半导体器件基础习题答案(完美版)

vd p
103 cm / s p 500cm 2 / V s 2V / 1cm vd
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

热能 说明：电子失去能量后，在价带中与空穴一起湮灭。
EV
Q: (h) 经由 R-G 中心的产生 A:
EC
热能
ET EV
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 10 cm/s 。半 导体内的空穴迁移率是多少？ A:
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半导体器件习题答案
片的电阻率较大？说明理由。 A:

1 , n型半导体 q n N D 1 , p型半导体 q p N 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:
可认为是本征半导体 n p ni 1016 / cm 3
2.21 Q: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！ ）
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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
2.3 Q: 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 0 K 时，施主对多数载流子电子的冻结
0 EE
p ea k , electron
1 1 1 ( E Ec )1/ 2 E peak,electron Ec kT 1/ 2 2( E Ec ) kT 2
对于价带中的载流子空穴
f (E)
1 1 e
( E E F ) / kT
1 e ( E EF ) / kT , E EF 3kT
%NB=ND or NA
%computation of EF-Ei versus doping(Eq2.38)
semilogx(NB, EFiD,NB,EFiA); axis([1.0e13,1.0e18,-0.56,0.56]); grid; xlabel( ‘ND or NA’); 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:
i i
p n ND N A n / 2 n ND 0 N D n / 2 ni / 2 0.707 1013 / cm 3
2.17 Q: 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. T 300K , N A N D , N D 1015 / cm3 A: T 300 K , ni 1010 / cm 3
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.=0 A: 说明：
Q: (c) 空穴的动能 K.E.=EG/4 A: 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
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A:
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:
EC

或 ET
4. T 450K , N A 0, N D 1014 / cm3 A: 13
由图2.20, T 450 K , ni 5 10 / cm 3 ni与N D是可比的，应使用Eq 2.29
1/ 2
2 N D N D 2 14 3 n ni 1.2110 / cm 2 2 2 n (5 1013 ) 2 p i 2.07 1013 / cm 3 14 n 1.2110 5. T 650K , N A 0, N D 1014 / cm3 A: 由图2.20, T 650 K , ni 1016 / cm 3 N D
( E Ec )1/ 2 e ( E EF ) / kT ...
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d g c ( E ) f ( E ) dE

2( E Ec )
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来自百度文库
e ( E EF ) / kT

kT
( E Ec )1/ 2 e ( E EF ) / kT
p ni2 / N
p N A , n ni2 / N A (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105 / cm 3 ，空穴的浓
对于受主
ni 1010 / cm3
n ni e( EF Ei ) / kT 1010 e0.259/ 0.0259 2.20 1014 / cm 3 p ni e( Ei EF ) / kT 1010 e 0.259/ 0.0259 4.54 105 / cm 3
(f) 温度趋向于 0 K 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
2.7 Q: 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 gc ( E) f ( E) 空穴在价带中的分布为 对于导带中的载流子电子
gv ( E )[1 f ( E )]
f (E)
1 1 e
( E E F ) / kT
e ( E EF ) / kT , E EF 3kT
gc (E) f (E)
* * mn 2mn ( E Ec ) ( E EF ) / kT e 2 3 * * mn 2mn 2 3
Dp
p

kT q
Dp
kT 0.0259eV p 1300cm 2 / V s q e
Q: (f) 低浓度注入的代数陈述是什么？ A:
33.67cm 2 / s
p n0 , n n0 , n型半导体 n p0 , p p0 , p型半导体
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/cm3 R-G 中心。处理之 后， 样品含有 ND=10^17/cm3 施主和 NT=10^10/cm3 R-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
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半导体器件习题答案
(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： ni 1013 / cm3 , n 2 p, N A 0 求 n 和 ND A: 由非简并，得 n 2 np n 2 / 2 n 2n 1.414 1013 / cm3
3. T 300K , N A 9 1015 / cm3 , N D 1016 / cm3 A: 补偿半导体
T 300 K , ni 1010 / cm 3 , N D N A ni n N A p ND n N D N A 1015 / cm 3 p ni2 105 / cm 3 n
半导体器件习题答案
A:clear； ％specification of basic parameters kT=0.0259; ni=1.0e10; NB=logspace(13,18); EFiD=kT.*log(NB./ni); EFiA=-EFiD; %plot out Fermi level positioning
* m* p 2 m p ( Ev E )
g v ( E )[1 f ( E )] ( Ev E ) e
1/ 2

2
3
e ( E EF ) / kT
( E E F ) / kT
...
* m* p 2m p
d g c ( E ) f ( E ) dE e ( E EF ) / kT ( Ev E )1/ 2 e ( E EF ) / kT 1/ 2 2( Ev E ) kT 0 EE
p ea k , hole
2 3
1 1 1 ( Ev E )1/ 2 E peak,hole Ev kT 1/ 2 2( Ev E ) kT 2
2.16 与浓度相关的问题 (a) Q: 均匀掺杂N A 1015 / cm3 的 p 型硅片，在温度 T 0K 时，平衡状态的空穴和电子 浓度是多少？ A: 由于 T 趋于 0 K，因此 n->0，p->0 nN 和 (b) Q: 掺入杂质浓度为 N 的半导体 N ni 且所有的杂质全部被电离， 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 n N D , p ni2 / N D 度是多少？ A: 硅片在 300K 的温度下的本征载流子浓度为 ni 1010 / cm 3 n 105 / cm3 假设非简并，则 p ni2 / n 1015 / cm3 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
N A N D , ni N D n N D 1015 / cm 3 , p
2.
ni2 105 / cm 3 ND
T 300K , N A 1016 / cm3 , N D N A A: T 300 K , ni 1010 / cm 3
N D N A , ni N A p N A 1016 / cm 3 , n ni2 10 4 / cm 3 NA