《上海交通大學半導體物理與器件基礎考研模擬五套卷與答案解析》-3.22

版權所有翻印必究目錄Ⅰ模擬五套卷 4上海交通大學2020年招收攻讀碩士學位研究生入學考試模擬試卷一 4上海交通大學2020年招收攻讀碩士學位研究生入學考試模擬試卷二 6上海交通大學2020年招收攻讀碩士學位研究生入學考試模擬試卷三 8上海交通大學2020年招收攻讀碩士學位研究生入學考試模擬試卷四 10上海交通大學2020年招收攻讀碩士學位研究生入學考試模擬試卷五 12Ⅱ答案解析與思路點撥 14模擬卷一答案解析與思路點撥 14模擬卷二答案解析與思路點撥 25模擬卷三答案解析與思路點撥 37模擬卷四答案解析與思路點撥 47模擬卷五答案解析與思路點撥 57

Ⅰ模擬五套卷上海交通大學2020年招收攻讀碩士學位研究生入學考試模擬試卷一試題序號：874試題名稱：半導體物理與器件基礎（答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙的一律不給分）一、簡答題（每題10分）1.半導體中電子的有效質量有哪些特性？引入有效質量的意義是什么？GaAs中導帶最低能谷電子的有效質量為m*n1，次低能谷中電子的有效質量為m*n2，它們倆誰大？為什么？2.在實際應用中的半導體材料中，總會存在一定的雜質和缺陷。這些不同的雜質元素會在半導體中產生淺能級或深能級，而我們將這些能級相對應的雜質稱為淺能級雜質或深能級雜質，它們對半導體有著不同的影響。那么，請簡述深能級雜質與淺能級雜質的區(qū)別。3.利用整流特性形成的肖特基二極管與PN結具有相同的單向導電性，但又具有顯著區(qū)別于PN結的特點。請簡述PN結與肖特基二極管的不同，并回答在VLSI中用哪個，為什么？4.分析雙極晶體管的共基極電流增益的基本組成，并就不同的部分說明其含義和定義。二、計算題（共50分）1.（10分）晶格常數(shù)為0.25nm的一維晶格，當外加102V/m，107V/m的電場時，試分別計算電子自能帶底運動到能帶頂所需的時間。2.（15分）摻磷的n型硅，已知磷的電離能為0.044eV，求室溫下雜質一般電離時費米能級的位置和磷的濃度。3.（15分）設處于熱平衡狀態(tài)的非均勻N型半導體，其施主雜質濃度隨橫軸X增加而下降，證明愛因斯坦關系式：4.（10分）試計算本征Si在室溫時的電導率，設電子和空穴遷移率分別為1350cm2/V·S和500cm2/V·S。當摻入百萬分之一的As后，設雜質全部電離，試計算其電導率。比本征Si的電導率增大了多少倍？三、計算題（每題15分）1.某硅突變結的QUOTENA=1×cm?3，QUOTEND=5×cm?3QUOTEND=5×cm?3QUOTEND=5×cm?3QUOTEND=5×cm?3，試計算平衡狀態(tài)下的：（1）內建電勢QUOTEVbi；能否用電壓表直接測量PN結的內建電勢Vbi？如果不能，試解釋其原因；（2）P區(qū)耗盡區(qū)寬度QUOTExp,N區(qū)耗盡區(qū)寬度QUOTExn及總的耗盡區(qū)寬度；（3）最大電場強度QUOTEEmax；2.若鍺中雜質電離能△ED＝0.01eV，施主雜質濃度分別為ND＝1014cm-3及1017cm-3，計算（1）99%電離，（2）90%電離，（3）50%電離時溫度各為多少？3如圖所示為MOS結構的C-V曲線的一部分，已給出，（1）判斷半導體的類型；（2）求氧化層的厚度；（3）求強反型層，耗盡層的寬度；4.已知突變結兩邊雜質濃度為NA=1016cm-3,ND=1020cm-3，（1）求勢壘高度。（2）求勢壘寬度。（3）畫出圖。

上海交通大學2020年招收攻讀碩士學位研究生入學考試模擬試卷二試題序號：874試題名稱：半導體物理與器件基礎（答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙的一律不給分）一、簡答題（每題10分）1.常見的半導體材料Si和Ge，GaAs的能帶圖如下，（1）試判斷這其中的直接帶隙半導體和間接帶隙半導體，并說明判斷依據(jù)。（2）對于GaAs來說，其最低能谷比價帶頂部高出0.29eV的地方也有一個極小值，由于這個能谷的存在使得GaAs與Si和Ge不同的電學特性，試簡單簡述其中原理。2.請分別寫出n型半導體和本征半導體在低溫弱電離區(qū)，強電離區(qū)，過渡區(qū)，本征激發(fā)區(qū)的電中性方程。3.電阻率是衡量半導體導電性的重要指標，其深受溫度的影響。請簡述純半導體與雜質半導體的電阻率與溫度的關系，并繪制關系曲線圖。4.解釋MIS結構的Q-V特性，并繪制特性曲線圖。二、計算題（共50分）1.（15分）摻施主雜質的ND＝1015cm-3n型硅，由于光的照射產生了非平衡載流子Δn＝Δp＝1014cm-3。試計算這種情況下準費米能級的位置，并和原來的費米能級做比較。2.（10分）鋁柵P溝道MOSFET具有以下參數(shù)：。試計算其閾電壓；并計算出當時的飽和漏極電流。3.（10分）已知某硅PN結當外加0.3V正向電壓時的擴散電容為35pF，試計算當外加0.4V正向電壓時的擴散電容。4.（15分）一塊電阻率為3Ω·cm的n型硅樣品，空穴壽命，再其平面形的表面處有穩(wěn)定的空穴注入，過剩空穴濃度，計算從這個表面擴散進入半導體內部的空穴電流密度，以及在離表面多遠處過?？昭舛鹊扔?012cm-3？三、計算題（每題15分）1.設晶格常數(shù)為a的一維晶格，導帶極小值附近能量Ec（k）和價帶極大值附近能Ev（k）分別為：m0為電子慣性質量，。試求：①禁帶寬度；②導帶底電子有效質量；③價帶頂電子有效質量；2.光照N型半導體，光被均勻吸收，光生非平衡空穴的產生率為gP=5*1019,壽命為=1us。（1）光照開始后，非平衡空穴在半導體中隨時間的變化規(guī)律。（2）穩(wěn)定時，非平衡空穴的濃度。（3）畫出該半導體在光照前后（小注入）前后的能帶圖，并標出原來的費米能級和光照時的準費米能級。3.一個均勻摻雜的NPN型硅雙極晶體管工作于正向有源區(qū)。B-C結加反偏電壓3V?；鶇^(qū)寬度為1.10um。晶體管摻雜濃度為。（1）T=300K時，B-E結電壓為何值時，x=0處的少子濃度是多子空穴濃度的10%？（2）在該偏置下，確定x`=0處少子空穴濃度。（3）計算中性基區(qū)寬度。4.設電子遷移率為，Si的電導有效質量，加以強度為104V/m的電場，（1）試求平均自由時間；（2）試求平均自由程；（3）試證明Si的電導有效質量滿足。

上海交通大學2020年招收攻讀碩士學位研究生入學考試模擬試卷三試題序號：874試題名稱：半導體物理與器件基礎（答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙的一律不給分）一、簡答題（每題10分）1.解釋理想PN結，理想MIS結構。2.解釋有效質量的定義，并指出引入有效質量的意義及其性質。3.何為擴散電容，何為勢壘電容？為什么在正向偏壓下以擴散電容為主，在反向偏壓下以勢壘電容為主？4.在雙極晶體管中集電極電流和共射電流增益隨外偏置電壓的變化曲線是怎么樣的？二、計算題（共50分）1.（10分）n型硅中，摻雜濃度ND＝1016cm-3，光注入的非平衡載流子濃度Δn＝Δp＝1014cm-3。計算無光照和有光照時的電導率。2.（10分）請簡要說明半導體材料的光電與發(fā)光效應的基本機理，計算硅半導體材料的本征吸收長波限。3.（15分）試推導出均勻基區(qū)晶體管的厄爾利電壓和共發(fā)射極增量輸出電阻的表達式。4.（15分）計算含有施主雜質濃度ND＝9×1015cm-3及受主雜質濃度為1.1×1016cm-3的硅在300k時的電子和空穴濃度以及費米能級的位置。三、計算題（每題15分）1.（1）什么是半導體k空間中量子態(tài)的分布？給出k的允許值。（2）計入電子自旋，給出k空間的電子的允許量子態(tài)密度。（3）計算含有施主雜質濃度ND＝9×1015cm-3及受主雜質濃度為1.1×1016cm-3的硅在300k時的電子和空穴濃度以及費米能級的位置。2.一個均勻摻雜的PNP型硅雙極型晶體管工作于正向有源區(qū)。中性基區(qū)寬度為。摻雜濃度為。（1）計算。（2）時，計算X=0處的nB和X`=0處的PE。（3）畫出器件中少子濃度的分布圖。3.制造晶體管時一般是在高雜質濃度的N型襯底上外延一層N型外延層，再在外延層中擴散硼，磷而成的。（1）設N型硅單晶襯底是摻銻的，銻的電離能為0.039ev，300K時的費米能級位于導帶底下面0.026ev處，計算銻的濃度和導帶中電子濃度。（2）設N型外延層雜質均勻分布，雜質濃度為4.6*1015cm-3，計算300K時費米能級的位置及電子和空穴濃度。（3）在外延層中擴散硼后，硼的濃度分布隨樣品深度變化。設擴散層某一深度處硼濃度為5.2*1015cm-3，計算300K時費米能級的位置及電子和空穴濃度。4.若鍺中雜質電離能△ED＝0.01eV，施主雜質濃度分別為ND＝1014cm-3及1017cm-3，計算（1）99%電離，（2）90%電離，（3）50%電離時溫度各為多少？

上海交通大學2020年招收攻讀碩士學位研究生入學考試模擬試卷四試題序號：874試題名稱：半導體物理與器件基礎（答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙的一律不給分）一、簡答題（每題10分）1.繪制隧道效應的I-V特性曲線圖，并詳細解釋原點，2,4,5點處電流形成的原因。2.解釋亞閾值電導的特性和特點。3.畫出直接復合與間接復合的能帶圖。4.寫出熱平衡狀態(tài)半導體的判別式，并解釋準費米能級的概念。二、計算題（共50分）1.（10分）試計算電阻率為1Ω.cm的N型硅的費米能級相對于導帶底EC的位置。假定硅的電子遷移率為1450cm2V-1s-1，本征載流子濃度為1.5×1010cm-3，禁帶寬度為1.1eV，溫度為300K。2.（15分）一個均勻基區(qū)的n-p-n硅晶體管的基區(qū)雜質濃度為8*1016/cm3，發(fā)射區(qū)摻雜濃度為3*1016/cm3，空穴在發(fā)射區(qū)的壽命為10-7s，基區(qū)寬度為0.6μm，空穴的遷移率為500cm2/V?S，電子的遷移率為1500cm2/V?S.假定晶體管的基區(qū)輸運因子都等于1，請計算共發(fā)射極電流放大系數(shù)。3.（15分）試證明突變結的耗盡區(qū)寬度與摻雜濃度之間有如下關系:x4.（10分）摻有1.1×1016cm-3硼原子和9×1015cm-3磷原子的Si樣品，試計算室溫時多數(shù)載流子和少數(shù)載流子濃度及樣品的電阻率。三、計算題（每題15分）1.（1）在室溫下，鍺的有效狀態(tài)密度Nc＝1.05×1019cm－3，Nv＝5.7×1018cm－3，試求鍺的載流子有效質量mn*和mp*。（2）計算77k時的Nc和Nv。已知300k時，Eg＝0.67eV。77k時Eg＝0.76eV。求這兩個溫度時鍺的本征載流子濃度。（3）77k，鍺的電子濃度為1017cm－3，假定濃度為零，而Ec－ED＝0.01eV,求鍺中施主濃度ND為多少？2.（1）試推導出雜質濃度為指數(shù)分布0exp（）的中性區(qū)的內建電場表達式。（2）若某具體有這種雜質濃度的硅的表面雜質濃度為1018cm-3，，試求其內建電場的大小。（3）再將此電場與某突變PN結的耗盡區(qū)中最大電場作比較，該突變PN結的。3.如圖所示為MOS結構的C-V曲線的一部分，已給出，（1）判斷半導體的類型；（2）求氧化層的厚度；（3）求強反型層，耗盡層的寬度；2622621064.已知突變結兩邊雜質濃度為NA=1016cm-3,ND=1020cm-3，（1）求勢壘高度。（2）求勢壘寬度。（3）畫出圖。

上海交通大學2020年招收攻讀碩士學位研究生入學考試模擬試卷五試題序號：874試題名稱：半導體物理與器件基礎（答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙的一律不給分）一、簡答題（每題10分）1.一熱平衡非簡并N型半導體，寫出少數(shù)載流子濃度求解表達式。為什么制造半導體器件一般都用含有適當雜質的半導體材料？2.簡述簡并半導體的定義，并寫出判斷條件。3.簡述N型硅的電子濃度與溫度的關系，并繪制曲線圖。4.簡述雙極晶體管的頻率響應以及截止頻率，并列舉幾種提高截止頻率的方法。二、計算題（共50分）1.（15分）制造晶體管一般是在高雜質濃度的n型襯底上外延一層n型的外延層，再在外延層中擴散硼、磷而成。設n型硅單晶襯底是摻銻的，銻的電離能為0.039eV，300k時的EF位于導帶底下面0.026eV處，計算銻的濃度和導帶中電子濃度。2.（10分）已知直流電流放大系數(shù)及是隨集電極電流變化的，試分析直流小信號電流放大系數(shù)與（）的關系，以及與（）的關系。3.（10分）一塊半導體材料的壽命是一塊半導體材料的壽命=10，光照在材料中會產生非平衡載流子，試求光照突然停止20后，其中非平衡載流子將衰減到原來的百分之幾？4.（15分）試推導出N溝道MOSFET飽和區(qū)跨導和通道電阻的溫度系數(shù)的表達式（運用數(shù)學公式推導，寫出詳細過程）。三、計算題（每題15分）1.某硅突變結的，，（1）試求、、、的值；（2）求當外加0.4V正向電壓和0.4V反向電壓時和的值；（3）簡述突變結與緩變結的區(qū)別。2.（1）試推導出雜質濃度為指數(shù)分布0exp（）的中性區(qū)的內建電場表達式。（2）若某具體有這種雜質濃度的硅的表面雜質濃度為1018cm-3，，試求其內建電場的大小。（3）再將此電場與某突變PN結的耗盡區(qū)中最大電場作比較，該突變PN結的。3.（1）請對發(fā)射極電流集邊效應進行簡要概述。（2）請?zhí)岢隹梢圆捎煤畏N方法來減少發(fā)射極電流集邊效應。（3）請計算當基區(qū)橫向壓降（發(fā)射區(qū)中心至橫向y處）減少到室溫時，橫向電流密度與中心處電流密度之比為。4.N溝道MOSFET的參數(shù)如下，（1）求當為0.3V時，漏源電流的大小。（2）求該電壓下的跨導。（3）求為2.5V時，漏源電流的大小。

Ⅱ答案解析與思路點撥模擬卷一答案解析與思路點撥試題序號：874試題名稱：半導體物理與器件基礎（答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙的一律不給分）一、簡答題（每題10分）1.半導體中電子的有效質量有哪些特性？引入有效質量的意義是什么？GaAs中導帶最低能谷電子的有效質量為m*n1，次低能谷中電子的有效質量為m*n2，它們倆誰大？為什么？【考查重點】：這是《半導體物理學》第一章第三節(jié)的考點，考查有效質量的表達式，意義等相關知識點，是?？键c，也是必會點?！敬鸢附馕觥浚海?）特性：有效質量有正有負，位于能帶底部附近的電子有效質量為正，位于能帶頂部附近的電子有效質量為負。此外，有效質量還與成反比，對于寬窄不同的能帶，有效質量的大小也不同。能帶越窄，有效質量越大，內層電子的能帶窄，有效質量大；外層電子的能帶寬，有效質量小。（2）意義：概括了半導體內部勢場的作用，使得在解決半導體在外力作用下的運動規(guī)律時，可以不涉及半導體內部勢場的作用。（3）因為有效質量的計算公式為：，而砷化鎵中的最低能谷和次低能谷中的能帶的曲率不同。因此，這兩個能谷中的電子的有效質量也不同。由于能谷2的曲率比能谷1的小，所以，能谷2中的電子有效質量大于能谷1中電子有效質量。正是這兩個能谷間的不同以及散射，使得砷化鎵更適合充當發(fā)光材料。2.在實際應用中的半導體材料中，總會存在一定的雜質和缺陷。這些不同的雜質元素會在半導體中產生淺能級或深能級，而我們將這些能級相對應的雜質稱為淺能級雜質或深能級雜質，它們對半導體有著不同的影響。那么，請簡述深能級雜質與淺能級雜質的區(qū)別?！究疾橹攸c】：這是《半導體物理學》第二章第一節(jié)的考點，考查深，淺能級雜質的不同，是考生容易忽視的知識點?！敬鸢附馕觥浚海?）所構成的施主或受主能級的位置不同。(2)深能級雜質可以進行多次電離，產生若干個能級。(3)部分深能級雜質即可以引入施主能級又可以引入受主能級。(4)對半導體的導電電子濃度（或空穴濃度）和導電類型來說，淺能級雜質的影響較為顯著。而對載流子的復合作用來說+，深能級雜質的影響較為顯著，且被稱為“復合中心”，有縮短非平衡載流子壽命的作用。3.利用整流特性形成的肖特基二極管與PN結具有相同的單向導電性，但又具有顯著區(qū)別于PN結的特點。請簡述PN結與肖特基二極管的不同，并回答在VLSI中用哪個，為什么？【考查重點】：這是《半導體物理學》第七章第二節(jié)的考點，考查PN結，肖特基二極管的相關知識，是重點，也是?？键c。【答案解析】：（1）肖特基二極管與PN結二極管的不同點：a.肖特基二極管為多數(shù)載流子器件，PN結二極管為少數(shù)載流子器件。當PN結處于正向導通時，由P區(qū)注入N區(qū)的空穴或由N區(qū)注入P區(qū)的電子，都是少數(shù)載流子，它們先形成一定的積累，即發(fā)生電荷存儲效應，然后靠擴散運動形成電流。而且電荷存儲效應嚴重地影響了PN結的高頻特性。而肖特基二極管的正向電流，主要是由半導體中的多數(shù)載流子進入金屬形成的。并且在此過程中，多子不發(fā)生積累，而是直接成為漂移電流而流走。因此，肖特基二極管比PN結二極管有更好的高頻特性。b.對于相同的勢壘高度，肖特基二極管的或要比PN結的反向飽和電流大很多。換言之，對于同樣的使用電流，肖特基二極管將有較低的正向導通電壓。（2）在VLSI中常常將肖特基二極管連接到晶體管的基極與集電極之間，從而組成鉗位晶體管，正是因為肖特基二極管無電荷存儲效應，因此可大大提高電路的速度。4.分析雙極晶體管的共基極電流增益的基本組成，并就不同的部分說明其含義和定義?！究疾橹攸c】：這是微電子器件中的考點，考查雙極晶體管增益的相關知識，是常考點，也是重點。【答案解析】：共基極電流增益,其中，a)為發(fā)射極注入效率系數(shù)，，其描述了載流子從基區(qū)向發(fā)射區(qū)的注入，考慮了B-E結正偏時產生的空穴擴散電流。b)為基區(qū)運輸系數(shù)，，其體現(xiàn)了B區(qū)載流子的復合，考慮了基區(qū)中過剩少子電子的復合對增益的影響。c)為復合系數(shù)，，它考慮了正偏B-E結產生的復合電流。二、計算題（共50分）1.（10分）晶格常數(shù)為0.25nm的一維晶格，當外加102V/m，107V/m的電場時，試分別計算電子自能帶底運動到能帶頂所需的時間?！究疾橹攸c】這是半導體物理第一章關于在外加電場下半導體中電子運動規(guī)律的考點，比較基礎?！敬鸢附馕觥?.（15分）摻磷的n型硅，已知磷的電離能為0.044eV，求室溫下雜質一般電離時費米能級的位置和磷的濃度?！究疾橹攸c】這是半導體物理第三章半導體中的電子狀態(tài)部分的考點，重點考查費米能級和雜質濃度的計算，比較基礎?！敬鸢附馕觥縩型硅，△ED＝0.044eV，依題意得：∴∴∴∵∴3.（15分）設處于熱平衡狀態(tài)的非均勻N型半導體，其施主雜質濃度隨橫軸X增加而下降，證明愛因斯坦關系式：【考查重點】這是半導體物理第五章中關于愛因斯坦關系的考查，愛因斯坦關系在多年考題中都有所出現(xiàn)，請重點注意。【答案解析】設處于熱平衡狀態(tài)的非均勻N型半導體，其施主雜質濃度隨橫軸X增加而下降，電子擴散密度為：電子的漂移電流濃度為：平衡時總電流密度等于零：得：，在非簡并時，電子濃度為：，解得：4.（10分）試計算本征Si在室溫時的電導率，設電子和空穴遷移率分別為1350cm2/V·S和500cm2/V·S。當摻入百萬分之一的As后，設雜質全部電離，試計算其電導率。比本征Si的電導率增大了多少倍？【考查重點】這是半導體物理中第四章非平衡載流子的考點，考查電導率的變化，望考生注意計算?！敬鸢附馕觥縏=300K,，μn＝1350cm2/V·S，μp＝500cm2/V·S摻入As濃度為ND＝5.00×1022×10-6＝5.00×1016cm-3雜質全部電離，，查P89頁，圖4－14可查此時μn＝900cm2/V·S三、計算題（每題15分）1.某硅突變結的QUOTENA=1×1016cm-3，QUOTEND=5×1016cm-3QUOTEND=5×1016cm-3（1）內建電勢QUOTEVbi；能否用電壓表直接測量PN結的內建電勢Vbi？如果不能，試解釋其原因；（2）P區(qū)耗盡區(qū)寬度QUOTExp,N區(qū)耗盡區(qū)寬度QUOTExn及總的耗盡區(qū)寬度；（3）最大電場強度QUOTEEmax；【考查重點】這是微電子器件中PN結部分的考點，重點考查PN結的內建電勢，電場強度以及耗盡區(qū)寬度?！敬鸢附馕觥浚?）內建電勢QUOTEVbi=k0T不能。如圖1，當P型半導體與N型半導體結合形成PN結時，多數(shù)載流子擴散，在接觸界面處形成空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)中的電荷產生了從N區(qū)指向P區(qū)的電場，即內建電場。在內建電場下，載流子做漂移運動。當擴散等于漂移時，空間電荷區(qū)不再變化，形成熱平衡狀態(tài)下的PN結。圖1平衡狀態(tài)下的PN結的能帶圖如圖2所示，圖2從能帶圖可以看出P區(qū)和N區(qū)的費米能級相等，即在平衡狀態(tài)下，擴散電子（空穴）濃度等于漂移電子（空穴）濃度，PN結中無凈電子流動，熱平衡PN結對外不能輸出電壓或者電流，因此無法用電壓表測量PN結的內建電勢Vbi。（2）QUOTEEmax=2qN0QUOTExp=ε0εr（3）可以由（2）得到，QUOTEEmax=4.34×104V?2.若鍺中雜質電離能△ED＝0.01eV，施主雜質濃度分別為ND＝1014cm-3及1017cm-3，計算（1）99%電離，（2）90%電離，（3）50%電離時溫度各為多少？【考查重點】這是半導體物理第三章半導體中載流子的統(tǒng)計分布的考點，重點考查半導體中不同溫度下的雜質電離程度?！敬鸢附馕觥课措婋x雜質占的百分比為：；求得：；∴（1）ND=1014cm-3，99%電離，即D_=1-99%=0.01即：將ND=1017cm-3，D_=0.01代入得：即：（2）90%時，D_=0.1即：ND=1017cm-3得：即：；（3）50％電離不能再用上式∵即：∴即：取對數(shù)后得：整理得下式：∴即：當ND＝1014cm-3時，得當ND＝1017cm-3時此對數(shù)方程可用圖解法或迭代法解出。3.如圖所示為MOS結構的C-V曲線的一部分，已給出，（1）判斷半導體的類型；（2）求氧化層的厚度；（3）求強反型層，耗盡層的寬度；【考查重點】：這是《半導體物理學》第八章第三節(jié)的考點，考查MIS結構的C-V特性，是難點，也是?？键c。【答案解析】：（1）根據(jù)該MOS結構的C-V曲線可看出半導體為P型。（2）且，其中的C0為絕緣層電容。當MOS結構處于堆積狀態(tài)時C=C0，存在（3）由題中圖可知，該MOS結構的強反型狀態(tài)發(fā)生在高頻電壓下，所以，此時的電容滿足：因為強反型時，耗盡型的Xd達到最大值Xdmin,4.已知突變結兩邊雜質濃度為NA=1016cm-3,ND=1020cm-3，（1）求勢壘高度。（2）求勢壘寬度。（3）畫出圖。【考查重點】：這是《半導體物理學》第六章第三的考點，考查PN結的相關計算，是難點，也是常考點?！敬鸢附馕觥浚海?）（2）（3）由泊松方程：解得：

模擬卷二答案解析與思路點撥試題序號：874試題名稱：半導體物理與器件基礎（答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙的一律不給分）一、簡答題（每題10分）1.常見的半導體材料Si和Ge，GaAs的能帶圖如下，（1）試判斷這其中的直接帶隙半導體和間接帶隙半導體，并說明判斷依據(jù)。（2）對于GaAs來說，其最低能谷比價帶頂部高出0.29eV的地方也有一個極小值，由于這個能谷的存在使得GaAs與Si和Ge不同的電學特性，試簡單簡述其中原理?！究疾橹攸c】：這是《半導體物理學》第一章第六，七節(jié)的考點，考查如何判斷直接帶隙與間接帶隙半導體，以及砷化鎵的負阻特性，是重點，也是?？键c?！敬鸢附馕觥浚海?）導帶底與價帶頂處于K空間相同點的半導體通常被稱為直接帶隙半導體，導帶底與價帶頂處于不同點的半導體通常稱為間接帶隙半導體。根據(jù)題目中的能帶圖可以看出，GaAs的導帶底與價帶頂處于K空間的相同點，因此，GaAs為直接帶隙半導體，Si和Ge為間接帶隙半導體。（2）在砷化鎵能帶結構中，除了在K=[0,0,0]方向上存在一個導帶極小值外，在K=[1,1,1]方向上還存在一個比極小值能谷1高0.29eV的次能谷2，也稱之為衛(wèi)星能谷。由于能谷2的曲率比能谷1小，所以，處于能谷2內的電子有效質量m*大于處于能谷1內電子的有效質量。當外加電場達到3*103V/cm后，能谷1的電子可從電場中獲得足夠的能量而開始轉移到能谷2中，發(fā)生能谷間的散射。由于這兩個能谷不完全相同，所以，進入能谷2的電子有效質量大為增加，遷移率大大減小，平均漂移速度減小，電導率也減小，從而產生負阻效應。由于負阻效應的存在，使得砷化鎵具有不同的電學特性，更適合做發(fā)光材料。2.請分別寫出n型半導體和本征半導體在低溫弱電離區(qū)，強電離區(qū)，過渡區(qū)，本征激發(fā)區(qū)的電中性方程?！究疾橹攸c】：這是《半導體物理學》第三章第四節(jié)的考點，考查本征半導體和雜質半導體在不同溫度范圍下載流子濃度所遵循的電中性方程，是難點，也是?？键c?！敬鸢附馕觥浚海?）本征半導體的電中性方程始終滿足：（2）當在N型半導體中摻入施主雜質時，電中性方程為，右式為價帶中的空穴濃度與電離施主濃度之和。在不同的溫度范圍內，電中性方程不同，①低溫弱電離區(qū)：；②強電離區(qū)：；③飽和區(qū)：；④過渡區(qū)：；⑤本征激發(fā)區(qū)：。3.電阻率是衡量半導體導電性的重要指標，其深受溫度的影響。請簡述純半導體與雜質半導體的電阻率與溫度的關系，并繪制關系曲線圖?！究疾橹攸c】：這是《半導體物理學》第三章第四節(jié)的考點，考查本征半導體和雜質半導體在不同溫度范圍下載流子濃度所遵循的電中性方程，是難點，也是常考點?！敬鸢附馕觥浚海?）對于純半導體來說，電阻率主要由本征載流子濃度決定。由于純半導體內部的載流子全部由本征激發(fā)產生，隨溫度上升而急劇增加，因此其電阻率隨溫度增加而單調下降。（2）對于雜質半導體來說，其內部既有雜質電離，本征激發(fā)，還存在電離雜質散射和晶格散射，因而電阻率與溫度的關系較為復雜?？衫L制關系曲線圖如下：AB段中：此時溫度較低，本征激發(fā)可以忽略，載流子主要由雜質電離產生，它隨溫度的升高而增加；散射主要由電離雜質決定，遷移率隨溫度升高而增大，因此，電阻率隨溫度的升高而下降。BC段中：溫度繼續(xù)升高，雜質已全部電離，本征激發(fā)還不十分顯著載流子基本不隨溫度的升高而變化，晶格振動散射占主導，遷移率隨溫度的升高而降低，因此，電阻率隨溫度的升高而增大。C段中：溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)開始占主導，載流子主要由本征激發(fā)產生，其濃度隨溫度的升高而急劇增大，因此，同本征半導體一樣，該階段雜質半導體的電阻率隨溫度的升高而下降。4.解釋MIS結構的Q-V特性，并繪制特性曲線圖?！究疾橹攸c】本題考查考生對理想MIS結構Q-V特性的掌握，這是《半導體物理學》第八章中的考點，考查頻率頻繁，考生應該加以重點掌握?！敬鸢附馕觥浚?）多數(shù)載流子的堆積狀態(tài)當外加電壓時，表面勢，值較大時，,即。這時MIS的電容不隨電壓變化。這是因為從半導體內部到表面可以看成是導通的，電荷聚集在絕緣層兩邊，所以MIS結構電容也就等于絕緣層的電容。隨著外加電壓減小，當值較小時，表面勢值也較小，隨的減小而減小。（2）平帶狀態(tài)當外加電壓=0時，表面勢，表面處能帶不發(fā)生彎曲，稱為平帶狀態(tài)。（3）耗盡狀態(tài)當外加電壓為負,但是其絕對值大小還不足以使得表面處禁帶中央能量彎曲到費米能級以下時，表面不會出現(xiàn)反型，空間電荷區(qū)處于空耗盡的狀態(tài)。隨的增加而減小。這是由于耗盡狀態(tài)時，表面空間電荷厚度隨偏壓增大而增大，越大，則越小，也隨之越小。（4）反型狀態(tài)隨著外加負電壓的增大，表面處禁帶中央能值可以下降到以下，即出現(xiàn)反型層。當時，出現(xiàn)強反型狀態(tài)，。這是因為強反型出現(xiàn)后，大量電子聚集在半導體表面處，絕緣層兩邊堆積著電荷，如同只有絕緣層電容一樣。但這只適合信號頻率較低的情況。當信號頻率較高時，反型層中電子的產生與復合將跟不上高頻信號的變化，也即反型層中電子的數(shù)量不能隨高頻信號而變。因此，在高頻信號時，反型層中電子對電容沒有貢獻，這時空間電荷區(qū)的電容仍由耗盡層的電荷變化決定。由于反型層出現(xiàn)時耗盡層寬度到達最大值，不隨偏壓變化，耗盡區(qū)貢獻的電容將達極小值并保持不變，也將保持在最小值并且不隨不變。二、計算題（共50分）1.（15分）摻施主雜質的ND＝1015cm-3n型硅，由于光的照射產生了非平衡載流子Δn＝Δp＝1014cm-3。試計算這種情況下準費米能級的位置，并和原來的費米能級做比較?！究疾橹攸c】這是半導體物理第五章非平衡載流子部分的考點，重點考查由外界刺激產生的非平衡載流子對準費米能級的影響，并且與原先的進行對比?！敬鸢附馕觥縩-Si，ND＝1015cm-3，Δn＝Δp＝1014cm-3，光照后的半導體處于非平衡狀態(tài)： 室溫下，EgSi＝1.12eV；比較：由于光照的影響，非平衡多子的準費米能級與原來的費米能級相比較偏離不多，而非平衡勺子的費米能級與原來的費米能級相比較偏離很大。2.（10分）鋁柵P溝道MOSFET具有以下參數(shù)：。試計算其閾電壓；并計算出當時的飽和漏極電流?！究疾橹攸c】這是微電子器件絕緣柵場效應晶體管的考點，重點考查MOSFET的電流電壓特性以及閾值電壓和飽和漏極電流的計算，考生一定要會計算這兩個參數(shù)。【答案解析】3.（10分）已知某硅PN結當外加0.3V正向電壓時的擴散電容為35pF，試計算當外加0.4V正向電壓時的擴散電容。【考查重點】這是微電子器件PN結的考點，考查擴散電容的計算，考生一定要熟練掌握?！敬鸢附馕觥縏=300K時則當V01=0.3V時，CD1=35pF，設V02=0.4時，擴散電容為CD2則：QUOTECD1CD2代入數(shù)據(jù)求得：QUOTECD2=CD14.（15分）一塊電阻率為3Ω·cm的n型硅樣品，空穴壽命，再其平面形的表面處有穩(wěn)定的空穴注入，過剩空穴濃度，計算從這個表面擴散進入半導體內部的空穴電流密度，以及在離表面多遠處過?？昭舛鹊扔?012cm-3？【考查重點】這是半導體物理第四章半導體的導電性的考點，重點考查半導體的電阻率的計算，考生需熟練掌握?！敬鸢附馕觥?；，：由可得：，又查圖可得：由愛因斯坦關系式可得：所求而三、計算題（每題15分）1.設晶格常數(shù)為a的一維晶格，導帶極小值附近能量Ec（k）和價帶極大值附近能Ev（k）分別為：m0為電子慣性質量，。試求：①禁帶寬度；②導帶底電子有效質量；③價帶頂電子有效質量；【考查重點】 這是半導體物理第一章半導體中的電子狀態(tài)部分的考點，重點考查禁帶寬度和有效質量的計算，比較基礎?！敬鸢附馕觥浚?）禁帶寬度Eg根據(jù)；可求出對應導帶能量極小值Emin的k值：由題中EC式可得：；由題中EV式可看出，對應價帶能量極大值Emax的k值為：kmax＝0；并且；∴（2）導帶底電子有效質量mn∴（3）價帶頂電子有效質量m’∴2.光照N型半導體，光被均勻吸收，光生非平衡空穴的產生率為gP=5*1019,壽命為=1us。（1）光照開始后，非平衡空穴在半導體中隨時間的變化規(guī)律。（2）穩(wěn)定時，非平衡空穴的濃度。（3）畫出該半導體在光照前后（小注入）前后的能帶圖，并標出原來的費米能級和光照時的準費米能級?！究疾橹攸c】：這是《半導體物理學》第五章第二，八節(jié)的考點，考查非平衡載流子的注入與復合，連續(xù)性方程在不同條件下的求解，屬于難點，也是常考點。【答案解析】：（1）因為光被均勻吸收，即均勻產生非平衡載流子，（2）當為穩(wěn)定狀態(tài)時，可以得到，（3）3.一個均勻摻雜的NPN型硅雙極晶體管工作于正向有源區(qū)。B-C結加反偏電壓3V?；鶇^(qū)寬度為1.10um。晶體管摻雜濃度為。（1）T=300K時，B-E結電壓為何值時，x=0處的少子濃度是多子空穴濃度的10%？（2）在該偏置下，確定x`=0處少子空穴濃度。（3）計算中性基區(qū)寬度?！究疾橹攸c】這是考查微電子器件中雙極晶體管中少子分布的計算，考生要熟記公式，是考查的重點?！敬鸢附馕觥浚?）在X=0處，因為我們想要x=0處的少子濃度是多子空穴濃度的10%，即所以，（2）在X`=0處，所以，（3）4.設電子遷移率為，Si的電導有效質量，加以強度為104V/m的電場，（1）試求平均自由時間；（2）試求平均自由程；（3）試證明Si的電導有效質量滿足?！究疾橹攸c】：這是《半導體物理學》第四章第三節(jié)的考點，考查本征半導體載流子平均自由時間，自由程以及電導有效質量的表達式，是重點?！敬鸢附馕觥浚海?）由公式可知，（2）平均漂移速度為：平均自由程為：（3）因為硅能帶中有6個橢球面，橢球長軸方向沿<100>，有效質量分別為和。如取軸分別為[100],[010],[001]方向，則不同極值的能谷中的電子沿不同坐標軸的遷移率不同。設，電場強度為Ex沿x方向，則[100]能谷中的電子沿x軸方向的遷移率為，其余能谷中的電子沿x軸方向的遷移率為。設電子濃度為n，則每個能谷單位體積中有個電子，電流密度應該為6個能谷中電子對電流貢獻的總和，即（1）仍令與式（1）相比，可得其中，為電導遷移率，如將寫成如下形式：將表達式代入，可得，

模擬卷三答案解析與思路點撥試題序號：874試題名稱：半導體物理與器件基礎（答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙的一律不給分）一、簡答題（每小題10分）1.解釋理想PN結，理想MIS結構【考查重點】：這是《半導體物理學》第六章第二節(jié)，第八章第二節(jié)的考點，考查理想PN結以及MIS結構的定義，是?？键c。【答案解析】：（1）理想PN結：1.小注入條件，即注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多。2.突變耗盡層條件，即外加電壓和接觸電勢差都將落在耗盡層上，耗盡層中的電荷是由電離施主和電離受主的電荷組成，耗盡層外的半導體是電中性的。因此，注入的少數(shù)載流子在P區(qū)和N區(qū)是純擴散運動。3.通過耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產生及復合作用。4.玻爾茲曼邊界條件，即在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻爾茲曼統(tǒng)計分布。（2）理想MIS結構：1.金屬與半導體間的功函數(shù)差為零。2.在絕緣層中沒有任何電荷且絕緣層完全不導電。3.絕緣層與半導體界面處不存在任何界面態(tài)。2.解釋有效質量的定義，并指出引入有效質量的意義及其性質。【考查重點】：這是《半導體物理學》第一章第三節(jié)的考點，考查有效質量的相關知識，是?？键c?！敬鸢附馕觥浚海?）定義：粒子在晶體中運動時具有的等效質量。（2）意義：有效質量概括了半導體內部勢場的作用，使得在解決半導體在外力作用下的運動規(guī)律時，可以不涉及半導體內部勢場的作用。（3）性質：有效質量有正有負，位于能帶底部附近的電子有效質量為正，位于能帶頂部附近的電子有效質量為負。此外，有效質量還與成反比，對于寬窄不同的能帶，有效質量的大小也不同。能帶越窄，有效質量越大，內層電子的能帶窄，有效質量大；外層電子的能帶寬，有效質量小。3.何為擴散電容，何為勢壘電容？為什么在正向偏壓下以擴散電容為主，在反向偏壓下以勢壘電容為主？【考查重點】：這是《半導體物理學》第六章第三節(jié)的考點，考查pn結電容的相關知識，是常考點?！敬鸢附馕觥浚海?）當pn結上外加電壓發(fā)生變化時，引起電子和空穴在勢壘區(qū)發(fā)生“存入”與“取出”的作用，從而導致勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，將這種pn結效應稱為勢壘電容。（2）將擴散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓變化而變化所產生的電容效應，稱為pn結的擴散電容。（3）在反向偏壓下，由于少數(shù)載流子的數(shù)量較少，可忽略擴散電容，只有在大的正向偏壓下，才以擴散電容為主。4.在雙極晶體管中集電極電流和共射電流增益隨外偏置電壓的變化曲線是怎么樣的？【考查重點】：這是微電子器件中關于雙極晶體管非理想效應的考點，考查雙極晶體管的大注入效應，是重點，也是?？键c?！敬鸢附馕觥浚合聢D1為集電極電流隨外偏置電壓的變化曲線。當VBE較大時，由于大注入效應，使得,與小注入相比，基區(qū)中過剩少子濃度和集電極電流的增速均變慢。上圖2為共發(fā)射極電流增益隨集電極電流的變化曲線。當IC較小時，由于復合系數(shù)較小，而使得增益值較小。當隨著VBE的增大，IC也增大，但注入的少子濃度開始接近，甚至大于多子濃度，此時發(fā)生大注入效應。因為少子電子的濃度大于多子空穴的濃度，所以，為了保持電中性條件，多子空穴也相應增大。由于此時VBE很大，所以使得在正偏壓下，從基區(qū)過渡到發(fā)射區(qū)參加擴散的空穴數(shù)增多，即增大，共基極電流增益減小，共集電極電流增益也減小。二、計算題（共50分）1.（10分）n型硅中，摻雜濃度ND＝1016cm-3，光注入的非平衡載流子濃度Δn＝Δp＝1014cm-3。計算無光照和有光照時的電導率?！究疾橹攸c】：這是半導體物理第五章非平衡載流子部分的考點，重點考查在有光照和無光照條件下電導率的變化，考生應好好掌握?！敬鸢附馕觥縩-Si，ND＝1016cm-3，Δn＝Δp＝1014cm-3，可得到：：無光照：Δn＝Δp<<ND，為小注入：有光照：2.（10分）請簡要說明半導體材料的光電與發(fā)光效應的基本機理，計算硅半導體材料的本征吸收長波限。【考查重點】這是考查半導體熱，聲，光電效應部分的內容?！敬鸢附馕觥慨斠欢úㄩL的光照射到半導體時，晶體中的電子吸收足夠的能量，從價帶直接躍遷及從其他能級簡介躍遷到導帶上，成為非平衡載流子。這就是半導體光吸收的基本機理。當這些被激發(fā)的非平衡載流子從高能級向低能級直接或者間接躍遷回復較低的能狀態(tài)，從這個躍遷過程中電子將一發(fā)射光子的方式釋放出能量，該過程成為半導體發(fā)光的基本機理。硅半導體材料的本征吸收長波限，根據(jù)量子力學基本原理本征吸光子能量；；Eg=1.12eV3.（15分）試推導出均勻基區(qū)晶體管的厄爾利電壓和共發(fā)射極增量輸出電阻的表達式?！究疾橹攸c】這個題目重點考查均勻基區(qū)晶體管的厄爾利電壓的推導，注重內容的理解，考查概率很大，希望考生能重視?！敬鸢附馕觥慨敽雎曰鶇^(qū)中的少子復合及ICEO時，4.（15分）計算含有施主雜質濃度ND＝9×1015cm-3及受主雜質濃度為1.1×1016cm-3的硅在300k時的電子和空穴濃度以及費米能級的位置?！究疾橹攸c】這是半導體物理第三章半導體中載流子的統(tǒng)計分布的考點，重點考查半導體中電子和空穴濃度以及費米能級，考生需熟練掌握?！敬鸢附馕觥繉τ诠璨牧希篘D=9×1015cm-3；NA＝1.1×1016cm-3；T＝300k時ni=1.5×1010cm-3：；∵且∴∴三、計算題（每題15分）1.（1）什么是半導體k空間中量子態(tài)的分布？給出k的允許值。（2）計入電子自旋，給出k空間的電子的允許量子態(tài)密度。（3）計算含有施主雜質濃度ND＝9×1015cm-3及受主雜質濃度為1.1×1016cm-3的硅在300k時的電子和空穴濃度以及費米能級的位置?！究疾橹攸c】這是半導體物理第三章半導體中載流子的統(tǒng)計分布的知識點，重點考查對于k空間量子態(tài)分布的掌握，屬于出題頻率較低的知識點，考生容易忽略，同時考查電子和空穴濃度和費米能級的知識?！敬鸢附馕觥浚?）半導體中的電子的允許能量狀態(tài)（即能級）用波矢k標志，但是電子的波矢k不能取任意的數(shù)值，而是受到一定條件的限制。K的允許值為：式中，nx,ny,nz為整數(shù)，L是半導體晶體的線度。（2）計入電子自旋相反方向的兩個量子態(tài)，其電子允許的量子態(tài)密度為2V。（3）對于硅材料：ND=9×1015cm-3；NA＝1.1×1016cm-3；T＝300k時ni=1.5×1010cm-3：；∵且∴∴2.一個均勻摻雜的PNP型硅雙極型晶體管工作于正向有源區(qū)。中性基區(qū)寬度為。摻雜濃度為。（1）計算。（2）時，計算X=0處的nB和X`=0處的PE。（3）畫出器件中少子濃度的分布圖。【考查重點】這是考查微電子器件中雙極晶體管中少子分布的計算，考生不僅要熟記公式，也應該對雙極晶體管在不同工作狀態(tài)下的少子分布圖都熟記于心。是考查的重點?！敬鸢附馕觥浚?）（2） （3）圖NPN緩變基區(qū)晶體管在正向有源區(qū)時的少子分布圖3.制造晶體管時一般是在高雜質濃度的N型襯底上外延一層N型外延層，再在外延層中擴散硼，磷而成的。（1）設N型硅單晶襯底是摻銻的，銻的電離能為0.039ev，300K時的費米能級位于導帶底下面0.026ev處，計算銻的濃度和導帶中電子濃度。（2）設N型外延層雜質均勻分布，雜質濃度為4.6*1015cm-3，計算300K時費米能級的位置及電子和空穴濃度。（3）在外延層中擴散硼后，硼的濃度分布隨樣品深度變化。設擴散層某一深度處硼濃度為5.2*1015cm-3，計算300K時費米能級的位置及電子和空穴濃度?！究疾橹攸c】這是考查半導體物理學第三章中在不同摻雜狀態(tài)下載流子濃度以及費米能級的位置，是常考點，也是易錯點，考生應注意?！敬鸢附馕觥?（1）,發(fā)生弱簡并（2）300K時雜質全部電離（3）4.若鍺中雜質電離能△ED＝0.01eV，施主雜質濃度分別為ND＝1014cm-3及1017cm-3，計算（1）99%電離，（2）90%電離，（3）50%電離時溫度各為多少？【考查重點】這是半導體物理第三章半導體中載流子的統(tǒng)計分布的考點，重點考查半導體中不同溫度下的雜質電離程度?！敬鸢附馕觥课措婋x雜質占的百分比為：；求得：；∴（1）ND=1014cm-3，99%電離，即D_=1-99%=0.01即：將ND=1017cm-3，D_=0.01代入得：即：（2）90%時，D_=0.1即：ND=1017cm-3得：即：；（3）50％電離不能再用上式∵即：∴即：取對數(shù)后得：整理得下式：∴即：當ND＝1014cm-3時，得當ND＝1017cm-3時此對數(shù)方程可用圖解法或迭代法解出。

模擬卷四答案解析與思路點撥試題序號：874試題名稱：半導體物理與器件基礎（答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙的一律不給分）一、簡答題（每題10分）1.繪制隧道效應的I-V特性曲線圖，并詳細解釋原點，2,4,5點處電流形成的原因?！究疾橹攸c】：這是《半導體物理學》第六章第五節(jié)的考點，考查隧道二極管的電流電壓特性，是常考點。【答案解析】：（1）在無偏壓的情況下，雖然P區(qū)價帶和N區(qū)導帶中有相同能量的量子態(tài)，但P區(qū)和N區(qū)有統(tǒng)一的費米能級。在結的兩邊，費米能級一下沒有空的量子態(tài)，費米能級以上的量子態(tài)沒有電子占據(jù)。因此，此時的隧道電流為零，對于特性曲線上的點0。（2）隨著正向電壓的增大，N區(qū)能帶相對于P區(qū)將整體升高，這樣，P區(qū)價帶的費米能級隨著正向電壓不斷地增大，當正向電流增大到P區(qū)的費米能級和N區(qū)導帶底一樣高時，N區(qū)的導帶和P區(qū)的價帶中能量相同的量子態(tài)達到最多，正向電流達到極大值IP,這時對應于特性曲線中的點2。（3）正向偏壓增大到VV時，N區(qū)導帶底和P區(qū)價帶頂一樣高，這時N區(qū)導帶和P區(qū)價帶中沒有能量相同的量子態(tài)，因此不能發(fā)生隧道穿通，隧道電流應該減少到零，對于特性曲線上的點4。（4）當加反向偏置電壓時，P區(qū)價帶相對N區(qū)導帶整體升高。隨著反向偏置電壓的增加，P區(qū)價帶中可以穿過隧道的電子數(shù)大大增加，故反向電流也迅速增加，如特性曲線上的點5。2.解釋亞閾值電導的特性和特點?！究疾橹攸c】：這是微電子器件中的考點，考查MOSFET的非理想效應—亞閾值電導，是重點，也是?？键c。【答案解析】：亞閾值電導是指當所加的柵壓小于閾值電壓時，存在一定小的漏電流的現(xiàn)象。在這種情況下，晶體管被偏置在弱反型模型下，勢壘較低，電子有一定的幾率躍過勢壘而產生亞閾值電流，此時，漏電流由擴散機制而非漂移機制控制。它可以在集成電路中產生一個較為明顯的靜態(tài)偏置電流，會造成很大的功耗。3.畫出直接復合與間接復合的能帶圖?！究疾橹攸c】：這是《半導體物理學》第五章第四節(jié)的考點，考查載流子的復合理論，是常考點?！敬鸢附馕觥浚褐苯訌秃希弘娮釉趯Ш蛢r帶之間的直接躍遷，引起的電子與空穴的直接復合。間接復合：電子和空穴通過禁帶中的能級（復合中心）進行復合，也分為體內復合和表面復合。4.寫出熱平衡狀態(tài)半導體的判別式，并解釋準費米能級的概念?！究疾橹攸c】：本題考查考生對熱平衡狀態(tài)理解與掌握以及準費米能級概念的掌握，這是第五章中的考點，考查頻率頻繁，考生應該加以理解掌握?！敬鸢附馕觥浚寒斖饨绲挠绊懫茐牧藷崞胶?，使半導體處于非平衡狀態(tài)，就不再存在統(tǒng)一的費米能級，因為前面講的費米能級和統(tǒng)計分布函數(shù)都是指的熱平衡狀態(tài)。事實上，電子系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)使通過熱躍遷實現(xiàn)的。在一個能帶范圍內，熱躍遷十分頻繁，極短時間內就能導致一個能帶內的熱平衡。然而，電子在兩個能帶之間，例如導帶和價帶之間的熱躍遷就稀少得多，因為中間還隔著禁帶。當半導體得平衡態(tài)遭到破壞而存在非平衡載流子時，由于上述原因，可以認為，分別就價帶和導帶中得電子將，它們各自基本上處于平衡態(tài)，而導帶和價帶之間處于不平衡狀態(tài)。因而費米能級和統(tǒng)計分布函數(shù)對導帶和價帶各自仍然是適用的，可以分別引入導帶費米能級和價帶費米能級，它們都是局部的費米能級，稱為“準費米能級”。二、計算題（共50分）1.（10分）試計算電阻率為1Ω.cm的N型硅的費米能級相對于導帶底EC的位置。假定硅的電子遷移率為1450cm2V-1s-1，本征載流子濃度為1.5×1010cm-3，禁帶寬度為1.1eV，溫度為300K?！究疾橹攸c】這是微電子中關于PN結的考點，重點考查PN結中的費米能級相關的知識。【答案解析】對于N型半導體硅而言：電阻率（1）其中電子濃度:（2）結合公式（1），（2）可得如下計算式：代入數(shù)值：，，，，最終得到：即費米能級比導帶底EC的位置低0.22eV。2.（15分）一個均勻基區(qū)的n-p-n硅晶體管的基區(qū)雜質濃度為8*1016/cm3，發(fā)射區(qū)摻雜濃度為3*1016/cm3，空穴在發(fā)射區(qū)的壽命為10-7s，基區(qū)寬度為0.6μm，空穴的遷移率為500cm2/V?S，電子的遷移率為1500cm2/V?S.假定晶體管的基區(qū)輸運因子都等于1，請計算共發(fā)射極電流放大系數(shù)?！究疾橹攸c】這個題目重點考查晶體管設計與原理第三章雙極結型晶體管中的均勻基區(qū)電流放大系數(shù)，這部分內容在歷年真題中必定會有高分值的考查，需考生掌握透徹?！敬鸢附馕觥?，，代入中，得共發(fā)射極電流放大系數(shù)：3.（15分）試證明突變結的耗盡區(qū)寬度與摻雜濃度之間有如下關系:x【考查重點】這是晶體管設計與原理中第二章PN結的考點，考查突變結的耗盡區(qū)寬度與摻雜濃度之間的關系，望考生注意。【答案解析】方法一而在pn結的耗盡區(qū)內可假設p=0，n=0，同時在N區(qū)耗盡區(qū)內還可以忽略NAQUOTEdEdx=qε積分可得E又由于在中性區(qū)內無電場，可知在x=xn處，E（xn）=0QUOTEExn=0所以QUOTE-qεsN在N區(qū)耗盡區(qū)內有QUOTEEx=qεs在P區(qū)耗盡區(qū)內可以忽略QUOTENDND，從而E在x=QUOTE-xp-xp處E（QUOTE-xp-xp）=0QUOTEE-xp=0所以在P區(qū)耗盡區(qū)內有QUOTEEx=-q而在x=0處E(0)故有x方法二在中性區(qū)內有耗盡近似條件，故P區(qū)提供的空穴應該與N區(qū)提供的電子數(shù)目相等又由于p=n，所以N可得x4.（10分）摻有1.1×1016cm-3硼原子和9×1015cm-3磷原子的Si樣品，試計算室溫時多數(shù)載流子和少數(shù)載流子濃度及樣品的電阻率?！究疾橹攸c】這是半導體物理第四章半導體的導電性的考點，重點考查半導體的電阻率的計算，考生需熟練掌握?！敬鸢附馕觥縉A＝1.1×1016cm-3，ND＝9×1015cm-3可查圖得到Ω·cm三、計算題（每題15分）1.（1）在室溫下，鍺的有效狀態(tài)密度Nc＝1.05×1019cm－3，Nv＝5.7×1018cm－3，試求鍺的載流子有效質量mn*和mp*。（2）計算77k時的Nc和Nv。已知300k時，Eg＝0.67eV。77k時Eg＝0.76eV。求這兩個溫度時鍺的本征載流子濃度。（3）77k，鍺的電子濃度為1017cm－3，假定濃度為零，而Ec－ED＝0.01eV,求鍺中施主濃度ND為多少？【考查重點】這是半導體物理第三章半導體中載流子的統(tǒng)計分布的考點，重點考查半導體中的本證載流子濃度以及多子濃度和少子濃度，注意這幾個公式的運用?！敬鸢附馕觥浚?）室溫下，T=300k（27℃）,k0=1.380×10-23J/K，h=6.625×10-34J·S，對于鍺：Nc＝1.05×1019cm－3，Nv=5.7×1018cm－3：﹟求300k時的Nc和Nv：根據(jù)公式：又根據(jù)公式：（2）求77k時的Nc和Nv：同理：求300k時的ni：求77k時的ni：（3）77k時：Ec－ED＝0.01eV＝0.01×1.6×10-19；T＝77k；k0＝1.38×10-23；n0＝1017；Nc＝1.365×1019cm-3；2.（1）試推導出雜質濃度為指數(shù)分布0exp（）的中性區(qū)的內建電場表達式。（2）若某具體有這種雜質濃度的硅的表面雜質濃度為1018cm-3，，試求其內建電場的大小。（3）再將此電場與某突變PN結的耗盡區(qū)中最大電場作比較，該突變PN結的?！究疾橹攸c】這是微電子器件中第二章PN結的考點，重點考查PN結內建電場的計算，考生需熟練掌握。【答案解析】（1）室溫下中性區(qū)間的而0exp（），可得。（2）將題目中所給數(shù)據(jù)代入上式，可得E=650V/cm。（3）突變結的最大場強為|E|上式中，N0=NDNA/（ND+NA）≈ND=1015cm-3,Vbi==0.757V。q=1.6x10-19C，ε=1.045x10-12V/cm，代入|E|中得|E|=1.52x104V/cm。3.如圖所示為MOS結構的C-V曲線的一部分，已給出，（1）判斷半導體的類型；（2）求氧化層的厚度；（3）求強反型層，耗盡層的寬度；262262106【考查重點】：這是《半導體物理學》第八章第三節(jié)的考點，考查MIS結構的C-V特性，是難點，也是常考點?！敬鸢附馕觥浚海?）根據(jù)該MOS結構的C-V曲線可看出半導體為P型。（2）且，其中的C0為絕緣層電容。當MOS結構處于堆積狀態(tài)時C=C0，存在（3）由題中圖可知，該MOS結構的強反型狀態(tài)發(fā)生在高頻電壓下，所以，此時的電容滿足：因為強反型時，耗盡型的Xd達到最大值Xdmin,4.已知突變結兩邊雜質濃度為NA=1016cm-3,ND=1020cm-3，（1）求勢壘高度。（2）求勢壘寬度。（3）畫出圖?！究疾橹攸c】：這是《半導體物理學》第六章第三的考點，考查PN結的相關計算，是難點，也是?？键c?！敬鸢附馕觥浚海?）（2）（3）由泊松方程：解得：

模擬卷五答案解析與思路點撥試題序號：874試題名稱：半導體物理與器件基礎（答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙的一律不給分）一、簡答題（每題10分）1.一熱平衡非簡并N型半導體，寫出少數(shù)載流子濃度求解表達式。為什么制造半導體器件一般都用含有適當雜質的半導體材料？【考查重點】本題考查考生對雜質半導體中載流子濃度計算的掌握，這是第三章中計算的考點，考查頻率頻繁，考生應該加以重點掌握?！敬鸢附馕觥侩娮訚舛龋荷僮訚舛龋昭舛龋阂话惆雽w器件，載流子主要來源于雜質電離，而將本征激發(fā)可以忽略不計。在本征載流子濃度沒有超過雜質電離所提供的載流子濃度的溫度范圍，如果雜質全部電離，載流子濃度是一定的，器件就能很穩(wěn)定的工作。但是隨著溫度的增高，本征載流子濃度迅速增加。當溫度足夠高時，本征激發(fā)占主要地位，器件不能正常工作，因此，每一種半導體材料制成的器件都有一定的極限工作溫度，超過這一溫度時，器件就失效了。總之，由于本征載流子濃度隨溫度的迅速變化，用本征材料制成的器件性能很不穩(wěn)定，所以制造半導體材料器件一般都用含有適當雜質的半導體材料。2.簡述簡并半導體的定義，并寫出判斷條件?！究疾橹攸c】：這是《半導體物理學》第三章第六節(jié)的考點，考查簡并半導體的定義，以及判斷條件，是?？键c?！敬鸢附馕觥浚海?）定義：對于重摻雜半導體，費米能級將接近或進入導帶或價帶，導帶或價帶中的載流子濃度很高，泡利不相容原理起作用，電子和空穴分布不再滿足玻爾茲曼分布，需要采用費米分布函數(shù)描述，稱此類半導體為簡并半導體。（3）簡并化判斷條件：3.簡述N型硅的電子濃度與溫度的關系，并繪制曲線圖。【考查重點】：這是《半導體物理學》第三章第四節(jié)的考點，考查溫度對含雜質半導體載流子產生的影響，是常考點，也是重點?！敬鸢附馕觥浚荷蠄D為N型硅的電子濃度與溫度的關系曲線。由于該半導體含有雜質，因此，載流子的產生由雜質電離與本征激發(fā)兩部分構成。在低溫