2023年半導體物理試卷-A卷問題詳解

有用有用文檔文檔電子科技大學二零九至二零一零學年第一學期期末考試半導體物理課程考試題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、本征半導體是指〔 A 〕的半導體。得分A.不含雜質和缺陷BA.不含雜質和缺陷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、假設一半導體的導帶中覺察電子的幾率為零，那么該半導體必定〔 D 。A.不含施主雜質 B.不含受主雜質D.處于確定零度CD.處于確定零度3、對于只含一種雜質的非簡并n型半導體，費米能級EF隨溫度上升而〔 D 。A.單調上升 B.單調下降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.本征半導體C.摻雜半導體 D.高純化合物半導體5、公式q/m*中的是半導體載流子的〔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，費米能級為〔G。將該半導體由室570K〔F〔F〔I?！玻菏覝叵?，ni1.5×1010cm-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)的值推斷半導體材料的特性，如一種半導體材料的霍爾系數(shù)為負值，該材料通常是〔 A 〕A、n型 B、p型 C、本征型 D、高度補償型12、如在半導體中以長聲學波為主要散射機構是，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、簡并半導體是指〔 A 〕的半導體。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、向負向電壓方向得分二、填空題〔15分，共151分〕得分1、硅的導帶微小值位于布里淵區(qū)的1、硅的導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、對于導帶為多能谷的半導體，如GaAs，當能量適當高的子能谷的曲率較3、對于導帶為多能谷的半導體，如GaAs，當能量適當高的子能谷的曲率較小時，有可能觀看導負微分電導現(xiàn)象，這是由于這種子能谷中的電子的有效質量較大。4、復合中心的作用是促進電子和空穴的復合，起有效的復合中心的雜質能級必需位于 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，半導體中同時含有一種施主雜質和一種受主雜質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＿隧道效應和＿反阻擋層強反型時，其外表的導電類型和體材料的導電類型＿相反〔一樣或相反，假設增加摻雜濃度，其開啟電壓將＿增加 〔增加或減小。8、在半導體中，假設溫度上升，則考慮對載流子的散射作用時，電離雜質散射概率 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，它們分別影響半導體哪些主要性質；什么是雜質補償？雜質補償?shù)囊饬x何在？ 〔此題6分〕答：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁帶寬度的雜質。它們電離后將成為帶正電〔電離施主〕或帶負電〔電離受主〕的離子，并同時向導帶供給電子或向價帶供給np〔2〕〔2〕當半導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，在壽命時間內所漂移的距離，即L(E)E〔2〕德拜長度是德拜爭論電介質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距離。在半導體中，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距離。在半導體中，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〕試說明半導體中電子有效質量的意義和性質，并說明能帶底和能帶頂、內層電子和外層電子的有效質量的各自特點。 〔此題6分〕答：有效質量是半導體內部勢場的概括。在爭論晶體中的電子在外力的作用下的運動規(guī)律就可以便利地承受經(jīng)典力學定律來描寫。由于晶體的各向異性，有效質量和慣性質量不一樣，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內層電子形成的能帶窄，E～k內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～k2Ek2什么叫復合中心？何謂間接復合過程？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。 〔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：和導帶電子濃度和空穴復合中心濃度有關。 〔1分〕放射電子：和復合中心能級上的電子濃度。 〔1分〕俘獲空穴：和復合中心能級上的電子濃度和價帶空穴濃度有關。 放射空穴：和空的復合中心濃度有關。 〔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，如雜質全部電離，計算其電導率比本征硅的電導率增大多少倍。 〔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率的奉獻，所以：nq0 n510161.610198506.8(S/cm) 6.8 1.53106 4.44106i即電導率增大了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〔外表復合10〕解：由愛因斯坦關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構造，當外加電場使得半導體外表少數(shù)載流子濃度ns與半導體內部多數(shù)載流子濃度pp0相等時作為臨界強反型條件。 〔此題8分〕試證明臨界強反型時，半導體的外表勢為： (5分)V

2kT0

lnN

其中V

EEi Fs B q n B qiA畫出臨界強反型時半導體的能帶圖，標明相關符號，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)下半導體體內的多子空穴濃度為：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由于金屬和半導體功函數(shù)的差異，而引起半導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