及少子寿命。
1.6 简单解释费米能级和准费米能级，说明它们的主要区别。
答：费米能级是在热平衡条件下用费米分布函数来表示热平衡系统中某一个能级被电子占据几率时所引入的一个能量常数，又称之为热平衡系统的化学势。
它不是一个真实的能级，其在能带图中的位置高低表示该半导体是N 型半导体还是P 型半导体以及半导体中所掺杂质浓度的高低，如图1.4所示。
在绝对零度时，费米能级是被电子占据的能级和未被电子占据的能级的分界线。
准费米能级是在非平衡状态下专门用费米分布函数来计算导带电子浓度和价带空穴浓度时引入的参考能级。
其中电子的准费米能级用FN E 表示，空穴的准费米能级用FP E 表示。
一般情况下FP FN E E ≠，只有在系统达到热平衡态时才有FP FN E E =。
习题1.1 计算施主浓度分别为1610、1810、31910-cm 的硅在K 300时的费米能级（以本征费米能级作为参考能级），对掺杂浓度相同的受主杂质进行同样的计算。
解：对施主浓度分别为1610、1810、31910-cm 的硅在K 300时的费米能级为()()()()⎪⎩⎪⎨⎧====⨯==----3193183161010528.010468.010349.0105.1ln 026.0ln cm N cm N eV cm N eV N n N kT E E D D D D i D i F 对掺杂浓度相同的受主费米能级为()()()()⎪⎩⎪⎨⎧====⨯==----3193183161010528.010468.010349.0105.1ln 026.0ln cm N cm N eV cm N eV N n N kT E E D D D A i A F i1.2 计算施主掺杂浓度315109-⨯=cm N D 及受主掺杂浓度316101.1-⨯=cm N A 的硅在室温下的电子浓度和空穴浓度以及费米能级的位置。
解：由已知条件⎩⎨⎧⨯=⨯=--316315101.1109cmN cm N A D ，可以判断A D N N <，该半导体为P 型半导体。
其电子浓度，即多子浓度为3150102-⨯=-=cm N N p D A其空穴浓度，即少子浓度为()()3515210020101.1102105.1-⨯=⨯⨯==cm p n n i其费米能级的位置为()eV n p kT E E i F i 307.0105.1102ln 026.0ln 10150=⨯⨯==-1.3 室温下锗的本征电阻率为cm ⋅Ω47，如果电子和空穴的迁移率分别为SV cm ⋅23900和S V cm ⋅21900，试求本征锗的载流子浓度。
解：根据本征电阻率的计算公式()p n i i q n μμρ+=1可以得到本征载流子浓度为()()()313191029.219003900106.14711--⨯=+⨯⨯⨯=+=cm q n p n i i μμρ1.4 设电子和空穴的迁移率分别为S V cm ⋅21350和S V cm ⋅2500，试计算本征硅在K 300下的电导率。
当掺入百万分之一的砷后，设杂质全部电离，计算其电导率，并将其与本征硅的电导率进行比较。
解：本征硅的电导率为()()()1619101044.45001350106.1105.1--⋅Ω⨯=+⨯⨯⨯⨯=+=cm q n p n i i μμσ已知硅的原子密度是322105-⨯cm ，掺入百万分之一的砷后，该半导体为N 型半导体，施主杂质浓度为()31662210510105--⨯=⨯⨯=cm N D电子浓度为()3160105-⨯==cm N n D ，忽略少子浓度0p ，电导率为()cm s q n n 8.101350106.1105191600=⨯⨯⨯⨯==-μσ1.5 某Si P -样品的电阻率为cm ⋅Ω20试计算室温下的多数载流子浓度和少数载流子浓度。
（利用图1.4.8） 解：在Si P -样品中，空穴是多子，电子是少子，设多子浓度为0p ，少子浓度为0n 。
利用图1.4.8可以由cm ⋅Ω=20ρ查得多子浓度3140108-⨯==cm N p A 。
少数载流子浓度为()()351421020108.2108105.1-⨯=⨯⨯==cm N n n A i1.6 掺硼316101.1-⨯cm 和磷315109-⨯cm 的硅样品，计算室温下多子浓度和少子浓度。
如果电子迁移率s v cm n ⋅=21000μ，空穴迁移率s cm p ⋅=2360μ，求电阻率。
解：已知316101.1-⨯=cm N A 、315109-⨯=cm N D ，可以计算多子浓度3150102-⨯=-=cm N N p D A少子浓度()()351521002010125.1102105.1-⨯=⨯⨯==cm p n n i电阻率()cm q p p ⋅Ω=⨯⨯⨯⨯==-68.8360106.11021119150μρ1.7 473K 时硅的314102-⨯=cm n i 、s v cm n ⋅=2450μ、s v cm p ⋅=2130μ，求本征硅的电阻率i ρ。
解：电导率()()()cm s qn p ni i 01856.0130450106.11021914=+⨯⨯⨯⨯=+=-μμσ 电阻率cm i ⋅Ω==87.531σρ1.8 施主浓度分别为31410-cm 和31710-cm 的两个硅样品，设杂质全部电离，分别计算：①室温时的电导率；②200℃时的电导率。
解：迁移率查图1.4.6, 由上题知200℃时的本征载流子浓度314102-⨯=cm n i 。
①室温下硅的本征载流子浓度310105.1-⨯=cm n i 当31410-=cm N D 时()cm s q N n D 0216.01350106.1101914=⨯⨯⨯==-μσ 当31710-=cm N D 时()cm s q N n D 2.11700106.1101917=⨯⨯⨯==-μσ②200℃时 314102-⨯=cm n i当31410-=cm N D 时查图1.4.6得s cm n ⋅=2450μ、s v cm p ⋅=2130μ， 利用200i n p n =、00p N n D +=可得一元二次方程02020=-+i D n p N p其解为()()()314214214142201056.121024101024-⨯=⨯⨯++-=++-=cm n N N p i D D()3141414001056.21056.110-⨯=⨯+=+=cm p N n D200℃时电导率为()()()cm s p n q q p q n p n p n 0217.01301056.14501056.2106.11414190000=⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=+=+=-μμμμσ当31710-=cmN D 时，314102-⨯=>cm n N i D ，查图得s v cm n ⋅=2370μ、s v cm p ⋅=2130μ，经过同样的计算可得3110104-⨯=cm p 、317010-=cm n 、cm s 92.5=σ。