2023年半導(dǎo)體物理試卷-A卷問題詳解

有用有用文檔文檔電子科技大學(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2023年元月18日課程成績構(gòu)成：尋常 10 分，期中 5 分，試驗 15 分，期末 70 分一一二三四五六七八九十合計 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。得分A.不含雜質(zhì)和缺陷BA.不含雜質(zhì)和缺陷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、假設(shè)一半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中覺察電子的幾率為零，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)D.處于確定零度CD.處于確定零度3、對于只含一種雜質(zhì)的非簡并n型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級EF隨溫度上升而〔 D 。A.單調(diào)上升 B.單調(diào)下降C.經(jīng)過一個微小值趨近Ei D.經(jīng)過一個極大值趨近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q/m*中的是半導(dǎo)體載流子的〔C。A.遷移時間 B.壽命C.平均自由時間 D.集中時間6、下面狀況下的材料中，室溫時功函數(shù)最大的是〔A〕A.含硼1×1015cm-3的硅 B.含磷1×1016cm-3的硅C.含硼1×1015cm-31×1016cm-3的硅D.純潔的硅7Si1×1014cm-31.1×1015cm-3濃度約為〔B，空穴濃度為〔D，費(fèi)米能級為〔G。將該半導(dǎo)體由室570K〔F〔F〔I?！玻菏覝叵拢琻i1.5×1010cm-3；570Kni2×1017cm-3〕A、1×1014cm-3B、1×1015cm-3C、1.1×1015cm-3D、2.25×105cm-3E、1.2×1015cm-3F、2×1017cm-3GEiHEiIEi88〔D 〔C〕四周，常見的是〔E〕陷阱。A、EA B、ED C、EFD、Ei E、少子 F、多子9S〔B雜濃度，其開啟電壓將〔C。A、一樣 B、不同C、增加 D、削減10、對大注入條件下，在肯定的溫度下，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 、非平衡載流子濃度成反比、可以由霍爾系數(shù)的值推斷半導(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 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 。nA、平方成正比 B、3次方成反比2C、平方成反比 D、3次方成正比213、為削減固定電荷密度和快界面態(tài)的影響，在制備MOS器件時通常選擇硅單晶的方向為〔為〔A 。A【100】 B【111】 C【110】 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算載流子濃度D、導(dǎo)帶底和價帶頂能容納多個狀態(tài)一樣的電子5、在硅基S器件中，硅襯底和O2界面處的固定電荷是〔B，它的存在使得半導(dǎo)體外表的能帶〔C ，在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 E、向正向電壓方向；F、向負(fù)向電壓方向得分二、填空題〔15分，共151分〕得分1、硅的導(dǎo)帶微小值位于布里淵區(qū)的1、硅的導(dǎo)帶微小值位于布里淵區(qū)的＜100＞方向上，依據(jù)晶體的對稱性共有6個等價能谷。2nEc(上)Ei(下)移動。3、對于導(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3、對于導(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，有可能觀看導(dǎo)負(fù)微分電導(dǎo)現(xiàn)象，這是由于這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)合，起有效的復(fù)合中心的雜質(zhì)能級必需位于 Ei〔禁帶中線，并且對電子和空穴的俘獲系數(shù)n和p必需滿足 ＝p。5、熱平衡條件下，半導(dǎo)體中同時含有一種施主雜質(zhì)和一種受主雜質(zhì)狀況下的電中性條件是＿p0+nD+=n0+pA- 。6、金半接觸時，常用的形成歐姆接觸的方法有＿6、金半接觸時，常用的形成歐姆接觸的方法有＿隧道效應(yīng)和＿反阻擋層強(qiáng)反型時，其外表的導(dǎo)電類型和體材料的導(dǎo)電類型＿相反〔一樣或相反，假設(shè)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，假設(shè)溫度上升，則考慮對載流子的散射作用時，電離雜質(zhì)散射概率 減小和晶格振動散射概率 增大 。得分三、問答題〔25分，共四題，6分＋6＋6＋7〕得分1能級雜質(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？ 〔此題6分〕答：淺能級雜質(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，并同時向?qū)Ч┙o電子或向價帶供給np〔2〕〔2〕當(dāng)半導(dǎo)體中既有施主又有受主時，施主和受主將先相互抵消，剩余的雜質(zhì)最終電離，這就〔1〕〔1分〕2〔6〕答：集中長度指的是非平衡載流子在復(fù)合前所能集中深入樣品的平均距離，它由集中系數(shù)D和材料的非平衡載流子的壽命打算，即L 〔2D牽引長度是指非平衡載流子在電場 E的作用下，在壽命時間內(nèi)所漂移的距離，即L(E)E〔2〕德拜長度是德拜爭論電介質(zhì)外表極化層時提出的理論的長度，用來描寫正離子的電場所能影響到電子的最遠(yuǎn)距離。在半導(dǎo)體中，外表空間電荷層厚度隨摻雜濃度、介電常數(shù)和外表勢等因素而轉(zhuǎn)變，其厚度用一個特征長度即德拜長度德拜長度是德拜爭論電介質(zhì)外表極化層時提出的理論的長度，用來描寫正離子的電場所能影響到電子的最遠(yuǎn)距離。在半導(dǎo)體中，外表空間電荷層厚度隨摻雜濃度、介電常數(shù)和外表勢等因素而轉(zhuǎn)變，其厚度用一個特征長度即德拜長度LD表示。它主要由摻雜濃度打算。摻雜大，LD〔2分〕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)。 〔此題6分〕答：有效質(zhì)量是半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的概括。在爭論晶體中的電子在外力的作用下的運(yùn)動規(guī)律就可以便利地承受經(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在能帶底四周，由于2Ek2

0；(1在能帶頂部四周，由于2Ek2

0。(1內(nèi)層電子形成的能帶窄，E～k內(nèi)層電子形成的能帶窄，E～k2Ek2外層電子形成的能帶寬，E～k外層電子形成的能帶寬，E～k2Ek2什么叫復(fù)合中心？何謂間接復(fù)合過程？有哪四個微觀過程？試說明每個微觀過程和哪些參數(shù)有關(guān)。 〔此題7分〕分〕〔1〕四個微觀過程：俘獲電子，放射電子，俘獲空穴，放射空穴〔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〕放射電子：和復(fù)合中心能級上的電子濃度。 〔1分〕俘獲空穴：和復(fù)合中心能級上的電子濃度和價帶空穴濃度有關(guān)。 放射空穴：和空的復(fù)合中心濃度有關(guān)。 〔1分〕得分四、計算題〔357＋10＋8＋104〕得分1、⑴計算本征硅在室溫時的電阻率；⑵但摻入百萬分之一的砷(As)后，如雜質(zhì)全部電離，計算其電導(dǎo)率比本征硅的電導(dǎo)率增大多少倍。 〔此題7分〕〔電子和空穴的遷移率分別為1350cm2/(V.s)和500cm2/(V.s)，假使在雜質(zhì)濃度小于1×1017cm-3時電子的遷移率為 850cm2/(V.s)，ni=1.5×1010cm-3，硅的原子密度為 5×1022cm-3〕〔1〕nq(i i

)p1.510101.61019(1350500)i4.44106(S/cm)〔2〕ND=5×1022×10-6=5×1016(cm-3)

〔3〕由于全部電離，所以n0=ND。 無視少子空穴對電導(dǎo)率的奉獻(xiàn)，所以：nq0 n510161.610198506.8(S/cm) 6.8 1.53106 4.44106i即電導(dǎo)率增大了153萬倍。 〔3分〕2、有一塊足夠厚的p2、有一塊足夠厚的p300Kμn=1200cm2/(V.s)，電子的壽命10s。如在其外表處穩(wěn)定地注入的電子濃度為n(0)71012cm3。試計算在離開n1.20mA/cm2〔外表復(fù)合10〕解：由愛因斯坦關(guān)系可得到室溫下電子的集中系數(shù)：kT 0.026eVD on

1200cm2/V.S31.2104m2/s (2分)n eDnn31.2Dnn31.210410106n

1.76104m) (2分)()(0)nxn exLnS(x)Dn

dn(x)dx

，其中

(2分)

(x)

qDn(0) xn Lnxn

(2分)n Ln

xL

qDn(0)(1分)ln n (1分)n JLn把n(0)71012cm3J1.20mA/cm2Ln

1.76104m，以及Dn的值代入上式，

1.6101931.210471018x1.76104ln

8.7

105(m)

(1分) 1.76101412 3、由金屬－SiO2-P型硅組成的MOS構(gòu)造，當(dāng)外加電場使得半導(dǎo)體外表少數(shù)載流子濃度ns與半導(dǎo)體內(nèi)部多數(shù)載流子濃度pp0相等時作為臨界強(qiáng)反型條件。 〔此題8分〕試證明臨界強(qiáng)反型時，半導(dǎo)體的外表勢為： (5分)V

2kT0

lnN

其中V

EEi Fs B q n B qiA畫出臨界強(qiáng)反型時半導(dǎo)體的能帶圖，標(biāo)明相關(guān)符號，并把反型、耗盡、中性區(qū)各A局部用豎線分開，并用文字指明。1〕，則外表處的電子濃度為：

(3分)n nspn nsp0qVsek0T in2qVspekTop0在臨界強(qiáng)反型狀況下，有ns=pp0,即

qVs qVsp 2n2ek0T，或 p np0 i p0

e2k0T

〔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：p p NeEFEvkTp00neiEEi FkTneiqVBkT0v0所以，比較以上兩個式子，可得到：Vs=2VB2kT N

〔1分〕〔2分〕Vs2V B

0 ln Aq ni(2)EcEiqVB qVB EFEv① ② ③在上圖中，①為反型區(qū)，②為耗盡區(qū)，③為中性區(qū)〔3分〕4、用n4、用nMOS二極管。n-SiWsWAL4.20eVA=1.6×10-7m2150℃下，進(jìn)B-TV1〕和〔2。 8.851012F/m, 3.9 〔10〕0 r求〔1〕氧化物O2層的厚度； 〔2分〕在Si-SiO2界面處的正電荷密度； 〔4分〕SiO2中的可移動離子的面密度。 〔4分〕C(pF)C(pF)C022(2)(1)Cmin8.16-17 -9.8 0 V(V)G〔1〕VGC0=Ci=22pF,Cmin=8.16pF所以，SiO2的厚度為：A

1.61078.8510123.9m7m

nm 〔2分〕d 0r0 C0

2.510 221012

)250⑵由于金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的差異，而引起半導(dǎo)體中的電子的電勢能相對于金屬提高的數(shù)值為：

qVms=Ws-WAl，則因此引起的平帶電壓：VW WV”V