2011東南大學(xué)半導(dǎo)體物理試卷

1、東南大學(xué)考試卷（卷）課程名稱半導(dǎo)體物理考試學(xué)期 11-12-2 得分適用專業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù)考試形式 閉卷時間長 120分鐘:室溫下，硅的相關(guān)系數(shù)：k0T =0.026eV,q =1.5x1010cm Nc = 2.8漢 1019cm*II19_39肌=1.1燈0 cm ，電子電量e = 1.6O0 C。IiII:一、 填空題（每空1分，共35分）:、1.半導(dǎo)體中的載流子主要受到兩種散射，對于較純凈的半導(dǎo)體 散射起主要作線用，對于雜質(zhì)含量較多的半導(dǎo)體，溫度很低時， 散射起主要作用。III1:2.非平衡載流子的復(fù)合率 U =NtC （np 干）、，Nt代表，Et代表E t . E n + p +

2、2mch .L2PI k°T 丿2:，當(dāng)npn：為時，半導(dǎo)體存在凈復(fù)合，當(dāng)np q2時，封半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)。雜質(zhì)能級位于 位置時，為最有效復(fù)合中心，此雜質(zhì)； 稱為雜質(zhì)。IIIi:3.純凈的硅半導(dǎo)體摻入濃度為 1017/cm3的磷，當(dāng)雜質(zhì)電離時能產(chǎn)生導(dǎo)電，此時IIII密 雜質(zhì)為雜質(zhì)，相應(yīng)的半導(dǎo)體為 型。如果再摻入濃度為1016 / cm3的硼，-1I:半導(dǎo)體是型。假定有摻入濃度為1015 / cm3的金，則金原子帶電狀態(tài)為 。III!；4.當(dāng)PN結(jié)施加反向偏壓，并增到某一數(shù)值時，反向電流密度突然 開始的現(xiàn)象;稱為擊穿，擊穿分為 和。溫度升高時，擊穿的擊穿電壓; 閾值變大。IIi 5

3、.當(dāng)半導(dǎo)體中載流子濃度存在 時，載流子將做擴(kuò)散運動，擴(kuò)散流密度與；成正比，比例系數(shù)稱為 ;半導(dǎo)體存在電勢差時，載流子將做 運動，其運動速度正比于，比例系數(shù)稱為。I III；6. GaAs樣品兩端加電壓使內(nèi)部產(chǎn)生電場，在某一個電場強度區(qū)域，電流密度隨電場強度的增大而減小，這區(qū)域稱為 ，這是由 GaAs的結(jié)構(gòu)決定的。7.n型半導(dǎo)體導(dǎo)帶極值在110軸上，那么共有 個導(dǎo)帶底。已知硅的導(dǎo)帶電子縱向有效質(zhì)量為0.197 mb，橫向有效質(zhì)量為0.92 m)，重空穴的質(zhì)量0.49 m)，輕空穴的質(zhì)量為0.16m° ,則硅的導(dǎo)帶底電子的狀態(tài)有效質(zhì)量為 ，價帶頂空穴的狀態(tài)有效質(zhì)量為，硅的沿x方向的電導(dǎo)有

4、效質(zhì)量為 。8對于Si、Ge和GaAs,適合制作高溫器件， 其原因是9.PN結(jié)電容主要有 電容和電容，正向偏壓越大， 電容的作用越重要。對于點接觸型二極管和面接觸型二極管， 更適合高頻電路使用。簡要回答(1-3題8分，4題6分，共30 分)1 下圖分別是半導(dǎo)體材料Si、Ge、 GaAs的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。1V d* /rD11陽連耒k|- . IJV.HE IL1 r»Z'l：(1) 請指出圖a、圖b、圖c分別對應(yīng)何種材料，您判斷的依據(jù)是什么？(2) 在三幅圖中，價帶對于同一個K, E(K)可以有兩個值，表明對應(yīng)兩種有效質(zhì)量不同 的空穴，即重空穴和輕空穴。試指出曲線 1、2分別

5、對應(yīng)哪種空穴，依據(jù)是什么？2. (1)畫出輕摻雜半導(dǎo)體和重?fù)诫s半導(dǎo)體的遷移率與溫度的關(guān)系，并解釋之。(2)n型半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化曲線如圖所示，試解釋為什么會出共10頁第4頁共10頁第#頁(2)實際加工中在對半 而不是直接用金一半3. ( 1 )畫出實現(xiàn)反阻擋的金屬一一半導(dǎo)體歐姆接觸后的能帶圖； 導(dǎo)體進(jìn)行電互連時，將半導(dǎo)體的接觸區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s后在與金屬連接, 歐姆接觸進(jìn)行電互連，試解釋之。4. 舉一關(guān)于異質(zhì)結(jié)應(yīng)用的例子，并說明異質(zhì)結(jié)相比于同質(zhì)結(jié)有哪些優(yōu)點。計算題（35分）1. （5分）在室溫下，當(dāng)反向偏壓等于0.13eV時，流過PN結(jié)二極管的電流為5A。計算 當(dāng)二極管正向偏置同樣大小的電壓

6、時，流過二極管的電流為多少?2. （ 6分）摻磷的n型硅，已知磷的電離能為0.044eV，求室溫下雜質(zhì)一半電離時費米能級的位置和磷的濃度。3. （ 6分）單晶硅中均勻地?fù)饺雰煞N雜質(zhì)，摻硼1.5 1016cm，摻磷5 1015cm，。已知叫=1350cm2/V Lsjp = 500cm2/V_s，計算：（1 ）載流子的濃度；（2）費米能級相對禁帶中央的位置；（3）電導(dǎo)率。共10頁第5頁4. ( 8分)穩(wěn)定光照射在一塊均勻摻雜的n型半導(dǎo)體中均勻產(chǎn)生非平衡載流子，產(chǎn)生率為gp,且無外場作用，在 t=0時刻，撤去光照。(1 )求t<0時半導(dǎo)體載流子的濃度；(2) 求t>0時半導(dǎo)體載流子的濃

7、度。2pp | d ；, :pp已知Dp f-pppgp.t；xdx ；x5. ( 10分)若在摻有受主雜質(zhì) NA的p型襯底上采用擴(kuò)散工藝又摻入一層濃度為ND施主雜質(zhì)，且Nb>>2,本征載流子濃度為 ni。求：(1) 求接觸電勢差 Vd；(2) 畫出平衡時p-n結(jié)的能帶圖；(3) 請問p區(qū)和n區(qū)哪邊的勢壘寬度寬，為什么？(4) 分析說明外加正向偏置時，正向擴(kuò)散電流的主要成分是電子電流還是空穴電流？ 若外加正向電壓為 V時，分別寫出注入 p區(qū)和n區(qū)的載流子濃度。共10頁第6頁東南大學(xué)考試卷（卷）課程名稱半導(dǎo)體物理考試學(xué)期得分適用專業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù)考試形式 閉卷時間長 120分鐘室溫

8、下，硅的相關(guān)系數(shù)：k0T =0.026eV,nj =1.5 1010cm二 N 2.8 1019cmII19_3_j9Nv =1.110 cm ，電子電量 e = 1.6x10 C。一.填空（每空1分，共32分）1.半導(dǎo)體作為電子工程主角，具有可控性、和通道時延等線 特點。在半導(dǎo)體中，決定載流子分布的兩大基本法則為費米能級的調(diào)控作2 .純凈半導(dǎo)體Si中摻硼元素的雜質(zhì)，當(dāng)雜質(zhì)電離時從Si中奪取，在Si晶體的丨共價鍵中產(chǎn)生了一個 ，這種雜質(zhì)稱 雜質(zhì)。封1I；3. p型Ge中摻入施主雜質(zhì)，費米能級將 （上升，下降或不變）。若溫度升咼至本征激發(fā)起主導(dǎo)作用時費米能級所處位置為二ZZ。IIII密 4. n

9、型半導(dǎo)體硅導(dǎo)帶極值在110軸上，則有個導(dǎo)帶底。已知硅的導(dǎo)帶電子縱向-1:有效質(zhì)量為0.197 mo，橫向有效質(zhì)量為 0.92 mo，重空穴的質(zhì)量0.49 m0，輕空穴的質(zhì)量為!|II；0.16m°，則硅的價帶頂空穴的狀態(tài)有效質(zhì)量為 ，當(dāng)回旋共振試驗中，磁場沿100I方向時，測得共振吸收峰個數(shù)為 。IIIi 5.半導(dǎo)體Si屬于半導(dǎo)體（填“直接帶隙”或“間接帶隙”）,砷化鎵屬于半導(dǎo)體，直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體的區(qū)別在于 5. 輕摻雜的目的是 ,深能級摻雜能起到 的重要作用，而我們進(jìn)行重?fù)诫s主要是利用重?fù)诫s的高電導(dǎo)性和的特點，盡管其可能給半導(dǎo)體器件帶來不理想的結(jié)果，如 。6 半導(dǎo)體中的載流

10、子壽命不是取決于材料的基本性質(zhì)，而是與半導(dǎo)體材料中的缺陷、或應(yīng)力相關(guān)；在半導(dǎo)體材料中有一些缺陷能級，它們可以俘獲載流子，并長 時間把載流子束縛在這些能級上，這種現(xiàn)象稱為 。7 半導(dǎo)體中的載流子主要受到兩種散射，它們分別是 和。前者在 下起主要作用，后者在下起主要作用。&改變半導(dǎo)體電導(dǎo)率最常見的方法是通過摻雜，除此之外還可以通過 和等。9. 鍺p-n結(jié)與硅p-n結(jié)的內(nèi)建電勢差 VD相比，內(nèi)建電勢差VD大，其原因是10. p-n 結(jié)的理想伏安特性與實際伏安特性的區(qū)別是 ，其原因是忽略了 和11. 愛因斯坦關(guān)系式 表征了非簡并情況下載流子遷移率和擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系。二簡要回答(每題 8分，共

11、32分)1. ( 1)從能帶論出發(fā)，簡述半導(dǎo)體能帶的基本特征；(2) 利用能帶論分析討論為什么金屬和半導(dǎo)體電導(dǎo)率具有不同的依賴性。2. 簡述多能谷散射對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響，舉一例說明。3. （ 1）試畫出并解釋載流子濃度隨溫度的變化關(guān)系，說明為什么高溫下半導(dǎo)體器件無法 工作；（2）試畫出n型半導(dǎo)體的費米能級隨溫度變化規(guī)律，并解釋之。4. 在半導(dǎo)體器件制造中，常遇到低摻雜半導(dǎo)體引線問題，一般采用在低摻雜上外延一層相同導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體，請以金屬一n 半導(dǎo)體一n為例，分別畫出平衡時、正向偏置和反向偏置下的能帶圖，并說明其歐姆接觸特性。三.計算（共36 分）（8分）施主濃度為1017cm"

12、;的n型硅，室溫下的功函數(shù)是多少？如果不考慮表面態(tài)的 影響，試畫出它與金（Au）接觸的能帶圖，并標(biāo)出勢壘高度和接觸電勢差的數(shù)值。已知硅 的電子親和能；： =4.05eV，金的功函數(shù)為 4.58eV。共10頁第9頁N=1 x 1015cm3,室溫下測得其費米能級153no=5x 10 cm1. （8分）一塊補償硅材料，已知摻入受主雜質(zhì)濃度 位置恰好與施主能級重合，并測得熱平衡時電子濃（1）熱平衡時空穴濃度為多少？（2 ）摻入材料中的施主雜質(zhì)濃度為多少？（3）電離雜質(zhì)中心濃度為多少？（4）中性雜質(zhì)中心濃度為多少？2. （8分）如圖所示，一個很長的摻雜均勻的n型半導(dǎo)體樣品，其中心附近長度為2a的范圍內(nèi)被一穩(wěn)定光照射，假定光均勻的穿透樣品，電子-空穴對的產(chǎn)生率為 Gp詡E（少子的連續(xù)性方程為=Dp4氣日互蟲+G ）a<x<x（%t（1）寫出整個樣