電子科技大學(xué)半導(dǎo)體物理期末考試試卷A試題答案

1、電子科技大學(xué)二零 九 至二零 一零 學(xué)年第 一 學(xué)期期 末 考試 半導(dǎo)體物理 課程考試題 A卷 （ 120分鐘） 考試形式： 閉卷 考試日期 2010年 元月 18日課程成績構(gòu)成：平時(shí) 10 分， 期中 5 分， 實(shí)驗(yàn) 15 分， 期末 70 分一二三四五六七八九十合計(jì)復(fù)核人簽名得分簽名得 分一、選擇題（共25分，共 25題，每題1 分）1、本征半導(dǎo)體是指（ A ）的半導(dǎo)體。A. 不含雜質(zhì)和缺陷 B. 電阻率最高 C. 電子密度和空穴密度相等 D. 電子密度與本征載流子密度相等2、如果一半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中發(fā)現(xiàn)電子的幾率為零，那么該半導(dǎo)體必定（ D ）。A. 不含施主雜質(zhì) B. 不含受主雜質(zhì) C.

2、不含任何雜質(zhì) D. 處于絕對(duì)零度3、對(duì)于只含一種雜質(zhì)的非簡并n型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)EF隨溫度上升而（ D ）。A. 單調(diào)上升 B. 單調(diào)下降C. 經(jīng)過一個(gè)極小值趨近Ei D. 經(jīng)過一個(gè)極大值趨近Ei4、如某材料電阻率隨溫度上升而先下降后上升，該材料為（ C ）。 A. 金屬 B. 本征半導(dǎo)體 C. 摻雜半導(dǎo)體 D. 高純化合物半導(dǎo)體5、公式中的是半導(dǎo)體載流子的（ C ）。 A. 遷移時(shí)間 B. 壽命 C. 平均自由時(shí)間 D. 擴(kuò)散時(shí)間6、下面情況下的材料中，室溫時(shí)功函數(shù)最大的是（ A ） A. 含硼11015cm-3的硅 B. 含磷11016cm-3的硅 C. 含硼11015cm-3，磷1101

3、6cm-3的硅 D. 純凈的硅7、室溫下，如在半導(dǎo)體Si中，同時(shí)摻有11014cm-3的硼和1.11015cm-3的磷，則電子濃度約為（ B ），空穴濃度為（ D ），費(fèi)米能級(jí)為（ G ）。將該半導(dǎo)體由室溫度升至570K，則多子濃度約為（ F ），少子濃度為（ F ），費(fèi)米能級(jí)為（ I ）。（已知：室溫下，ni1.51010cm-3；570K時(shí)，ni21017cm-3）A、11014cm-3 B、11015cm-3 C、1.11015cm-3 D、2.25105cm-3 E、1.21015cm-3 F、21017cm-3 G、高于Ei H、低于Ei I、等于Ei8、最有效的復(fù)合中心能級(jí)位置在（

4、 D ）附近；最有利陷阱作用的能級(jí)位置在（ C ）附近，常見的是（ E ）陷阱。A、EA B、ED C、EF D、Ei E、少子 F、多子9、MIS結(jié)構(gòu)的表面發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)，其表面的導(dǎo)電類型與體材料的（ B ），若增加摻雜濃度，其開啟電壓將（ C ）。A、相同 B、不同 C、增加 D、減少10、對(duì)大注入條件下，在一定的溫度下，非平衡載流子的壽命與（ D ）。 A、平衡載流子濃度成正比 B、非平衡載流子濃度成正比 C、平衡載流子濃度成反比 D、非平衡載流子濃度成反比11、可以由霍爾系數(shù)的值判斷半導(dǎo)體材料的特性，如一種半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)為負(fù)值，該材料通常是（ A ） A、n型 B、p型 C、本征型

5、 D、高度補(bǔ)償型12、如在半導(dǎo)體中以長聲學(xué)波為主要散射機(jī)構(gòu)是，電子的遷移率與溫度的（ B ）。 A、平方成正比 B、次方成反比 C、平方成反比 D、次方成正比13、為減少固定電荷密度和快界面態(tài)的影響，在制備MOS器件時(shí)通常選擇硅單晶的方向?yàn)椋?A ）。 A、【100】 B、【111】 C、【110】 D、【111】或【110】 14、簡并半導(dǎo)體是指（ A ）的半導(dǎo)體。A、(EC-EF)或(EF-EV)0 B、(EC-EF)或(EF-EV)0C、能使用玻耳茲曼近似計(jì)算載流子濃度 D、導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂能容納多個(gè)狀態(tài)相同的電子15、在硅基MOS器件中，硅襯底和SiO2界面處的固定電荷是（ B ），它的

6、存在使得半導(dǎo)體表面的能帶（ C ），在C-V曲線上造成平帶電壓（ F ）偏移。A、鈉離子 B、過剩的硅離子 C、向下 D、向上E、向正向電壓方向； F、 向負(fù)向電壓方向 得 分二、填空題（共15分，共 15空，每空1 分）1、硅的導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)的 100方向上，根據(jù)晶體的對(duì)稱性共有 6 個(gè)等價(jià)能谷。2、n型硅摻砷后，費(fèi)米能級(jí)向 Ec(上) 移動(dòng)，如升高材料的工作溫度，則費(fèi)米能級(jí)向 Ei(下)移動(dòng)。3、對(duì)于導(dǎo)帶為多能谷的半導(dǎo)體，如GaAs，當(dāng)能量適當(dāng)高的子能谷的曲率較 小 時(shí)，有可能觀察導(dǎo)負(fù)微分電導(dǎo)現(xiàn)象，這是因?yàn)檫@種子能谷中的電子的有效質(zhì)量較 大 。4、復(fù)合中心的作用是促進(jìn)電子和空穴的復(fù)

7、合，起有效的復(fù)合中心的雜質(zhì)能級(jí)必須位于Ei（禁帶中線），并且對(duì)電子和空穴的俘獲系數(shù)rn和rp必須滿足 rnrp 。5、熱平衡條件下，半導(dǎo)體中同時(shí)含有一種施主雜質(zhì)和一種受主雜質(zhì)情況下的電中性條件是p0+nD+=n0+pA- 。 6、 金半接觸時(shí)，常用的形成歐姆接觸的方法有隧道效應(yīng) 和反阻擋層 7、 MIS結(jié)構(gòu)的表面發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)，其表面的導(dǎo)電類型和體材料的導(dǎo)電類型相反 （相同或相反），若增加摻雜濃度，其開啟電壓將 增加 （增加或減小）。8、在半導(dǎo)體中，如果溫度升高，則考慮對(duì)載流子的散射作用時(shí)，電離雜質(zhì)散射概率 減小 和晶格振動(dòng)散射概率 增大 。得 分三、 問答題（共25分，共四題， 6 分6分6分

8、7分） 1、 在本征半導(dǎo)體中進(jìn)行有意摻雜各種元素，可改變材料的電學(xué)性能。請(qǐng)解釋什么是淺能級(jí)雜質(zhì)、深能級(jí)雜質(zhì)，它們分別影響半導(dǎo)體哪些主要性質(zhì)；什么是雜質(zhì)補(bǔ)償？雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)囊饬x何在？ （本題6分）答：淺能級(jí)雜質(zhì)是指其雜質(zhì)電離能遠(yuǎn)小于本征半導(dǎo)體的禁帶寬度的雜質(zhì)。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶負(fù)電（電離受主）的離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮踊蛳騼r(jià)帶提供空穴。它可有效地提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。摻雜半導(dǎo)體又分為n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。（2分）深能級(jí)雜質(zhì)是指雜質(zhì)所在的能級(jí)位置在禁帶中遠(yuǎn)離導(dǎo)帶或價(jià)帶，在常溫下很難電離，不能對(duì)導(dǎo)帶的電子或價(jià)帶的空穴的濃度有所貢獻(xiàn)，但它可以提供有效的復(fù)合中心，在光電子開關(guān)器件中有

9、所應(yīng)用。（2分）當(dāng)半導(dǎo)體中既有施主又有受主時(shí)，施主和受主將先互相抵消，剩余的雜質(zhì)最后電離，這就是雜質(zhì)補(bǔ)償。（1分）利用雜質(zhì)補(bǔ)償效應(yīng)，可以根據(jù)需要改變半導(dǎo)體中某個(gè)區(qū)域的導(dǎo)電類型，制造各種器件。（1分）2、什么是擴(kuò)散長度、牽引長度和德拜長度，它們由哪些因素決定？。（本題6分）答：擴(kuò)散長度指的是非平衡載流子在復(fù)合前所能擴(kuò)散深入樣品的平均距離，它由擴(kuò)散系數(shù)和材料的非平衡載流子的壽命決定，即。（2分）牽引長度是指非平衡載流子在電場(chǎng)E的作用下，在壽命時(shí)間內(nèi)所漂移的距離，即，由電場(chǎng)、遷移率和壽命決定。（2分）德拜長度是德拜研究電介質(zhì)表面極化層時(shí)提出的理論的長度，用來描寫正離子的電場(chǎng)所能影響到電子的最遠(yuǎn)距離。

10、在半導(dǎo)體中，表面空間電荷層厚度隨摻雜濃度、介電常數(shù)和表面勢(shì)等因素而改變，其厚度用一個(gè)特征長度即德拜長度LD表示。它主要由摻雜濃度決定。摻雜大，LD小。（2分）3、試說明半導(dǎo)體中電子有效質(zhì)量的意義和性質(zhì)，并說明能帶底和能帶頂、內(nèi)層電子和外層電子的有效質(zhì)量的各自特點(diǎn)。 （本題6分）答：有效質(zhì)量是半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的概括。在討論晶體中的電子在外力的作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，只要將內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)的復(fù)雜作用包含在引入的有效質(zhì)量中，并用它來代替慣性質(zhì)量，就可以方便地采用經(jīng)典力學(xué)定律來描寫。由于晶體的各向異性，有效質(zhì)量和慣性質(zhì)量不一樣，它是各向異性的。(2分)在能帶底附近，由于為正，電子有效質(zhì)量大于0；(1分)在能帶

11、頂部附近，由于為負(fù)，電子有效質(zhì)量小于0。(1分)內(nèi)層電子形成的能帶窄，Ek曲線的曲率小，小，有效質(zhì)量大；(1分)外層電子形成的能帶寬，Ek曲線的曲率大，大，有效質(zhì)量小。(1分)4、什么叫復(fù)合中心？何謂間接復(fù)合過程？有哪四個(gè)微觀過程？試說明每個(gè)微觀過程和哪些參數(shù)有關(guān)。 （本題7分）答：半導(dǎo)體內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷能夠促進(jìn)復(fù)合，稱這些促進(jìn)復(fù)合的雜質(zhì)和缺陷為復(fù)合中心；（1分）間接復(fù)合：非平衡載流子通過復(fù)合中心的復(fù)合；（1分）四個(gè)微觀過程：俘獲電子，發(fā)射電子，俘獲空穴，發(fā)射空穴；（1分）俘獲電子：和導(dǎo)帶電子濃度和空穴復(fù)合中心濃度有關(guān)。 （1分）發(fā)射電子：和復(fù)合中心能級(jí)上的電子濃度。 （1分）俘獲空穴：和復(fù)合中

12、心能級(jí)上的電子濃度和價(jià)帶空穴濃度有關(guān)。 （1分）發(fā)射空穴：和空的復(fù)合中心濃度有關(guān)。 （1分）得 分四、 計(jì)算題（共35分，710810，共4題） 1、計(jì)算本征硅在室溫時(shí)的電阻率； 但摻入百萬分之一的砷(As)后，如雜質(zhì)全部電離，計(jì)算其電導(dǎo)率比本征硅的電導(dǎo)率增大多少倍。 （本題7分）（電子和空穴的遷移率分別為1350cm2/(V.s)和500 cm2/(V.s)，假使在雜質(zhì)濃度小于11017cm-3時(shí)電子的遷移率為850 cm2/(V.s)，ni=1.51010cm-3，硅的原子密度為51022cm-3。）解：（1）（3分）（2）ND=5102210-6=51016(cm-3)因?yàn)槿侩婋x，所以

13、n0=ND。 （1分）忽略少子空穴對(duì)電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)，所以：即電導(dǎo)率增大了153萬倍。 （3分）2、有一塊足夠厚的p型硅樣品，在室溫300K時(shí)電子遷移率n=1200 cm2/(V.s)，電子的壽命。如在其表面處穩(wěn)定地注入的電子濃度為。試計(jì)算在離開表面多遠(yuǎn)地方，由表面擴(kuò)散到該處的非平衡載流子的電流密度為1.20mA/cm2。（表面復(fù)合忽略不計(jì)）。（k0=1.3810-23J/K）,q=1.610-19C，k0T=0.026eV) （ 本題10分）解：由愛因斯坦關(guān)系可得到室溫下電子的擴(kuò)散系數(shù)： (2 分)電子的擴(kuò)散長度 (2 分)非平衡載流子的擴(kuò)散方程為： ， 其中 (2 分)所以，擴(kuò)散電流J= (2

14、 分)由上式可得到： (1 分)把，以及Dn的值代入上式，得到： (1 分)3、由金屬SiO2-P型硅組成的MOS結(jié)構(gòu)，當(dāng)外加電場(chǎng)使得半導(dǎo)體表面少數(shù)載流子濃度ns與半導(dǎo)體內(nèi)部多數(shù)載流子濃度pp0相等時(shí)作為臨界強(qiáng)反型條件。 （本題8分）（1）試證明臨界強(qiáng)反型時(shí)，半導(dǎo)體的表面勢(shì)為： (5 分) 其中（2）畫出臨界強(qiáng)反型時(shí)半導(dǎo)體的能帶圖，標(biāo)明相關(guān)符號(hào)，并把反型、耗盡、中性區(qū)各部分用豎線分開，并用文字指明。 (3 分)解：（1）設(shè)半導(dǎo)體表面勢(shì)為Vs，則表面處的電子濃度為： （ 1分 ）在臨界強(qiáng)反型情況下，有 ns=pp0, 即 ， 或 （ 1分 ）此外，在平衡狀態(tài)下半導(dǎo)體體內(nèi)的多子空穴濃度為： （ 1

15、分 ） 所以，比較以上兩個(gè)式子，可得到： Vs=2VB （ 2分 ）(2) qVBqVBEcEiEFEv在上圖中，為反型區(qū)，為耗盡區(qū)，為中性區(qū)（ 3分 ）4、用n型硅單晶片作為襯底，金屬鋁做上電極制成MOS二極管。已知n-Si的功函數(shù)Ws為4.30eV，Al的功函數(shù)WAL為4.20eV，鋁電極的面積A=1.610-7m2。在150下，進(jìn)行溫度偏壓（B-T）實(shí)驗(yàn)，在加上負(fù)的偏壓和正的偏壓下進(jìn)行負(fù)、正B-T處理，分別測(cè)得C-V曲線（1）和（2）。 （本題10分）求：（1）氧化物SiO2層的厚度； （ 2分 ）（2）在Si-SiO2界面處的正電荷密度； （ 4分 ）（3）SiO2中的可移動(dòng)離子的面密度。 （ 4分 ）0-9.8-178.1622(1)(2)C0CminC(pF)VG(V)