《半導(dǎo)體物理學(xué)》習(xí)題庫(kù).doc

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第1章 思考題和習(xí)題 1. 300K時(shí)硅的晶格常數(shù)a=5.43，求每個(gè)晶胞內(nèi)所含的完整原子數(shù)和原子密度為多少？ 2. 綜述半導(dǎo)體材料的基本特性及Si、GaAs的晶格結(jié)構(gòu)和特征。 3. 畫出絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體的簡(jiǎn)化能帶圖，并對(duì)它們的導(dǎo)電性能作出定性解釋。 4. 以硅為例，簡(jiǎn)述半導(dǎo)體能帶的形成過程。 5. 證明本征半導(dǎo)體的本征費(fèi)米能級(jí)Ei位于禁帶中央。 6. 簡(jiǎn)述遷移率、擴(kuò)散長(zhǎng)度的物理意義。 7. 室溫下硅的有效態(tài)密度Nc=2.81019cm-3,κT=0.026eV,禁帶寬度Eg=1.12eV，如果忽略禁帶寬度隨溫度的變化，求： （a） 計(jì)算77K、300K、473K 3個(gè)溫度下的本征載流子濃度。 （b） 300K本征硅電子和空穴的遷移率分別為1450cm2/Vs和500cm2/Vs，計(jì)算本征硅的電阻率是多少？ 8. 某硅棒摻有濃度分別為1016/cm3和1018/cm3的磷，求室溫下的載流子濃度及費(fèi)米能級(jí)EFN的位置（分別從導(dǎo)帶底和本征費(fèi)米能級(jí)算起）。 9. 某硅棒摻有濃度分別為1015/cm3和1017/cm3的硼，求室溫下的載流子濃度及費(fèi)米能級(jí)EFP的位置（分別從價(jià)帶頂和本征費(fèi)米能級(jí)算起）。 10. 求室溫下?lián)搅诪?017/cm3的N+型硅的電阻率與電導(dǎo)率。 11. 摻有濃度為31016cm-3的硼原子的硅，室溫下計(jì)算： （a） 光注入△n=△p=31012 cm-3的非平衡載流子，是否為小注入？為什么？ （b） 附加光電導(dǎo)率△σ為多少？ （c） 畫出光注入下的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)E’FN和E’FP(Ei為參考)的位置示意圖。 （d） 畫出平衡下的能帶圖，標(biāo)出EC、EV、EFP、Ei能級(jí)的位置，在此基礎(chǔ)上再畫出光注入時(shí)，EFP’和EFN’，并說明偏離EFP的程度是不同的。 12. 室溫下施主雜質(zhì)濃度ND=41015 cm-3的N型半導(dǎo)體，測(cè)得載流子遷移率μn=1050cm2/Vs，μp=400 cm2/Vs, κT/q=0.026V,求相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng)度為多少？ 第2章 思考題和習(xí)題 1．簡(jiǎn)述ＰＮ結(jié)空間電荷區(qū)的形成過程和動(dòng)態(tài)平衡過程。 2．畫出平衡ＰＮ結(jié)，正向ＰＮ結(jié)與反向ＰＮ結(jié)的能帶圖，并進(jìn)行比較。 3．如圖２-６９所示，試分析正向小注入時(shí)，電子與空穴在５個(gè)區(qū)域中的運(yùn)動(dòng)情況。 4．仍如圖２-６９為例試分析PN結(jié)加反向偏壓時(shí)，電子與空穴在５個(gè)區(qū)域中的運(yùn)動(dòng)情況。 5試畫出正、反向PN結(jié)少子濃度分布示意圖，寫出邊界少子濃度及少子濃度分布式，并給予比較。 6. 用平衡PN結(jié)的凈空穴等于零的方法，推導(dǎo)出突變結(jié)的接觸電動(dòng)勢(shì)差UD表達(dá)式。 7．簡(jiǎn)述正反向PN結(jié)的電流轉(zhuǎn)換和傳輸機(jī)理。 8．何為正向PN結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流和反向PN結(jié)空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流。 9．寫出正、反向電流_電壓關(guān)系表達(dá)式，畫出PN結(jié)的伏安特性曲線，并解釋pN結(jié)的整流特性特性。 10．推導(dǎo)硅突變結(jié)空間電荷區(qū)電場(chǎng)分布及其寬度表達(dá)式。并畫出示意圖。 11．推導(dǎo)線性緩變變結(jié)空間電荷區(qū)電場(chǎng)分布及其寬度表達(dá)式。并畫出示意圖。 12．什么叫PN結(jié)的擊穿與擊穿電壓，簡(jiǎn)述PN結(jié)雪崩擊穿與隧道擊穿的機(jī)理，并說明兩者之間的不同之處。 13．如何提高硅單邊突變結(jié)的雪崩擊穿電壓？ 14．如何提高線性緩變結(jié)的雪崩擊穿電壓？ 15．如何減小PN結(jié)的表面漏電流？ 16．什么叫PN結(jié)的電容效應(yīng)、勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容？ 17．什么叫做二極管的反向恢復(fù)過程和反向恢復(fù)時(shí)間？提高二極管開關(guān)速度的途徑有哪些？ 18．以N型硅片為襯底擴(kuò)硼制備PN結(jié)，已知硼的分布為高斯函數(shù)分布，襯底濃度ND=11015/cm3，在擴(kuò)散溫度為1180℃下硼在硅中的擴(kuò)散系數(shù)D=1.510-12cm2/s，擴(kuò)散時(shí)間t=30min，擴(kuò)散結(jié)深Xj=2.7μm。試求：①擴(kuò)散層表面雜質(zhì)濃度Ns？②結(jié)深處的濃度梯度aj？③接觸電勢(shì)差UD？ 19. 有兩個(gè)硅結(jié)，其中一個(gè)結(jié)的雜質(zhì)濃度,;另一個(gè)結(jié)的，，求室溫下兩個(gè)PN結(jié)的接觸電動(dòng)勢(shì)差。并解釋為什么雜質(zhì)濃度不同，接觸電動(dòng)勢(shì)差的大小也不同。 20. 計(jì)算一硅PN結(jié)在300K時(shí)的內(nèi)建電場(chǎng)，，。 21. 已知硅PN結(jié)：，，截面積，求 ①理想飽和電流？ ②外加正向電壓為時(shí)的正向電流密度？ ③電子電流與空穴電流的比值？并給以解釋。 22. 仍以上題的條件為例，假設(shè)計(jì)算反向偏壓時(shí)的產(chǎn)生電流密度。 23. 最大電場(chǎng)強(qiáng)度（T=300K）？求反型電壓300時(shí)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度。 24. 對(duì)于一個(gè)濃度梯度為的硅線性緩變結(jié)，耗盡層寬度為。計(jì)算最大電場(chǎng)強(qiáng)度和結(jié)的總電壓降。 25. 一硅N結(jié)，其，面積計(jì)算反向偏壓分別等于和的么勢(shì)壘電容、空間電荷區(qū)寬度和最大電場(chǎng)強(qiáng)度。 26. 計(jì)算硅結(jié)的擊穿電壓，其（利用簡(jiǎn)化式）。 27. 在襯底雜質(zhì)濃度的型硅晶片上進(jìn)行硼擴(kuò)散，形成結(jié),硼擴(kuò)散后的表面濃度結(jié)深。試求結(jié)深處的濃度梯度，施加反向偏壓時(shí)的單位面積勢(shì)壘電容和擊穿電壓。 28. 設(shè)計(jì)一突變結(jié)二極管。其反向電壓為，且正向偏壓為時(shí)的正向電流為。并假設(shè)。 29. 一硅N結(jié)，，求擊穿時(shí)的耗盡層寬度，若區(qū)減小到計(jì)算擊穿電壓并進(jìn)行比較。 30. 一個(gè)理想的硅突變結(jié)，求①計(jì)算、、、下的內(nèi)建電場(chǎng)，并畫出對(duì)溫度的關(guān)系曲線。②用能帶圖討論所得結(jié)果。③求下零偏壓的耗盡層寬度和最大電場(chǎng)。 第3章 思考題和習(xí)題 1. 畫出PNP晶體管在平衡和有源工作模式下的能帶圖和少子分布示意圖。 2. 畫出正偏置的NPN晶體管載流子輸運(yùn)過程示意圖，并解釋電流傳輸和轉(zhuǎn)換機(jī)理。 3. 解釋發(fā)射效率γ0和基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)β0＊的物理意義。 4. 解釋晶體管共基極直流電流放大系數(shù)α０，共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)β０的含義，并寫出α０、β０、γ0和β0＊的關(guān)系式。 5. 什么叫均勻基層晶體管和緩變基區(qū)晶體管？?jī)烧咴诠ぷ髟砩嫌惺裁床煌? 6. 畫出晶體管共基極、共發(fā)射機(jī)直流輸出、輸出特性曲線、并討論它們之間的異同。 7. 晶體管的反向電流ＩＣＢＯ、ＩＥＢＯ、ＩＣＥＯ是如何定義的？寫出ＩＣＥＯ與ＩＣＢＯ之間的關(guān)系式并加以討論。 8. 晶體管的反向擊穿電壓ＢＵＣＢＯ、ＢＵＣＥＯ、ＢＵＥＢＯ是如何定義的？寫出ＢＵＣＥＯ與ＢＵＣＢＯ之間的關(guān)系式，并加以討論。 9. 高頻時(shí)晶體管電流放大系數(shù)下降的原因是什么？ 10. 描寫晶體管的頻率參數(shù)主要有哪些？它們分別的含義是什么？ 11. 影響特征頻率ｆＴ的因素是什么？如何特征頻率ｆＴ？ 12. 畫出晶體管共基極高頻等效電路圖和共發(fā)射極高頻等效電路圖。 13. 大電流時(shí)晶體管的β０、ｆＴ下降的主要原因是什么？ 14. 簡(jiǎn)要敘述大注入效應(yīng)、基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)、發(fā)射極電流集邊效應(yīng)的機(jī)理。 15. 什么叫晶體管最大耗散功率ＰＣＭ？它與哪些因素有關(guān)？如何減少晶體管熱阻ＲＴ？ 16. 畫出晶體管的開關(guān)波形，圖中注明延遲時(shí)間τｄ、上升時(shí)間ｔｒ、儲(chǔ)存時(shí)間ｔｓ、下降時(shí)間ｔｆ，并解釋其物理意義。 17. 解釋晶體管的飽和狀態(tài)、截止?fàn)顟B(tài)、臨界飽和和深飽和的物理意義。 18. 以ＮＰＮ硅平面為例，當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏狀態(tài)下，分別說明從發(fā)射極進(jìn)入的電子流，在晶體管的發(fā)射區(qū)、發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)、基區(qū)、集電結(jié)勢(shì)壘和集電區(qū)的傳輸過程中，以什么運(yùn)動(dòng)形式（指擴(kuò)散或漂移）為主。 19. 試比較ｆα、ｆβ、ｆＴ的相對(duì)大小。 20. 畫出晶體管飽和態(tài)時(shí)的載流子分布，并簡(jiǎn)述超量存儲(chǔ)電荷的消失過程。 21. 畫出普通晶閘的基本結(jié)構(gòu)圖，并簡(jiǎn)述其基本工作原理。 22. 有一低頻小功率合金晶體管，用N型Ge作基片，其電阻率為1.5cm，用燒銦合金方法制備發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，兩區(qū)摻雜濃度約為31018/cm3，求ro（已知Wb=50，Lne=5）。 23. 某一對(duì)稱的P+NP+鍺合金管，基區(qū)寬度為5，基區(qū)雜質(zhì)濃度為51015cm-3，基區(qū)空穴壽命為10（AE=AC=10-3cm2）。計(jì)算在UEB=0.26V、UCB=-50V 時(shí)的基極電流IB？求出上述條件下的α0和β0（r0≈1）。 24. 已知均勻基區(qū)硅NPN晶體管的γ0=0.99，BUCBO=150V,Wb=18.7，基區(qū)中電子壽命тb=1us（若忽略發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合和基區(qū)表面復(fù)合），求α0、β0、β0*和BUCEO（設(shè)Dn=35cm2/s). 25. 已知NPN雙擴(kuò)散外延平面晶體管，集電區(qū)電阻率ρc=1.2Ωcm，集電區(qū)厚度Wc=10，硼擴(kuò)散表面濃度NBS=51018cm-3，結(jié)深Xjc=1.4。求集電極偏置電壓分別為25V和2V時(shí)產(chǎn)生基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)的臨界電流密度。 26. 已知P+NP晶體管，其發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)德雜質(zhì)濃度分別為51018cm-3、21016cm-3、11015cm-3，基區(qū)寬度Wb=1.0，器件截面積為0.2mm2,當(dāng)發(fā)射結(jié)上的正向偏壓為0.5V，集電結(jié)反向偏壓為5V時(shí)，計(jì)算：（1）中性基區(qū)寬度？（2）發(fā)射結(jié)少數(shù)載流子濃度？ 27. 對(duì)于習(xí)題26中的晶體管，少數(shù)載流子在發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)德擴(kuò)散系數(shù)分別為52cm2/s、40cm2/s、115cm2/s，對(duì)應(yīng)的少數(shù)載流壽命分別為10-8s、10-7s、10-6s，求晶體管的各電流分量？ 28. 利用習(xí)題26、習(xí)題27所得到的結(jié)果，求出晶體管的端點(diǎn)電流IE、IC和IB 。求出晶體管的發(fā)射效率、基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)、共基極電流增益和共發(fā)射極電流增益，并討論如何改善發(fā)射效率和基區(qū)運(yùn)輸系數(shù)？ 29. 判斷下列兩個(gè)晶體管的最大電壓的機(jī)構(gòu)是否穿通： 晶體管1:BUCBO=105V；BUCEO=96V；BUEBO=9V；BUCES=105V (BUCES為基極發(fā)射極短路時(shí)的集電極 發(fā)射極擊穿電壓) 晶體管2：BUCBO=75V； BUCEO=59V； BUEBO=6V。 30. 已知NPN晶體管共發(fā)射極電流增益低頻值β0=100，在20MHz下測(cè)得電流增益|β|=60。求工作頻率上升到400MHz時(shí)，β下降到多少？計(jì)算出該管的?β和?T。 31. 分別畫出NPN晶體管小注入和大注入時(shí)基區(qū)少子分布圖，簡(jiǎn)述兩者的區(qū)別于原因。 32. 硅NPN平面晶體管，其外延厚度為10μm，摻雜濃度N=1015.cm-3，計(jì)算|UCB|=20V時(shí)，產(chǎn)生有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)的臨界電流密度。 33. 晶體管處于飽和狀態(tài)時(shí)IE=IC+IB的關(guān)系式是否成立？畫出少子的分布與電流傳輸圖，并加以說明。 34. 對(duì)于具有同樣幾何形狀、雜質(zhì)分布和少子壽命的硅和鍺PNP、NPN管，哪一種晶體管的開關(guān)速度最快？為什么？ 35. 硅NPN平面管的基區(qū)雜質(zhì)為高斯分布，在發(fā)射區(qū)表面的受主濃度為1019 cm-3，發(fā)射結(jié)構(gòu)深度為0.75μｍ，集電結(jié)結(jié)深為1.5μｍ，集電區(qū)雜質(zhì)濃度為1015 cm-3，試求其最大集電極電流濃度？ 36. 硅晶體管的集電區(qū)總厚度為100μｍ，面積為10-4cm2，當(dāng)集電極電壓為10V電流為100mA時(shí)，其結(jié)溫與管殼溫度之差為幾度（忽略其他介質(zhì)的熱阻）？ 37. 硅NPN晶體管的基區(qū)平均雜質(zhì)濃度為51017cm-3，基區(qū)寬度為2，發(fā)射極條寬為12μｍ，β=50,如果基區(qū)橫向壓降為kT/q，求發(fā)射極最大電流密度。 38. 在習(xí)題37中晶體管的?T為800MHz，工作頻率為500MHz，如果通過發(fā)射極的電流濃度為3000A/cm2，則其發(fā)射極有效條寬應(yīng)為多少？ 第4章 思考題和習(xí)題 1. 試畫出UG =0時(shí)，P襯底的SiO2柵極的MOS二級(jí)管能帶圖。 2. 試畫出P型襯底的理想MOS二極管不同偏壓下對(duì)應(yīng)截流子積累、耗盡及強(qiáng)反型的能帶圖及電荷分布示意圖。 3. 試畫出SiO2—Si系統(tǒng)的電荷分布圖。 4. N溝和P溝MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管有什么不同？概述其基本工作原理。 5. 制作N溝增強(qiáng)型MOS管襯底材料的電阻率與制作N溝耗盡型MOS管襯底的電阻率，哪個(gè)選的應(yīng)高一些，為什么？ 6. MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓UT值電壓受那些因素的影響？其中最重要的是哪個(gè)？ 7. MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線可分為哪幾個(gè)區(qū)？每個(gè)區(qū)所對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)是什么？ 8. 用推導(dǎo)N溝MOS器件漏電流表示式的方法，試推導(dǎo)出P溝MOS器件的漏電流表示式。 9. 為什么MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的飽和電流并不完全飽和？ 10. MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管跨導(dǎo)的物理意義是什么？ 11. 如何提高M(jìn)OS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的頻率特性？ 12. MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開關(guān)特性與什么因素有關(guān)？如何提高其開關(guān)速度？ 13. 短溝道效應(yīng)對(duì)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管特性產(chǎn)生什么影響？ 14. 已知P溝MOS器件的襯底雜質(zhì)濃度ND=51015cm-3，柵氧化層厚度tOX=100nm，柵電極材料為金屬鋁，測(cè)得器件的 值電壓Ug=-2.5V。試計(jì)算SiO2中的正電荷密度QOX；若加上襯底偏置電壓UBS=10V， 值電壓漂移多少？分別計(jì)算UBS為0V、10V時(shí)最大耗盡層寬度？ 15. 已知N溝MOS器件的襯底雜質(zhì)濃度NA=51015cm-3，柵極為金屬鋁，柵氧化層厚度tOX=150nm，SiO2中的正電荷密度QOX=11022q/cm2（q為電子電荷），試求該管的閾值電壓UT？并說明它是耗盡型還是增強(qiáng)型的？ 16. 如果一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的UT=0V，UGS=4V，IDS=3mA時(shí)，MOS管是否工作在飽和區(qū)？為什么？ 17. 在摻雜濃度NA=1015cm-3P型Si襯底上制作兩個(gè)N溝MOS管，其柵SiO2層的厚度分別為100nm和200nm，若UGS-UFB=15V，則ＵＤＳ為多少時(shí)，漏極電流達(dá)到飽和？ 18. 已知N溝MOS器件具有下列參數(shù)：NA=１101６cm-3，ｎ＝５００cm2/Ｖ.Ｓ，tOX=1５0nm，Ｌ＝４ｍ，溝道寬度Ｗ＝１００ｍ，UT=0．５V。試計(jì)算UGS=4V時(shí)的跨導(dǎo)ｇｍｓ；若已知QOX=51010C/cm2，試計(jì)算UGS=4V，UDS=10A時(shí)的器件的飽和漏電導(dǎo)gDsat；試計(jì)算器件的截止頻率fT？ 19. 已知N溝MOS器件NA=１101６cm-3，tOX=150nm，Ｌ＝４ｍ試計(jì)算UGS=0V時(shí)，器件的漏源擊穿電壓，并解釋擊穿受什么限制。 20. 定性說明在什么情況下MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管會(huì)出現(xiàn)短溝道效應(yīng)? 第5章 半導(dǎo)體器件制備技術(shù) 1. 硅的晶格常數(shù)為5.43，假設(shè)硅原子為一硬球模型，試計(jì)算硅原子的半徑和確定硅原子的濃度為多少？ 2. 用于柴可拉斯基法的籽晶，通常先拉成一小直徑（5.5mm）的狹窄頸以作為無位錯(cuò)生長(zhǎng)的開始，如果硅的臨界屈服度為2106g/cm2，試計(jì)算此籽晶可以支撐的200mm直徑單晶錠的最大長(zhǎng)度。 3. 在利用柴可拉斯基法鎖生長(zhǎng)的晶體中摻入硼原子，為何在尾端的硼原子濃度會(huì)比籽晶端的濃度高？ 4. 簡(jiǎn)述熱氧化形成SiO2的機(jī)理和制備SiO2的方法？ 5. 試比較濕法化學(xué)腐蝕和干法刻蝕的優(yōu)缺點(diǎn)。 6. 假設(shè)測(cè)得的磷擴(kuò)散分布可以用高斯函數(shù)表示，其擴(kuò)散系數(shù)D=2.310-13cm/s，測(cè)出的表面濃度是11018cm-3，襯底濃度為11015cm-3，測(cè)得結(jié)深為1um，試計(jì)算擴(kuò)散時(shí)間和擴(kuò)散層中的全部雜質(zhì)量。 7. 畫出離子注入系統(tǒng)示意圖，并結(jié)合圖簡(jiǎn)述離子注入機(jī)理。、 8. 為何在定積多晶硅時(shí)，通常以硅烷為氣體源，而不以硅氯化物為氣體源？ 9. 解釋為何一般錠積多晶硅薄膜的溫度普遍較低，大約在600～650℃之間。 10. 簡(jiǎn)述硅平面工藝的過程和各個(gè)工序的意義。 第6章 Ga在SiO2/Si結(jié)構(gòu)下的開管摻雜 1. 簡(jiǎn)述開展Ga在SiO2/Si結(jié)構(gòu)下單溫區(qū)開管摻雜的背景。 2. 敘述Ga在SiO2/Si系下實(shí)現(xiàn)摻雜的原理。 3. 簡(jiǎn)述再分布過程近硅表面Ga的反擴(kuò)散特性。 4. 簡(jiǎn)述開管擴(kuò)Ga對(duì)晶體管I-V特性的影響。 5. 簡(jiǎn)述開管擴(kuò)Ga在晶閘管一類器件中的應(yīng)用原理。 13