电子科技大学半导体物理期末考试试卷a试题答案.docx

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1、电子科技大学二零 九 至二零 一零 学年第 一 学期期 末 考试半导体物理 课程考试题 A 卷 120 分钟 考试形式： 闭卷考试日期 2023 年 元月 18 日课程成绩构成：寻常 10分， 期中5分， 试验15分， 期末70分一二三四五六七八九十合计复核人签名得分签名A. 不含杂质和缺陷得 分一、选择题共 25 分，共 25 题，每题 1 分 1、本征半导体是指A的半导体。B. 电阻率最高C. 电子密度和空穴密度相等 D. 电子密度与本征载流子密度相等2、假设一半导体的导带中觉察电子的几率为零，那么该半导体必定D。A.不含施主杂质B. 不含受主杂质C.不含任何杂质D. 处于确定零度3、对于

2、只含一种杂质的非简并 n 型半导体，费米能级 EF随温度上升而D。A. 单调上升B. 单调下降C. 经过一个微小值趋近 EiD. 经过一个极大值趋近 Ei4、如某材料电阻率随温度上升而先下降后上升，该材料为C。A. 金属B. 本征半导体C. 掺杂半导体D. 高纯化合物半导体5、公式m = qt / m*中的t 是半导体载流子的C。A. 迁移时间B. 寿命C. 平均自由时间D. 集中时间6、下面状况下的材料中，室温时功函数最大的是AA. 含硼 11015cm-3 的硅B. 含磷 11016cm-3 的硅C. 含硼 11015cm-3，磷 11016cm-3 的硅D. 纯洁的硅7、室温下，如在半导

3、体 Si 中，同时掺有 11014cm-3 的硼和 1.11015cm-3 的磷，则电子浓度约为 B ，空穴浓度为 D ，费米能级为 G 。将该半导体由室温度升至 570K，则多子浓度约为 F ，少子浓度为 F ，费米能级为 I 。：室温下，ni1.51010cm-3；570K 时，ni21017cm-3A、11014cm-3B、11015cm-3C、1.11015cm-3D、2.25105cm-3E、1.21015cm-3F、21017cm-3G、高于 EiH、低于 EiI、等于 Ei8、最有效的复合中心能级位置在D四周；最有利陷阱作用的能级位置在C四周，常见的是E陷阱。A、EAB、EDC、

4、EFD、EiE、少子F、多子9、MIS 构造的外表发生强反型时，其外表的导电类型与体材料的 B ，假设增加掺杂浓度，其开启电压将 C 。A、一样B、不同C、增加D、削减10、对大注入条件下，在确定的温度下，非平衡载流子的寿命与 D。A、平衡载流子浓度成正比B、非平衡载流子浓度成正比C、平衡载流子浓度成反比D、非平衡载流子浓度成反比11、可以由霍尔系数的值推断半导体材料的特性，如一种半导体材料的霍尔系数为负值， 该材料通常是 AA、n 型B、p 型C、本征型D、高度补偿型12、如在半导体中以长声学波为主要散射机构是，电子的迁移率与温度的 B。nA、平方成正比B、 3 次方成反比2C、平方成反比D

5、3、次方成正比213、为削减固定电荷密度和快界面态的影响，在制备 MOS 器件时通常选择硅单晶的方向为A。A、【100】B、【111】C、【110】D、【111】或【110】14、简并半导体是指 A的半导体。A、(EC-EF)或(EF-EV)0B、(EC-EF)或(EF-EV)0C、能使用玻耳兹曼近似计算载流子浓度 D、导带底和价带顶能容纳多个状态一样的电子15、在硅基 MOS 器件中，硅衬底和 SiO2 界面处的固定电荷是 B ，它的存在使得半导体外表的能带 C，在 C-V 曲线上造成平带电压 F 偏移。A、钠离子B、过剩的硅离子C、向下D、向上E、向正向电压方向； F、 向负向电压方向得

6、分二、填空题共 15 分，共 15 空，每空 1 分1、硅的导带微小值位于布里渊区的 100方向上，依据晶体的对称性共有 6 个等价能谷。2、n 型硅掺砷后，费米能级向 Ec(上) 移动，如上升材料的工作温度，则费米能级向 Ei(下) 移动。3、对于导带为多能谷的半导体，如 GaAs，当能量适当高的子能谷的曲率较 小 时，有可能观看导负微分电导现象，这是由于这种子能谷中的电子的有效质量较 大 。4、复合中心的作用是促进电子和空穴的复合，起有效的复合中心的杂质能级必需位于 Ei禁带中线，并且对电子和空穴的俘获系数 r 和 r 必需满足 r r 。得 分npnp5、热平衡条件下，半导体中同时含有一

7、种施主杂质和一种受主杂质状况下的电中性条件是6、金半接触时，常用的形成欧姆接触的方法有隧道效应 和反阻挡层p +n +=n +p -。0D0A7、MIS 构造的外表发生强反型时，其外表的导电类型和体材料的导电类型相反 一样或相反，假设增加掺杂浓度，其开启电压将 增加 增加或减小。8、在半导体中，假设温度上升，则考虑对载流子的散射作用时，电离杂质散射概率 减小和晶格振动散射概率 增大。三、 问答题共 25 分，共四题， 6 分6 分6 分7 分1、在本征半导体中进展有意掺杂各种元素，可转变材料的电学性能。请解释什么是浅能级 杂质、深能级杂质，它们分别影响半导体哪些主要性质；什么是杂质补偿？杂质补

8、偿的意义何在？此题 6 分答：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。它们电离后将成为带正电电离施主或带负电电离受主的离子，并同时向导带供给电子或向价带供给空穴。它可有效地提高半导体的导电力气。掺杂半导体又分为n 型半导体和 p 型半导体。2 分深能级杂质是指杂质所在的能级位置在禁带中远离导带或价带，在常温下很难电离，不能对导带的电子或价带的空穴的浓度有所奉献，但它可以供给有效的复合中心，在光电子开关器件中有所应用。2 分当半导体中既有施主又有受主时，施主和受主将先相互抵消，剩余的杂质最终电离，这就是杂质补偿。1 分利用杂质补偿效应，可以依据需要转变半导体中某个区域的导电类

9、型，制造各种器件。1 分2、什么是集中长度、牵引长度和德拜长度，它们由哪些因素打算？。此题 6 分答：集中长度指的是非平衡载流子在复合前所能集中深入样品的平均距离，它由集中系数Dt和材料的非平衡载流子的寿命打算，即 L =。2 分牵引长度是指非平衡载流子在电场E的作用下，在寿命 t 时间内所漂移的距离，即L(E) = Emt ，由电场、迁移率和寿命打算。2 分德拜长度是德拜争论电介质外表极化层时提出的理论的长度，用来描写正离子的电场所能影响到电子的最远距离。在半导体中，外表空间电荷层厚度随掺杂浓度、介电常数和外表势等因素而转变，其厚度用一个特征长度即德拜长度LD 表示。它主要由掺杂浓度打算。掺

10、杂大，LD 小。2 分3、试说明半导体中电子有效质量的意义和性质，并说明能带底和能带顶、内层电子和外层 电子的有效质量的各自特点。此题 6 分答：有效质量是半导体内部势场的概括。在争论晶体中的电子在外力的作用下的运动规律 时，只要将内部周期性势场的简洁作用包含在引入的有效质量中，并用它来代替惯性质量，就可以便利地承受经典力学定律来描写。由于晶体的各向异性，有效质量和惯性质量不一样，它是各向异性的。(2 分)在能带底四周，由于2 Ek 2为正，电子有效质量大于 0；(1 分)在能带顶部四周，由于2 Ek 2为负，电子有效质量小于 0。(1 分)内层电子形成的能带窄，Ek 曲线的曲率小， 2 Ek

11、 2小，有效质量大；(1 分)外层电子形成的能带宽，Ek 曲线的曲率大， 2 Ek 2大，有效质量小。(1 分)4、什么叫复合中心？何谓间接复合过程？有哪四个微观过程？试说明每个微观过程和哪些参数有关。此题 7 分答：半导体内的杂质和缺陷能够促进复合，称这些促进复合的杂质和缺陷为复合中心；1 分间接复合：非平衡载流子通过复合中心的复合；1 分四个微观过程：俘获电子，放射电子，俘获空穴，放射空穴；1 分俘获电子：和导带电子浓度和空穴复合中心浓度有关。1 分 放射电子：和复合中心能级上的电子浓度。1 分俘获空穴：和复合中心能级上的电子浓度和价带空穴浓度有关。1 分 放射空穴：和空的复合中心浓度有关

12、。1 分得 分四、 计算题共 35 分，710810，共 4 题1、计算本征硅在室温时的电阻率； 但掺入百万分之一的砷(As)后，如杂质全部电离， 计算其电导率比本征硅的电导率增大多少倍。此题 7 分电子和空穴的迁移率分别为1350cm2/(V.s) 和 500 cm2/(V.s) ，假使在杂质浓度小于11017cm-3 时电子的迁移率为 850 cm2/(V.s)，ni=1.51010cm-3，硅的原子密度为 51022cm-3。 解：1s = n q(miin+ m )ps = 1.5 1010 1.6 10-19 (1350 + 500)i= 4.44 10-6 (S / cm)2ND=

13、5102210-6=51016(cm-3)3 分由于全部电离，所以 n0=ND。1 分 无视少子空穴对电导率的奉献，所以：s = n qm0n= 5 1016 1.6 10-19 850= 6.8(S / cm)s6.8= 1.53 106s4.44 10-6i即电导率增大了 153 万倍。3 分2、有一块足够厚的 p 型硅样品，在室温 300K 时电子迁移率n=1200 cm2/(V.s)，电子的寿命t= 10ms 。如在其外表处稳定地注入的电子浓度为Dn(0) = 7 1012 cm-3 。试计算在离开表n面多远地方，由外表集中到该处的非平衡载流子的电流密度为 1.20mA/cm2。外表复

14、合无视不计。k0=1.3810-2J3/K,q=1.610-19C，k0T=0.026eV)解：由爱因斯坦关系可得到室温下电子的集中系数： 此题 10 分k T0.026eVD=onqm=1200cm2 /V .S = 31.2 10- 4 m2 / s(2 分)ne电子的集中长度L=D t=31.2 10-4 10 10-6= 1.76 10-4 (m)(2分)nn nD ( ) = D (0)n xne- xLn非平衡载流子的集中方程为：S (x) = -DnndDn(x) dx， 其中(2 分)所以，集中电流 J= - qS(x) =qD Dn(0)-xneLn(2 分)nLn由上式可得

15、到： x = L qD Dn(0) lnn(1 分)nJLn把Dn(0) = 7 1012 cm-3 ， J = 1.20mA / cm2 ， Ln= 1.76 10-4 m ，以及 Dn 的值代入上式， 1.6 10-19 31.2 10-4 7 1018 得到： x = 1.76 10- 4 ln = 8.7 10-5 (m)(1 分)1.76 10-14 123、由金属SiO2-P 型硅组成的 MOS 构造，当外加电场使得半导体外表少数载流子浓度 ns与半导体内部多数载流子浓度 pp0 相等时作为临界强反型条件。此题 8 分（1） 试证明临界强反型时，半导体的外表势为：(5 分)2k T

16、NE - EV= 2V=0lnA ,其中V=iFsBqnBqi（2） 画出临界强反型时半导体的能带图，标明相关符号，并把反型、耗尽、中性区各局部用竖线分开，并用文字指明。(3 分)解：1设半导体外表势为 Vs，则外表处的电子浓度为：n= nsp0qVsek0T=n 2ipp0qVsek To 1 分 在临界强反型状况下，有 ns=pp0,即 p2p 0qVs= n 2ek0T ， 或p= nip 0iqVse 2k0T 1 分 此外，在平衡状态下半导体体内的多子空穴浓度为：所以，比较以上两个式子，可得到：Vs=2VB2k TN 1 分 p= N e- EF - Evk Tp0v0= n e-i

17、E - EiFk T= n eiqVBk T00 2 分 Vs = 2V=0lnABqni(2)qVqV BEv在上图中，为反型区，为耗尽区，为中性区 3 分 4、用 n 型硅单晶片作为衬底，金属铝做上电极制成 MOS 二极管。 n-Si 的功函数 Ws为 4.30eV，Al 的功函数 WAL 为 4.20eV，铝电极的面积A=1.610-7m2。在 150下，进展温度偏压B-T试验，在加上负的偏压和正的偏压下进展负、正B-T 处理，分别测得C-V曲线1和2。e= 8.85 10-12 F / m,e= 3.9此题 10 分0r求：1氧化物 SiO2 层的厚度； 2 分 （2） 在 Si-Si

18、O2 界面处的正电荷密度； 4 分 （3） SiO2 中的可移动离子的面密度。 4 分 C(pF)C022(2)(1)Cmin8.16-17-9.80V (V)G解：1由图示的 C-V 曲线可得： C0=Ci=22pF, Cmin=8.16pF所以，SiO2 的厚度为：Ae ed=0 r1.6 10-7 8.85 10-12 3.9= 2.5 10-7 (m) = 250nm 2 分 0C22 10-120 由于金属和半导体功函数的差异，而引起半导体中的电子的电势能相对于金属提高的数值为：qVms= Ws -WAl，则因此引起的平带电压：W- WV” = -V=m FBmsqs = -0.1V 2 分 计算界面固定电荷密度时应当从负偏压的 C-V 曲线确定 VFB,即曲线1，此时移动电荷已经到 Al 和 SiO2 的界面，所以，固定电荷密度为：CN=i (V- V)fcAqmsFB1=22 10-121.6 10-7 1.6 10-19(-0.1 + 9.8)= 8.29 1015 (m-2 )= 8.29 109 (cm- 2 ) 计算可移动电荷密度，由正负温偏处理后的DV来计算， 2 分 FBCFBN=0DVmAq=22 10-12-9.8 - (-17) 1.6 10-7 1.6 10-19 6.2 1015 (m- 2 )= 6.2 109 (cm- 2 ) 4 分