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半导体物理习题解答第四章
第4章 半导体的导电性
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1350cm2/V?s和500 cm2/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。掺杂后的电导率比本征Si的电导率增大了多少倍?
解:将室温下Si的本征载流子密度1.5?1010/cm3及题设电子和空穴的迁移率代入电导率公式
即得:
;
已知室温硅的原子密度为5?1022/cm3,掺入1ppm的砷,则砷浓度
在此等掺杂情况下可忽略少子对材料电导率的贡献,只考虑多子的贡献。这时,电子密度n0因杂质全部电离而等于ND;电子迁移率考虑到电离杂质的散射而有所下降,查表4-14知n-Si中电子迁移率在施主浓度为5?1016/cm3时已下降为800 cm2/V?s。于是得
该掺杂硅与本征硅电导率之比
即百万分之一的砷杂质使硅的电导率增大了1.44亿倍
5. 500g的Si单晶中掺有4.5?10-5g的B,设杂质全部电离,求其电阻率。
(硅单晶的密度为2.33g/cm3,B原子量为10.8)。
解:为求电阻率须先求杂质浓度。设掺入Si中的B原子总数为Z,则由1原子质量单位=1.66?10-24g算得
个
500克Si单晶的体积为,于是知B的浓度
∴
室温下硅中此等浓度的B杂质应已完全电离,查表4-14知相应的空穴迁移率为400 cm2/V?s。故
6. 设Si中电子的迁移率为0.1 m2/(V.s),电导有效质量mC=0.26m0,加以强度为104V/m
解:由迁移率的定义式知平均自由时间
代入相关数据,得
平均自由程:
8. 截面积为0.001cm2的圆柱形纯Si样品,长1mm,接于10V的电源上,室温下希望通过0.1A的电流,问:
= 1 \* GB3 ①样品的电阻须是多少?
= 2 \* GB3 ②样品的电导率应是多少?
= 3 \* GB3 ③应该掺入浓度为多少的施主?
解: = 1 \* GB2 ⑴由欧姆定律知其电阻须是
= 2 \* GB2 ⑵其电导率由关系并代入数据得
= 3 \* GB2 ⑶由此知该样品的电阻率须是1??cm。查图4-15可知相应的施主浓度大约为5.3?1015 cm-3。
若用本征硅的电子迁移率1350cm2/V?s进行计算,则
计算结果偏低,这是由于没有考虑杂质散射对的影响。按n0=5.3?1015 cm-3推算,其电子迁移率应为1180cm2/V?s
因为硅中杂质浓度在5?1015 cm-3左右时必已完全电离,因此为获得0.1A电流,应在此纯硅样品中掺入浓度为5.3?1015
10. 试求本征Si在473K时的电阻率。
解:由图4-13查出T=473K时本征硅中电子和空穴的迁移率分别是
,
在温度变化不大时可忽略禁带宽度随温度的变化,则任意温度下的本征载流子密度可用室温下的等效态密度NC(300)和NV(300)、禁带宽度Eg(300)和室温kT=0.026eV表示为
代入相关数据,得
该值与图3-7中T=200℃(473K)所对应之值低大约一个数量级,这里有忽略禁带变窄的因素,也有其他因素(参见表3-2,计算值普遍比实测值低)。
将相关参数代入电阻率计算式,得473K下的本征硅电阻率为
注:若不考虑T=473K时会出现光学波散射,可利用声学波散射的规律计算T=473K的载流子迁移率:
,
将置换以上电阻率计算式中的,得
11. 截面积为10-3cm2,掺有浓度为1013cm-3的P型Si样品,样品内部加有强度为103
= 1 \* GB3 ①室温时样品的电导率及流过样品的电流密度和电流强度。
= 2 \* GB3 ②400K时样品的电导率及流过样品的电流密度和电流强度。
解: = 1 \* GB2 ⑴该样品掺杂浓度较低,其室温迁移率可取高纯材料之值,其电导率
电流密度
电流强度
= 2 \* GB2 ⑵ T=400K时,由图3-7(旧版书,新版有误差)查得相应的本征载流子密度为8?1012/cm3,接近于掺杂浓度,说明样品已进入向本征激发过渡的状态,参照式(3-60),其空穴密度
电子密度
利用声学波散射的规律计算T=400K的载流子迁移率:
,
于是得400K时的电导率
相应的电流密度
电流强度
16. 分别计算掺有下列杂质的Si在室温时的载流子浓度、迁移率和电导率:
= 1 \* GB3 ① 硼原子3?1015cm-3;
= 2 \* GB3 ② 硼原子1.3?1016cm-3,磷原子1?1016cm-3;
= 3 \* GB3 ③ 磷原子1.3?1016cm-3,硼原子1?1016cm-
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