2006半導(dǎo)體物理A考試

二00五至二00六學(xué)年第一學(xué)期一、選擇填空（含多選題）（18分）1、重空穴是指（C）A、質(zhì)量較大的原子組成的半導(dǎo)體中的空穴B、價帶頂附近曲率較大的等能面上的空穴C、價帶頂附近曲率較小的等能面上的空穴口、自旋一軌道耦合分裂出來的能帶上的空穴2、硅的晶格結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)分別是（C）A.金剛石型和直接禁帶型B.閃鋅礦型和直接禁帶型C.金剛石型和間接禁帶型D.閃鋅礦型和間接禁帶型3、電子在晶體中的共有化運動指的是電子在晶體（C）。A、各處出現(xiàn)的幾率相同B、各處的相位相同C、各元胞對應(yīng)點出現(xiàn)的幾率相同D、各元胞對應(yīng)點的相位相同4、本征半導(dǎo)體是指（A）的半導(dǎo)體。A、不含雜質(zhì)與缺陷；B、電子密度與空穴密度相等；C、電阻率最高；C、電子密度與本征載流子密度相等。5、簡并半導(dǎo)體是指（A）的半導(dǎo)體A、（Ec-Ef或（Ef-Ev）W0B、&耳）或鼻衛(wèi)丫）三0C、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)相同的電子6、當(dāng)Au摻入Si中時，它引入的雜質(zhì)能級是（A）能級，在半導(dǎo)體中起的是（C）的作用；當(dāng)B摻入Si中時，它引入的雜質(zhì)能級是（B）能級，在半導(dǎo)體中起的是（D）的作用。A、施主B、受主C、深D、淺7、在某半導(dǎo)體摻入硼的濃度為1014cm-3,磷為1015cm-3,則該半導(dǎo)體為（B）半導(dǎo)體；其有效雜質(zhì)濃度約為（E）。A.本征，B.n型，C.p型，D.1.1X1015cm-3,E.9X1014cm-38、3個硅樣品的摻雜情況如下：甲.含鎵1X1017cm-3；乙.含硼和磷各1X1017cm-3；丙.含鋁1X1015cm-3這三種樣品在室溫下的費米能級由低到高（以EV為基準(zhǔn)）的順序是（B）A.甲乙丙；B.甲丙乙；C.乙丙甲；D.丙甲乙9、以長聲學(xué)波為主要散射機構(gòu)時，電子的遷移率巴與溫度的（B）。A、平方成正比；B、3/2次方成反比；nC、平方成反比；D、1/2次方成正比；

10、公式N=q/m*中的t是載流子的（C）。A、散射時間；B、壽命；C、平均自由時間；C、擴散系數(shù)。11、對大注入下的直接復(fù)合，非子壽命與平衡載流子濃度（A）A.無關(guān)；B.成正比；C.成反比；D.的平方成反比12、歐姆接觸是指（D）的金屬－半導(dǎo)體接觸。AWms=0B、Wms<0C、wm>0D、阻值較小并且有對稱而線性的伏一安特性13、在Mis結(jié)構(gòu)的金屬柵極和半導(dǎo)體上加一變化的電壓，在柵極電壓由負(fù)值增加到足夠大的正值的的過程中，如半導(dǎo)體為p型，則在半導(dǎo)體的接觸面上依次出現(xiàn)的狀態(tài)為（b）。A.少數(shù)載流子反型狀態(tài)，多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)，多數(shù)載流子堆積狀態(tài)B.多數(shù)載流子堆積狀態(tài)，多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)，少數(shù)載流子反型狀態(tài)C.多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)，多數(shù)載流子堆積狀態(tài)，少數(shù)載流子反型狀態(tài)D.少數(shù)載流子反型狀態(tài)，多數(shù)載流子堆積狀態(tài)，多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)14、MOS器件絕緣層中的可動電荷是（C）A.電子；B.空穴；C.鈉離子；D.硅離子。二、證明題：（8分）試用一維非均勻摻雜（摻雜濃度隨x的增加而下降），非簡并p型半導(dǎo)體模型導(dǎo)出愛因斯坦關(guān)系式：D—D—pNpkT-oq證明：由于摻雜濃度不均勻，電離后空穴濃度也不均勻，形成擴散電流：dpj——qD0ppdx空穴向右擴散的結(jié)果，E,產(chǎn)生漂移電流：使得左邊帶負(fù)電，右邊帶正電，形成反空穴向右擴散的結(jié)果，E,產(chǎn)生漂移電流：j漂二qNpp0E穩(wěn)定時兩者之和為零，即：穩(wěn)定時兩者之和為零，即：dp-qD—0-+qnpE=0pdxp0而E=-dV，有電場存在時，在各處產(chǎn)生附加勢能一qV（x）,使得能帶發(fā)生傾斜。dx在x處的價帶頂為：EV（x）=EV-qV（x），則x處的空穴濃度為：p(x)=Nexp(-E-E+qV(x)、—FV)kT0則：-po-=Nexp(-

dxVE-E+qV(x)V——

kT

0)(-備方0(、qdv=_p(x)0kTdx0qdVdV故：qDp—q日p=0p0kTdxp0dx0DkT—p=—0—Nqp三、簡答題（28分）1、試說明淺能級雜質(zhì)和深能級雜質(zhì)的物理意義及特點？（4分）答：物理意義：在純凈的半導(dǎo)體中，摻入少量的其它元素雜質(zhì)，對半導(dǎo)體的性能影響很大。由于雜質(zhì)的存在，使得該處的周期性勢場受到擾亂，因而雜質(zhì)的電子不能處于正常的導(dǎo)帶或價帶中，而是在禁帶中引入分裂能級，即雜質(zhì)能級。根據(jù)雜質(zhì)能級在禁帶中的位置不同，分為深能級雜質(zhì)和淺能級雜質(zhì)。又根據(jù)雜質(zhì)電離后施放的電子還是空穴，分為施主和受主兩類。（2分）特點：對于淺能級雜質(zhì)，施主或受主能級離導(dǎo)帶底或價帶頂很近，電離能很小，在常溫下，雜質(zhì)基本全部電離，使得導(dǎo)帶或價帶增加電子或空穴，它的重要作用是改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型和調(diào)節(jié)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。對于深能級雜質(zhì)，能級較深，電離能很大，對半導(dǎo)體的載流子濃度和導(dǎo)電類型沒有顯著的影響，但能提供有效的復(fù)合中心，可用于高速開關(guān)器件。（2分）2、什么樣的金半接觸具有整流效應(yīng)（考慮在n型和p型的情況）？（5分）答：能形成阻擋層的金半接觸才具有整流效應(yīng)。（1分）即金屬和n型半導(dǎo)體接觸時，若金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，在半導(dǎo)體表面形成一個正的空間電荷區(qū)能帶向上彎，是電子的勢壘區(qū)，電子濃度比體內(nèi)小得多，是個高阻區(qū)；（2分）或者金屬和p半導(dǎo)體接觸時，若金屬的功函數(shù)小半導(dǎo)體的功函數(shù)，在半導(dǎo)體表面形成負(fù)的空間電荷區(qū)，能帶向下彎，是空穴的勢壘區(qū)，空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是個高阻區(qū)。這樣的接觸具有整流效應(yīng)。（2分）3、什么是擴散長度、牽引長度？它們各由哪些因素決定？（4分）答：擴散長度指的是非平衡載流子在復(fù)合前所能擴散深入樣品的平均距離，它由擴散系數(shù)和材料的非平衡載流子的壽命決定，即L=JD。（2分）牽引長度是指非平衡載流子在電場E的作用下，在壽命t時間內(nèi)所漂移的距離，即L（E）=Ent，由電場、遷移率和壽命決定。（2分）4、什么是復(fù)合中心、陷阱中心和等電子復(fù)合中心？（6分）答：半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷可以在禁帶中形成一定的能級，對非平衡載流子的壽命有很大影響。雜質(zhì)和缺陷越多，壽命越短，雜質(zhì)和缺陷有促進復(fù)合的作用，把促進復(fù)合的雜質(zhì)和缺陷稱為復(fù)合中心。（2分）半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成一定的能級，這些能級具有收容部分非平衡載流子的作用，雜質(zhì)能級的這種積累非平衡載流子的作用稱為陷阱效應(yīng)。把產(chǎn)生顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心。（2分）等電子復(fù)合中心：在ni—v族化合物半導(dǎo)體中摻入一定量的與主原子等價的某種雜質(zhì)原子，取代格點上的原子。由于雜質(zhì)原子和主原子之間電負(fù)性的差別，中性雜質(zhì)原子可以束縛電子或空穴而成為帶電中心，帶電中心會吸引和被束縛載流子符號相反的載流子，形成一個激子束縛態(tài)。這種激子束縛態(tài)叫等電子復(fù)合中心。（2分）5、在一維情況下，描寫非平衡態(tài)半導(dǎo)體中載流子（空穴）運動規(guī)律的連續(xù)方程為：啰=dep-旦e里-旦p4E-包+g，請說明上述等式兩邊各個單項dtpdxx2pdxxpdxxTpp所代表的物理意義。（5分）答：也一一在x處，t時刻單位時間、單位體積中空穴的增加數(shù)；（1分）StDS2p――由于擴散，單位時間、單位體積中空穴的積累數(shù)；（1分）pSx2―日E\電-日p膽一一由于漂移，單位時間、單位體積中空穴的積累數(shù)；pSxpSx（1分）—包一一由于復(fù)合，單位時間、單位體積中空穴的消失數(shù)；（1分）Tpg――由于其他原因，單位時間、單位體積中空穴的產(chǎn)生數(shù)。（1分）p6.以中等摻雜n型硅為例定性闡述電阻率。隨溫度T變化的三個階段的特點。

1答：設(shè)半導(dǎo)體為n型，有P=nJ^TnqnAB：本征激發(fā)可忽略。溫度升高，載流子濃度增加，雜質(zhì)散射導(dǎo)致遷移率也升高，故電阻率。隨溫度T升高下降；（1分）BC：雜質(zhì)全電離，以晶格振動散射為主。溫度升高，載流子濃度基本不變。晶格振動散射導(dǎo)致遷移率下降，故電阻率。隨溫度T升高上升；（1分）CD：本征激發(fā)為主。晶格振動散射導(dǎo)致遷移率下降，但載流子濃度升高很快，故電阻率。隨溫度T升高而下降；（1分）四、計算題（16分）1、n型Si半導(dǎo)體樣品受均勻光照產(chǎn)生非平衡載流子電子一一空穴對，其凈產(chǎn)生率G=10i8/（cm3.s）屬于小注入水平，已知非子空穴的壽命t=10日s,求光照停p止20日s后的非子空穴密度（已知自然對數(shù)的底e^2.7）。（8分）解：穩(wěn)定光照式的非子空穴濃度為：Ap=Gt=1018x10x10-6=1013（cm-3）p也即光照停止后光生空穴密度衰減過程中的初始濃度Ap（0）。Ap（t）=Ap（0）exp（-一）tp光停止20uS后的非子空穴密度為：蝕1013_Ap(20)=1013e-10==1.35x1012(cm-3)e22、有一硅樣品在溫度為300k時，施主與受主的濃度差ND-NA=1014cm-3,設(shè)雜質(zhì)全部電離，已知該溫度下導(dǎo)帶底的有效狀態(tài)密度NC=2.9X10i9cm-3,硅的本征載流子濃度ni=L5X10iocm-3,求樣品的費米能級位于哪里？（8分）解：由電中性條件可得：n=（N-N）+p0DA0由題意可知，ni=1.5x1010cm-3,ND-NA=1014cm-3故有：N-N故有：N-NDA及p0,可忽略p0,所以n-N-N.=1014cm-3E-E—CF)kT0導(dǎo)帶電子濃度為：E-E—CF)kT0所以，E=E—kTlnNc=E—(0.026eV)ln2,9X1019=E—0.327eVFC0nC1014C0樣品的費米能級位于導(dǎo)帶底Ec下方0.327eV。3、施主濃度為ND=10i7cm-3的N型硅，室溫下的功函數(shù)是多少？若它與Al形成金半接觸，那么半導(dǎo)體的表面勢為多少？已知ln250=5.52,硅的親和能取4.05eV.Nc=2.5X1019cm-3,Al的功函數(shù)為4.30eV。解：室溫下雜質(zhì)全部電離E—En0=ND=Ncexp(-CkT7-F-)1017E/E+kTln(N"N)=E+0.026ln—FcDcc2,5x1019Ec-EF=0.147eV所以該硅的功函數(shù)為W.=%+E=X+(E-EF)=4.05+0.147=4.197eVsncFVs=Vs=W—W=-0.103-0.10V4、MOS結(jié)構(gòu)中，氧化層內(nèi)存在三角形電荷分布，硅附近高，金屬附近低。單位表面積的離子數(shù)為1012cm-2,氧化層的厚度為0.2pm,r0=3.9。求氧化層內(nèi)電荷引起的平帶電壓變化AV(已知0=8.85x10-12F/m)解、電荷分布方程及邊界條件為(x)x=d0=0(x)=(0/d0)x,??Q=—pd200.??V口產(chǎn)-—1-Jd0p(x)xdx=-P0d^-=-6.2VFBdC03￡￡00r00四、計算題(8分)有一硅樣品在溫度為300k時，施主與受主的濃度差ND-NA=1014cm-3,設(shè)雜質(zhì)全部電離，已知該溫度下導(dǎo)帶底的有效狀態(tài)密度NC=2.9X10i9cm-3,硅的本征載流子濃度ni=1.5X10iocm-3,求樣品的費米能級位于哪里？(8分)解：由電中性條件可得：n=(N-N)+p(1分)0DA0由題意可知，ni=1.5x1010cm-3,ND-NA=1014cm-3故有：N-Nnp,可忽略p0,DA0所以n所以n0導(dǎo)帶電子濃度為：n=Nexp（-￡?~幺）（2分）ckToN29X10