2024年半導(dǎo)體物理真題

歷年真題第壹章1、Si、GaAs半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂分別在k空間什么位置？其晶體構(gòu)造和解理面分別是什么？哪個(gè)是直接帶隙，哪個(gè)是間接帶隙？()2、對(duì)于金剛石構(gòu)造的硅Si和閃鋅礦構(gòu)造的砷化鎵GaAs，在（111）晶面上，其原子面密度和面間距都是最大，為何Si的解理面是（111），而GaAs不是？()3、半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg、N型半導(dǎo)體雜質(zhì)激活能△Ed以及親和勢(shì)X分別表達(dá)半導(dǎo)體電子的什么狀態(tài)特性？（簡(jiǎn)答題7分）4、與真空電子運(yùn)動(dòng)相比，半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有何不壹樣？（簡(jiǎn)答題7分）（1-9題63分，每題7分()）5、如圖是壹種半導(dǎo)體能帶構(gòu)造的E–k關(guān)系；1）哪個(gè)能帶具有x方向更小的有效質(zhì)量？2）考慮兩個(gè)電子分別位于兩個(gè)能帶中的拾字線處，哪個(gè)電子的速度更大些？6、寫出硅(Si)和砷化鎵(GaAs)的晶體構(gòu)造、禁帶寬度和解理面。？（簡(jiǎn)答題6分）第二章3、高阻的本征半導(dǎo)體材料和高阻的高度賠償?shù)陌雽?dǎo)體材料的區(qū)別是什么？()1深能級(jí)雜質(zhì)和淺能級(jí)雜質(zhì)概念（西交大）1以硅為例，舉例闡明摻入淺能級(jí)和深能級(jí)雜質(zhì)的目的和作用？（西電）2.什么是淺能級(jí)雜質(zhì)？什么是深能級(jí)雜質(zhì)？列舉出半導(dǎo)體硅中各壹種雜質(zhì)元素的例子。半導(dǎo)體中摻入這些雜質(zhì)分別起什么作用?()第三章11、定性畫出N型半導(dǎo)體樣品，載流子濃度n隨溫度變化的曲線（全溫區(qū)），討論各段的物理意義，并標(biāo)出本征激發(fā)隨溫度的曲線。設(shè)該樣品的摻雜濃度為ND。比較兩曲線，論述寬帶隙半導(dǎo)體材料器件工作溫度范圍更寬。(-20分)４、室溫下，壹N型樣品摻雜濃度為Nd，所有電離。當(dāng)溫度升高後，其費(fèi)米能級(jí)怎樣變化？為何？壹本征半導(dǎo)體，其費(fèi)米能級(jí)隨溫度升高怎樣變化？為何？（）4、壹?jí)KN型半導(dǎo)體，隨溫度升高，載流子濃度怎樣變化？費(fèi)米能級(jí)怎樣變化？（）7、定性闡明摻雜半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)與摻雜濃度和溫度的關(guān)系是怎樣的？（）10、（20分）設(shè)某壹種半導(dǎo)體材料室溫下（300K）本征載流子濃度為1.0×1010cm?3，價(jià)帶和導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度NV=NC=1019cm?3，1） 求禁帶寬度；2） 假如摻入施主雜質(zhì)ND=1016cm?3，求300K下，熱平衡下的電子和空穴濃度；3） 對(duì)于上面的樣品，在又摻入NA=2×1016cm?3的受主雜質(zhì)後，求新的熱平衡電子和空穴濃度（300K）。4）求3）中，費(fèi)米能級(jí)的位置EF?Ei；()9.(10分)已知某半導(dǎo)體材料中n型雜質(zhì)濃度為ND，p型雜質(zhì)濃度為NA，假設(shè)雜質(zhì)完全電離，證明半導(dǎo)體中電子濃度：11.(20分-)對(duì)于壹?jí)K摻雜濃度為ND的N型半導(dǎo)體材料，（1）示意畫出電子濃度n0隨溫度的變化曲線，并在圖中同步畫出本征半導(dǎo)體濃度ni隨溫度變化的曲線；（2）若摻雜濃度ND提高，載流子濃度隨溫度變化曲線怎樣變化？（3）示意地畫出N型半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)隨溫度的變化，并簡(jiǎn)樸解釋；（4）在n0隨溫度變化的曲線上，哪段溫度的影響對(duì)材料電阻率起到增長的作用？為何？第四章4、半導(dǎo)體中重要的兩種散射機(jī)構(gòu)是什么？在有多種散射機(jī)構(gòu)存在的狀況下，為何遷移率重要由自由時(shí)間短的機(jī)理決定？（）9、（16分）在T=300K下，壹N型半導(dǎo)體Si樣品，測(cè)得的電阻率為0.1W-cm。求此時(shí)的電子濃度和空穴濃度（查圖）。若在此樣品中，再摻入9′1016cm-3P型雜質(zhì)，求此時(shí)樣品的電阻率、多子濃度和少子濃度。并求出此時(shí)多子的遷移率（查圖）。（）６、壹N型硅樣品雜質(zhì)濃度為ND1，經(jīng)擴(kuò)硼B(yǎng)後（摻雜濃度為NA）樣品變?yōu)镻型；再經(jīng)擴(kuò)磷P（雜質(zhì)濃度為ND2）樣品又變?yōu)镹型，此時(shí)載流子濃度為多少？與未擴(kuò)散前的N型樣品相比，遷移率有何變化？７、半導(dǎo)體的電阻率通過摻雜可以敏感地控制，“摻入百萬分之壹的雜質(zhì)，可以引起電阻率百萬倍變化”，以硅為例，忽視摻雜對(duì)遷移率的影響，粗略估算證明之。9、（16分）什么是載流子的遷移率？遷移率與載流子的平均自由時(shí)間成正比。有兩種載流子的散射機(jī)構(gòu)，平均自由時(shí)間分別為t1，t2，假如t1〉t2，總遷移率是不是由t1散射機(jī)構(gòu)決定？解釋之。12、（18分）當(dāng)溫度升高時(shí)，本征半導(dǎo)體的電阻率與金屬的電阻率隨溫度變化有何不壹樣？為何？壹?jí)KN型樣品的電阻率隨溫度的變化又怎樣？解釋之11、（13分）1） 什么是載流子的遷移率？影響遷移率的重要散射機(jī)理有幾種。討論載流子類型、摻雜和環(huán)境溫度對(duì)遷移率的影響關(guān)系。2） 論述用霍爾效應(yīng)測(cè)量載流子遷移率的試驗(yàn)措施。()8.(16分)已知T=300K時(shí)的硅熱平衡空穴濃度為p0=2′105cm?3，求熱平衡電子濃度。該材料是n型還是p型半導(dǎo)體？若再向該材料中摻入NA=1′1013cm?3的受主雜質(zhì)，此時(shí)的電子和空穴濃度分別是多少？假設(shè)該材料電子和空穴的遷移率不變，計(jì)算摻雜前後電阻率變化。（）（1）熱平衡電子濃度n0=ni2/p0=(1.5×1010)2/2.5×105=9×1014cm?3

∵n0>p0,∴該材料是n型半導(dǎo)體

（2）再摻雜後，n0,1=ND–NA=9×1014–1×1013=8.9×1014cm?3

p0,1=ni2/n0,1=(1.5×1010)2/8.9×1014=2.53×105cm?3

（3）初始電阻率ρ0=(1/n0qμn)，再摻雜後電阻率ρ1=1/n0,1qμn

ρ1/ρ0=n0/n0,1=9/8.9=1.01即電阻率變?yōu)楸緛淼?.01倍，或增長了1%拾、(10分)什么是載流子的遷移率？假定半導(dǎo)體內(nèi)存在三種散射機(jī)制。只存在第壹種散射機(jī)制時(shí)的遷移率是cm2/Vs，只存在第二種散射機(jī)制時(shí)的遷移率是1500cm2/Vs，只存在第三種散射機(jī)制時(shí)的遷移率是500cm2/Vs，求總遷移率。（）根據(jù)多散射機(jī)構(gòu)各散射幾率與平均自由時(shí)間的關(guān)系可以得到總遷移率μ的倒數(shù)

1/μ=1/μ1+1/μ2+1/μ3

∴μ=1/(1/μ1+1/μ2+1/μ3)=1/(1/+1/1500+1/500)=315.8cm2/Vs第五章11、（15分）光均勻照射壹種7Wcm的p型Si樣品，電子－空穴對(duì)的產(chǎn)生率為5x1016cm-3s-1，樣品壽命為10ms，計(jì)算光照前、後樣品電阻率的變化，以及費(fèi)米能級(jí)位置的變化（假定此問題中，電子和空穴的遷移率相似）。（）12、（24分）什么是載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)？什么是載流子的漂移運(yùn)動(dòng)？寫出載流子的愛因斯坦關(guān)系。結(jié)合半導(dǎo)體PN結(jié)形成及到達(dá)平衡過程中載流子的擴(kuò)散和漂移，討論愛因斯坦關(guān)系的物理意義和半導(dǎo)體中載流子擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)的互相關(guān)聯(lián)。（）13、壹種壹維無限長的N型半導(dǎo)體樣品，在x=0表面處保持恒定的少子注入濃度Dp=(Dp)0，當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)定後（不隨時(shí)間變化）。設(shè)少子空穴的擴(kuò)散系數(shù)為DP，非平衡少子的壽命為t。求解沿x方向非平衡少子的分布。討論該樣品中注入壹種少子空穴脈沖後，空穴的運(yùn)動(dòng)與壹杯水中，滴入壹滴墨水的運(yùn)動(dòng)有何區(qū)別。（）6、什么是非平衡載流子的壽命？怎樣從工藝上變化半導(dǎo)體中載流子的壽命？（-7分）6、載流子在半導(dǎo)體中的重要輸運(yùn)有哪兩種方式？它們形成的電流大小分別與什么參數(shù)有關(guān)？寫出愛因斯坦關(guān)系式。（）3、什么是非平衡載流子的壽命？什么載流子的平均自由時(shí)間？（）13、（18分）室溫下（300K），有壹種很薄的N型硅樣品，測(cè)量的電阻率為0.3W?cm，載流子壽命為τ=1μs。1）樣品處在穿透性的光照下，穩(wěn)態(tài)時(shí)體內(nèi)均勻產(chǎn)生濃度為106cm?3的過剩少子。在t=0時(shí)刻，忽然撤除光照。求此時(shí)電子和空穴濃度分別是多少？（可運(yùn)用附件2圖）。判斷與否是小注入狀況？2）樣品中載流子的重要復(fù)合機(jī)構(gòu)是什么？3）推導(dǎo)光照撤除後樣品中過剩少子濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律的體現(xiàn)式，并計(jì)算t=0、t=τ和t=10τ時(shí)刻過剩少子的復(fù)合率。（）12.(16分)壹強(qiáng)脈沖光（hn3Eg）照射在n型樣品，見圖1。假定光被樣品均勻吸取，產(chǎn)生非平衡載流子，產(chǎn)生率為gp，空穴壽命為t分別求出光照狀況（0—10t區(qū)間）和清除光照狀況（10t—20t區(qū)間）下，非平衡空穴所滿足的隨時(shí)間變化方程；求出t=9t、t=11t兩個(gè)時(shí)刻，非平衡空穴濃度值是多少；在所給坐標(biāo)中，示意畫出非平衡空穴的變化；010010τ20τ時(shí)間光強(qiáng)010τ20τ時(shí)間Δp(t)4、光均勻照射壹種5Wcm的n型Si樣品，電子－空穴對(duì)的產(chǎn)生率為5x1016cm-3s-1，樣品壽命為10ms，計(jì)算光照前後樣品電阻率的變化及費(fèi)米能級(jí)位置的變化。12.(16分)壹強(qiáng)脈沖光（hn3Eg）照射在n型樣品，見圖1。假定光被樣品均勻吸取，產(chǎn)生非平衡載流子，產(chǎn)生率為gp，空穴壽命為t分別求出光照狀況（0—10t區(qū)間）和清除光照狀況（10t—20t區(qū)間）下，非平衡空穴所滿足的隨時(shí)間變化方程；求出t=9t、t=11t兩個(gè)時(shí)刻，非平衡空穴濃度值是多少；在所給坐標(biāo)中，示意畫出非平衡空穴的變化；010010τ20τ時(shí)間光強(qiáng)010τ20τ時(shí)間Δp(t)解：（1）光照狀況下，根據(jù)持續(xù)性方程，dΔp/dt=G–R=gp–Δp/τ，結(jié)合初始條件t=0時(shí)，Δp(0)=0解方程得ln(gpτ–Δp)=?t/τ+ln(gpτ)，最終得Δp(t)=gpτ(1–e?t/τ)。

清除光照後，持續(xù)性方程變?yōu)閐Δp/dt=G–R=–Δp/τ，結(jié)合t=10τ時(shí)，Δp(10τ)≈gpτ解方程得Δp(t)=gpτe?(t-10τ)/τ。

(2)t=9t時(shí)，Δp(9t)=gpτ(1–e?9)≈gpτ；

t=11t時(shí)，Δp(11t)=gpτe–(11τ–10τ)/τ=gpτ/e

(3)見下圖第六章10、（1）寫出理想PN結(jié)的I-V特性，即電流密度J與電壓V的關(guān)系方程。分別在直角線性坐標(biāo)系和半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，示意畫出PN結(jié)電流－電壓特性曲線。(2)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的曲線上，怎樣將正向小電壓下勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流和反向電壓下勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流產(chǎn)生的作用反應(yīng)在曲線上？簡(jiǎn)樸解釋之。(3）假如PN結(jié)電流中，同步考慮擴(kuò)散電流和復(fù)合電流時(shí)，即采用理想因子m，寫出具有理想因子m的J-V特性方程，并描述壹種測(cè)量m的試驗(yàn)措施。(4)分別分析PN結(jié)加正向偏置和反向偏置，對(duì)PN結(jié)邊界處少子濃度的變化，以此論述，PN結(jié)具有正向?qū)ê头聪蝻柡吞匦?。（）?2分）8、寫出n型樣品中，小注入條件下，少子空穴的持續(xù)性方程。寫出空穴不隨時(shí)間變化時(shí)（穩(wěn)態(tài)）、不考慮電場(chǎng)、無光照狀況下，少子空穴的方程。（）10、（16分）對(duì)于壹種PN結(jié)二極管，論述怎樣判斷加正向電壓後，其電流是以擴(kuò)散電流為主還是以空間電荷區(qū)復(fù)合電流為主？（）11、（20分）PN結(jié)的N型壹側(cè)摻雜濃度為ND，P型壹側(cè)摻雜濃度為NA，采用雜質(zhì)飽和電離近似，證明PN結(jié)的接觸電勢(shì)差為：ni是本征載流子濃度另有壹N+N結(jié)，摻雜濃度分別為N+，N，證明此時(shí)N+N結(jié)的接觸電勢(shì)差為：比較兩者的大小，并解釋其內(nèi)在的物理機(jī)理。（）10、（24分）壹種硅PN結(jié)（T=300K），P區(qū)的摻雜濃度為NA＝1x1015cm-3，N區(qū)的摻雜濃度ND＝3NA，使用雜質(zhì)所有電離和載流子所有耗盡假設(shè)，(1)計(jì)算室溫下PN結(jié)的接觸電勢(shì)差VD；(2)定性畫出PN結(jié)的電場(chǎng)分布、電荷分布。(3)若溫度T增長、材料的禁帶寬度Eg增長，VD將分別怎樣變化？(4)若此構(gòu)造是N+-N結(jié)，即N+區(qū)壹側(cè)ND+=3NA，N區(qū)壹側(cè)ND=NA，計(jì)算此時(shí)的VD。（）14、寫出理想PN結(jié)的J-V特性關(guān)系公式（肖克萊方程）。并在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下（X軸為V，Y軸為ln（J/J0），定性畫出該曲線。若此PN結(jié)為實(shí)際的PN結(jié)，應(yīng)做哪些改動(dòng)？為何？（）10、（21分）（）（1）分別畫出PN結(jié)熱平衡、正向偏置、反向偏置時(shí)，費(fèi)米能級(jí)變化能帶圖。（2）畫出P型材料制備的理想MOS構(gòu)造，柵壓分別為負(fù)、為零、為正時(shí)的半導(dǎo)體壹側(cè)能帶圖。（3）比較PN結(jié)能帶圖和MOS構(gòu)造能帶圖中，費(fèi)米能級(jí)變化有何異同？簡(jiǎn)樸解釋之。13、(16分)寫出包括結(jié)理想因子n的PN結(jié)電流-電壓關(guān)系公式。（1）簡(jiǎn)述測(cè)量理想因子n的試驗(yàn)措施；（2）怎樣判斷壹種二極管PN結(jié)電流中，是以擴(kuò)散電流為主，還是以復(fù)合電流為主？（3）怎樣測(cè)量擊穿電壓；（4）能否運(yùn)用擊穿電壓隨溫度變化的規(guī)律判斷出該二極管擊穿機(jī)理是隧道還是雪崩擊穿？（）12、（18分）圖中是硅材料兩個(gè)不壹樣N+P結(jié)雪崩擊穿條件時(shí)的電場(chǎng)隨空間位置的分布，此時(shí)結(jié)電壓VNP=