《半导体物理与器件》习题库
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目录
《半导体物理与器件》习题库 (1)
第1章思考题和习题 (2)
第2章思考题和习题 (3)
第3章思考题和习题 (6)
第4章思考题和习题 (10)
第5章半导体器件制备技术 (12)
第6章Ga在SiO2/Si结构下的开管掺杂 (13)
第1章思考题和习题
1. 300K时硅的晶格常数a=5.43?，求每个晶胞内所含的完整原子数和原子密度为多少？
2. 综述半导体材料的基本特性及Si、GaAs的晶格结构和特征。
3. 画出绝缘体、半导体、导体的简化能带图，并对它们的导电性能作出定性解释。
4. 以硅为例，简述半导体能带的形成过程。
5. 证明本征半导体的本征费米能级E i位于禁带中央。
6. 简述迁移率、扩散长度的物理意义。
7. 室温下硅的有效态密度Nc=2.8×1019cm-3,κT=0.026eV,禁带宽度Eg=1.12eV，如果忽略禁带宽度随温度的变化，求：
（a）计算77K、300K、473K 3个温度下的本征载流子浓度。
（b） 300K本征硅电子和空穴的迁移率分别为1450cm2/V·s和500cm2/V·s，计算本征硅的电阻率是多少？
8. 某硅棒掺有浓度分别为1016/cm3和1018/cm3的磷，求室温下的载流子浓度及费米能级E FN的位置（分别从导带底和本征费米能级算起）。
9. 某硅棒掺有浓度分别为1015/cm3和1017/cm3的硼，求室温下的载流子浓度及费米能级E FP的位置（分别从价带顶和本征费米能级算起）。
10. 求室温下掺磷为1017/cm3的N+型硅的电阻率与电导率。
11. 掺有浓度为3×1016cm-3的硼原子的硅，室温下计算：
（a）光注入△n=△p=3×1012cm-3的非平衡载流子，是否为小注
入？为什么？
（b）附加光电导率△σ为多少？
（c）画出光注入下的准费米能级E’FN和E’FP(E i为参考)的位置示意图。
（d）画出平衡下的能带图，标出E C、E V、E FP、E i能级的位置，在此基础上再画出光注入时，E FP’和E FN’，并说明偏离E FP的程度是不同的。
12. 室温下施主杂质浓度N D=4×1015 cm-3的N型半导体，测得载流子迁移率μn=1050cm2/V·s，μp=400 cm2/V·s, κT/q=0.026V,求相应的扩散系数和扩散长度为多少？
第2章思考题和习题
1．简述ＰＮ结空间电荷区的形成过程和动态平衡过程。
2．画出平衡ＰＮ结，正向ＰＮ结与反向ＰＮ结的能带图，并进行比较。
3．如图２-６９所示，试分析正向小注入时，电子与空穴在５个区域中的运动情况。
4．仍如图２-６９为例试分析PN结加反向偏压时，电子与空穴在５个区域中的运动情况。
5试画出正、反向PN结少子浓度分布示意图，写出边界少子浓度及少子浓度分布式，并给予比较。
6. 用平衡PN结的净空穴等于零的方法，推导出突变结的接触电动势差U D表达式。
7．简述正反向PN结的电流转换和传输机理。
8．何为正向PN结空间电荷区复合电流和反向PN结空间电荷区的产生电流。
9．写出正、反向电流_电压关系表达式，画出PN结的伏安特性曲线，并解释pN结的整流特性特性。
10．推导硅突变结空间电荷区电场分布及其宽度表达式。并画出示意图。
11．推导线性缓变变结空间电荷区电场分布及其宽度表达式。并画出示意图。
12．什么叫PN结的击穿与击穿电压，简述PN结雪崩击穿与隧道击穿的机理，并说明两者之间的不同之处。
13．如何提高硅单边突变结的雪崩击穿电压？
14．如何提高线性缓变结的雪崩击穿电压？
15．如何减小PN结的表面漏电流？
16．什么叫PN结的电容效应、势垒电容和扩散电容？
17．什么叫做二极管的反向恢复过程和反向恢复时间？提高二极管开关速度的途径有哪些？
18．以N 型硅片为衬底扩硼制备PN 结，已知硼的分布为高斯函数分布，衬底浓度N D =1×1015/cm 3，在扩散温度为1180℃下硼在硅中的扩
散系数D=1.5×10-12cm 2/s ，扩散时间t=30min ，扩散结深X j =2.7μm 。试求：①扩散层表面杂质浓度N s ？②结深处的浓度梯度a j ？③接触电
势差U D ？
19. 有两个硅PN 结，其中一个结的杂质浓度cm
N D 315105??=,cm N A 317105??=;另一个结的cm N D 319105??=，cm N A 3
17105??=，求室温下两个PN 结的接触电动势差。并解释为什么杂质浓度不同，接触电动势差的大小也不同。
20. 计算一硅PN 结在300K 时的内建电场，cm N A 31810?=，cm N D 3
1510?=。
21. 已知硅PN 结：,10,105316316cm N cm N D A ??=?=cm D n 221=，
s cm D P 210=，,1057s n P ??==ττ截面积cm A 24102??=，求 ①理想饱和电流J 0？
②外加正向电压为V 5.0时的正向电流密度J ？
③电子电流与空穴电流的比值？并给以解释。
22. 仍以上题的条件为例，假设,τττp n g ==计算V 4反向偏压时的产
生电流密度。
23.最大电场强度（T=300K ）？求反型电压300V 时的最大电场强度。
24. 对于一个浓度梯度为cm 42010?的硅线性缓变结，耗尽层宽度为
m μ5.0。计算最大电场强度和结的总电压降。
25. 一硅P +N 结，其cm N cm N D A 31531910,10??==，面积
,10123cm A ??=计算反向偏压U 分别等于V 5和V 10的么势垒电容C T 、空间电荷区宽度X M 和最大电场强度E M 。
26. 计算硅P +N 结的击穿电压，其cm N D 3
1610?=（利用简化式）。 27. 在衬底杂质浓度cm N D 3
16105??=的N 型硅晶片上进行硼扩散，形成
PN 结,硼扩散后的表面浓度,10318cm N S ?=结深m μ5X j =。试求结深处的浓度梯度a j ，施加反向偏压V 5时的单位面积势垒电容和击穿电压U B 。
28. 设计一P +N 突变结二极管。其反向电压为V 130，且正向偏压为
V 7.0时的正向电流为mA 2.2。并假设s p 1070?=τ。
29. 一硅P +N 结，cm N D 31510?=，求击穿时的耗尽层宽度，若N 区减小
到m μ5计算击穿电压并进行比较。
30. 一个理想的硅突变结cm N cm N D A 31531810,10??==，求①计算K 250、
K 300、K 400、K 500下的内建电场U D ，并画出U D 对温度T 的关系曲线。②用能带图讨论所得结果。③求K 300下零偏压的耗尽层宽度和最大电场。
第3章 思考题和习题
1. 画出PNP 晶体管在平衡和有源工作模式下的能带图和少子分布示意图。
2. 画出正偏置的NPN 晶体管载流子输运过程示意图，并解释电流传输和转换机理。
3. 解释发射效率γ0和基区输运系数β0＊的物理意义。
4. 解释晶体管共基极直流电流放大系数α０，共发射极直流电流放大系数β０的含义，并写出α０、β０、γ0和β0＊的关系式。
5. 什么叫均匀基层晶体管和缓变基区晶体管？两者在工作原理上有什么不同？
6. 画出晶体管共基极、共发射机直流输出、输出特性曲线、并讨论它们之间的异同。
7. 晶体管的反向电流ＩＣＢＯ、ＩＥＢＯ、ＩＣＥＯ是如何定义的？写出ＩＣ
之间的关系式并加以讨论。
ＥＯ与ＩＣＢＯ
8. 晶体管的反向击穿电压ＢＵＣＢＯ、ＢＵＣＥＯ、ＢＵＥＢＯ是如何定义的？写出ＢＵＣＥＯ与ＢＵＣＢＯ之间的关系式，并加以讨论。
9. 高频时晶体管电流放大系数下降的原因是什么？
10. 描写晶体管的频率参数主要有哪些？它们分别的含义是什么？
11. 影响特征频率ｆＴ的因素是什么？如何特征频率ｆＴ？
12. 画出晶体管共基极高频等效电路图和共发射极高频等效电路图。
13. 大电流时晶体管的β０、ｆＴ下降的主要原因是什么？
14. 简要叙述大注入效应、基区扩展效应、发射极电流集边效应的机理。
15. 什么叫晶体管最大耗散功率ＰＣＭ？它与哪些因素有关？如何减少晶体管热阻ＲＴ？
16. 画出晶体管的开关波形，图中注明延迟时间τｄ、上升时间ｔｒ、储存时间ｔｓ、下降时间ｔｆ，并解释其物理意义。
17. 解释晶体管的饱和状态、截止状态、临界饱和和深饱和的物理意义。
18. 以ＮＰＮ硅平面为例，当发射结正偏、集电结反偏状态下，分别说明从发射极进入的电子流，在晶体管的发射区、发射结势垒区、基区、集电结势垒和集电区的传输过程中，以什么运动形式（指扩散或漂移）为主。
19. 试比较ｆα、ｆβ、ｆＴ的相对大小。
20. 画出晶体管饱和态时的载流子分布，并简述超量存储电荷的消失过程。
21. 画出普通晶闸的基本结构图，并简述其基本工作原理。
22. 有一低频小功率合金晶体管，用N型Ge作基片，其电阻率为1.5Ωcm，用烧铟合金方法制备发射区和集电区，两区掺杂浓度约为3×1018/cm3，求r o（已知W b=50m
μ，L ne=5m
μ）。
23. 某一对称的P+NP+锗合金管，基区宽度为5m
μ，基区杂质浓度为5×1015cm-3，基区空穴寿命为10sμ（A E=A C=10-3cm2）。计算在U EB=0.26V、U CB=-50V 时的基极电流I B？求出上述条件下的α0和β0（r0≈1）。24. 已知均匀基区硅NPN晶体管的γ0=0.99，BU CBO=150V,W b=18.7m
μ，基区中电子寿命тb=1us（若忽略发射结空间电荷区复合和基区表面复合），求α0、β0、β0*和BU CEO（设D n=35cm2/s).
25. 已知NPN双扩散外延平面晶体管，集电区电阻率ρc=1.2Ωcm，集电区厚度W c=10m
μ，硼扩散表面浓度N BS=5×1018cm-3，结深X jc=1.4m
μ。求集电极偏置电压分别为25V和2V时产生基区扩展效应
的临界电流密度。
26. 已知P+NP晶体管，其发射区、基区、集电区德杂质浓度分别为5
×1018cm-3、2×1016cm-3、1×1015cm-3，基区宽度W b=1.0m
，器件截面
积为0.2mm2,当发射结上的正向偏压为0.5V，集电结反向偏压为5V
时，计算：（1）中性基区宽度？（2）发射结少数载流子浓度？
27. 对于习题26中的晶体管，少数载流子在发射区、基区、集电区
德扩散系数分别为52cm2/s、40cm2/s、115cm2/s，对应的少数载流寿
命分别为10-8s、10-7s、10-6s，求晶体管的各电流分量？
28. 利用习题26、习题27所得到的结果，求出晶体管的端点电流I E、
I C和I B。求出晶体管的发射效率、基区输运系数、共基极电流增益
和共发射极电流增益，并讨论如何改善发射效率和基区运输系数？
29. 判断下列两个晶体管的最大电压的机构是否穿通：
晶体管1:BU CBO=105V；BU CEO=96V；BU EBO=9V；BU CES=105V (BU CES为基极发射极短路时的集电极发射极击穿电压)
晶体管2：BU CBO=75V； BU CEO=59V； BU EBO=6V。
30. 已知NPN晶体管共发射极电流增益低频值β0=100，在20MHz下
测得电流增益|β|=60。求工作频率上升到400MHz时，β下降到多
少？计算出该管的?β和?T。
31. 分别画出NPN晶体管小注入和大注入时基区少子分布图，简述两
者的区别于原因。
32. 硅NPN平面晶体管，其外延厚度为10μm，掺杂浓度N=1015.cm-3，
计算|U CB|=20V时，产生有效基区扩展效应的临界电流密度。
33. 晶体管处于饱和状态时I E=I C+I B的关系式是否成立？画出少子的分布与电流传输图，并加以说明。
34. 对于具有同样几何形状、杂质分布和少子寿命的硅和锗PNP、NPN 管，哪一种晶体管的开关速度最快？为什么？
35. 硅NPN平面管的基区杂质为高斯分布，在发射区表面的受主浓度为1019 cm-3，发射结构深度为0.75μｍ，集电结结深为1.5μｍ，集电区杂质浓度为1015 cm-3，试求其最大集电极电流浓度？
36. 硅晶体管的集电区总厚度为100μｍ，面积为10-4cm2，当集电极电压为10V电流为100mA时，其结温与管壳温度之差为几度（忽略其他介质的热阻）？
37. 硅NPN晶体管的基区平均杂质浓度为5×1017cm-3，基区宽度为2，发射极条宽为12μｍ，β=50,如果基区横向压降为kT/q，求发射极最大电流密度。
38. 在习题37中晶体管的?T为800MHz，工作频率为500MHz，如果通过发射极的电流浓度为3000A/cm2，则其发射极有效条宽应为多少？
第4章思考题和习题
1. 试画出U G =0时，P衬底的SiO2栅极的MOS二级管能带图。
2. 试画出P型衬底的理想MOS二极管不同偏压下对应截流子积累、耗尽及强反型的能带图及电荷分布示意图。
3. 试画出SiO2—Si系统的电荷分布图。
4. N沟和P沟MOS场效应晶体管有什么不同？概述其基本工作原理。
5. 制作N沟增强型MOS管衬底材料的电阻率与制作N沟耗尽型MOS 管衬底的电阻率，哪个选的应高一些，为什么？
6. MOS场效应晶体管的阈值电压U T值电压受那些因素的影响？其中最重要的是哪个？
7. MOS场效应晶体管的输出特性曲线可分为哪几个区？每个区所对应的工作状态是什么？
8. 用推导N沟MOS器件漏电流表示式的方法，试推导出P沟MOS器件的漏电流表示式。
9. 为什么MOS场效应晶体管的饱和电流并不完全饱和？
10. MOS场效应晶体管跨导的物理意义是什么？
11. 如何提高MOS场效应晶体管的频率特性？
12. MOS场效应晶体管的开关特性与什么因素有关？如何提高其开关速度？
13. 短沟道效应对MOS场效应晶体管特性产生什么影响？
14. 已知P沟MOS器件的衬底杂质浓度N D=5×1015cm-3，栅氧化层厚度t OX=100nm，栅电极材料为金属铝，测得器件的值电压U g=-2.5V。试计算SiO2中的正电荷密度Q OX；若加上衬底偏置电压U BS=10V，值电压漂移多少？分别计算U BS为0V、10V时最大耗尽层宽度？
15. 已知N沟MOS器件的衬底杂质浓度N A=5×1015cm-3，栅极为金属铝，栅氧化层厚度t OX=150nm，SiO2中的正电荷密度Q OX=1×1022q/cm2（q为
电子电荷），试求该管的阈值电压U T？并说明它是耗尽型还是增强型的？
16. 如果一个MOS场效应晶体管的U T=0V，U GS=4V，I DS=3mA时，MOS管是否工作在饱和区？为什么？
17. 在掺杂浓度N A=1015cm-3P型Si衬底上制作两个N沟MOS管，其栅SiO2层的厚度分别为100nm和200nm，若U GS-U FB=15V，则ＵＤＳ为多少时，漏极电流达到饱和？
18. 已知N沟MOS器件具有下列参数：N A=１×101６cm-3，μｎ＝５００cm2/Ｖ.Ｓ，t OX=1５0nm，Ｌ＝４μｍ，沟道宽度Ｗ＝１００μｍ，U T=0．５V。试计算U GS=4V时的跨导ｇｍｓ；若已知Q OX=5×1010C/cm2，试计算U GS=4V，U DS=10A时的器件的饱和漏电导g Dsat；试计算器件的截止频率
f T？
19. 已知N沟MOS器件N A=１×101６cm-3，t OX=150nm，Ｌ＝４μｍ试计算U GS=0V时，器件的漏源击穿电压，并解释击穿受什么限制。
20. 定性说明在什么情况下MOS场效应晶体管会出现短沟道效应?第5章半导体器件制备技术
1. 硅的晶格常数为 5.43?，假设硅原子为一硬球模型，试计算硅原子的半径和确定硅原子的浓度为多少？
2. 用于柴可拉斯基法的籽晶，通常先拉成一小直径（5.5mm）的狭窄颈以作为无位错生长的开始，如果硅的临界屈服度为2×106g/cm2，
试计算此籽晶可以支撑的200mm直径单晶锭的最大长度。
3. 在利用柴可拉斯基法锁生长的晶体中掺入硼原子，为何在尾端的硼原子浓度会比籽晶端的浓度高？
4. 简述热氧化形成SiO2的机理和制备SiO2的方法？
5. 试比较湿法化学腐蚀和干法刻蚀的优缺点。
6. 假设测得的磷扩散分布可以用高斯函数表示，其扩散系数D=2.3×10-13cm/s，测出的表面浓度是1×1018cm-3，衬底浓度为1×1015cm-3，测得结深为1um，试计算扩散时间和扩散层中的全部杂质量。
7. 画出离子注入系统示意图，并结合图简述离子注入机理。、
8. 为何在定积多晶硅时，通常以硅烷为气体源，而不以硅氯化物为气体源？
9. 解释为何一般锭积多晶硅薄膜的温度普遍较低，大约在600～650℃之间。
10. 简述硅平面工艺的过程和各个工序的意义。
第6章Ga在SiO2/Si结构下的开管掺杂
1.简述开展Ga在SiO2/Si结构下单温区开管掺杂的背景。
2.叙述Ga在SiO2/Si系下实现掺杂的原理。
3.简述再分布过程近硅表面Ga的反扩散特性。
4.简述开管扩Ga对晶体管I-V特性的影响。
5.简述开管扩Ga在晶闸管一类器件中的应用原理。