2023年半導(dǎo)體物理試卷A卷答案

2/92023-A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(jī)構(gòu)成：尋常10 分；期中 5 分；試驗(yàn) 15 分；期末 70 分一一二三四五六七八九十合計(jì) 復(fù)核人簽名得分簽名A.不含雜質(zhì)和缺陷得分一、選擇題〔共25分；共25題；每題1分〕1、本征半導(dǎo)體是指〔 A.不含雜質(zhì)和缺陷得分B.電阻率最高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)C.不含任何雜質(zhì)D.處于確定零度3、對(duì)于只含一種雜質(zhì)的非簡(jiǎn)并n型半導(dǎo)體；費(fèi)米能級(jí)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(gè)微小值趨近Ei D.經(jīng)過一個(gè)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(shí)間 B.壽命C.平均自由時(shí)間 D.集中時(shí)間6、下面狀況下的材料中；室溫時(shí)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-3；磷1×1016cm-3的硅 D.純潔的硅Si1×1014cm-31.1×1015cm-3的磷；則電子濃度約為〔B；空穴濃度為〔D；費(fèi)米能級(jí)為〔G.將該半導(dǎo)體由室溫度570；則多子濃度約為〔F；少子濃度為〔F；費(fèi)米能級(jí)為〔I.〔：室溫下；ni≈1.5×1010cm-3；570K時(shí)；ni≈2×1017cm-3〕A、1×1014cm-3B、1×1015cm-3C、1.1×1015cm-3D、2.25×105cm-3E、1.2×1015cm-3F、2×1017cm-3EiEi88〔D 〔C〕四周；常見的是〔E〕陷阱.A、EA B、ED C、EFD、Ei E、少子 F、多子9MIS構(gòu)造的外表發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)；其外表的導(dǎo)電類型與體材料的〔B雜濃度；其開啟電壓將〔C〕.A、一樣 同C、增加 、削減10、對(duì)大注入條件下；在確定的溫度下；非平衡載流子的壽命與〔D 〕.A、平衡載流子濃度成正比 、非平衡載流子濃度成正比C、平衡載流子濃度成反比 衡載流子濃度成反比半導(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(zhǎng)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213MOS器件時(shí)通常選擇硅單晶的方向?yàn)椤病睞 〕.A【100】 B【111】 C【110】 14、簡(jiǎn)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)≥0CD、導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂能容納多個(gè)狀態(tài)一樣的電子15、在硅基MOS器件中；硅襯底和SiO2界面處的固定電荷是〔B；它的存在使得半體外表的能帶〔C ；在C-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〔得分二、填空題〔15分；共151分〕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(duì)稱性共有6個(gè)等價(jià)能谷.2nEc(上)Ei(下)移動(dòng).3、對(duì)于導(dǎo)帶為多能谷的半導(dǎo)體；如3、對(duì)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(shí)；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(jí)必需位于Ei〔禁帶中線；并且對(duì)電子和空穴的俘獲系數(shù)r和r必需滿足 r＝r.得分n p n p得分5、熱平衡條件下；半導(dǎo)體中同時(shí)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6、金半接觸時(shí)；常用的形成歐姆接觸的方法有＿和＿反阻擋層＿p+n+=n+p6、金半接觸時(shí)；常用的形成歐姆接觸的方法有＿和＿反阻擋層0 D 0 A7、MIS＿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(duì)載流子的散射作用時(shí)；電離雜質(zhì)散射概率減小和晶格振動(dòng)散射概率增大 .三、問答題〔25分；共四題；6分＋6分＋6分＋7分〕1、在本征半導(dǎo)體中進(jìn)展有意摻雜各種元素可轉(zhuǎn)變材料的電學(xué)性能.請(qǐng)解釋什么是淺能級(jí)雜級(jí)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(jí)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(shí)向?qū)Ч┙o電子或向價(jià)帶供給空穴.它可有效地提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電力氣.摻雜半導(dǎo)體又分為n型半導(dǎo)體和p.2分深能級(jí)雜質(zhì)是指雜質(zhì)所在的能級(jí)位置在禁帶中遠(yuǎn)離導(dǎo)帶或價(jià)帶；在常溫下很難電離；不能對(duì)導(dǎo)帶的電子或價(jià)帶的空穴的濃度有所奉獻(xiàn)；但它可以供給有效的復(fù)合中心；在光電子開關(guān)器件中有所應(yīng)用.〔2分〕當(dāng)半導(dǎo)體中既有施主又有受主時(shí)；施主和受主將先相互抵消；剩余的雜質(zhì)最終電離；這就是雜質(zhì)補(bǔ)償.〔1分〕利用雜質(zhì)補(bǔ)償效應(yīng)；可以依據(jù)需要轉(zhuǎn)變半導(dǎo)體中某個(gè)區(qū)域的導(dǎo)電類型；制造各種器件.〔1分〕2、什么是集中長(zhǎng)度、牽引長(zhǎng)度和德拜長(zhǎng)度；它們由哪些因素打算？.〔6分〕答：集中長(zhǎng)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(zhǎng)度是指非平衡載流子在電場(chǎng) E 的作用下；在壽命時(shí)間內(nèi)所漂移的距離；即L(E)E；由電場(chǎng)、遷移率和壽命打算.〔2分〕德拜長(zhǎng)度是德拜爭(zhēng)論電介質(zhì)外表極化層時(shí)提出的理論的長(zhǎng)度；用來描寫正離子的電場(chǎng)所能影響到電子的最遠(yuǎn)距離.德拜長(zhǎng)度是德拜爭(zhēng)論電介質(zhì)外表極化層時(shí)提出的理論的長(zhǎng)度；用來描寫正離子的電場(chǎng)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(shì)LD表示.它主要由摻雜濃度打算.摻雜大；LD小.〔2分〕3、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〕.在爭(zhēng)論晶體中的電子在外力的作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)；只要將內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)的簡(jiǎn)潔作用包含在引入的有效質(zhì)量中；并用它來代替慣性質(zhì)量；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分)在能帶底四周；由于2Ek2

為正；電子有效質(zhì)量大于0；(1分)在能帶頂部四周；由于2Ek2

為負(fù)；電子有效質(zhì)量小于0.(1分)內(nèi)層電子形成的能帶窄；E～k曲線的曲率?。?E內(nèi)層電子形成的能帶窄；E～k曲線的曲率??；2Ek2外層電子形成的能帶寬；E～k曲線的曲率大；2E外層電子形成的能帶寬；E～k曲線的曲率大；2Ek2叫復(fù)合中心？何謂間接復(fù)合過程？有哪四個(gè)微觀過程？試說明每個(gè)微觀過程和哪些參數(shù)有關(guān). 〔此題7分〕分〕〔1分〕四個(gè)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(jí)上的電子濃度. 〔1分〕俘獲空穴：和復(fù)合中心能級(jí)上的電子濃度和價(jià)帶空穴濃度有關(guān). 〔1分〕放射空穴：和空的復(fù)合中心濃度有關(guān). 〔1分〕得分四、計(jì)算題〔35分；7＋10＋8＋104題〕得分1、⑴計(jì)算本征硅在室溫時(shí)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(jì)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 子密度為5×1022cm-3.〕解〔1〕nq(i i

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

〔3分〕離；所以n0=ND. 〔1分〕無視少子空穴對(duì)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〕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(jì)算在離開外表n多遠(yuǎn)地方；由外表集中到該處的非平衡載流子的電流密度為1.20mA/cm2.〔外表復(fù)合無視不計(jì)〕計(jì)〕.〔0=1.8×10-/K〕,q=1.610-19C；k0T=0.026eV)解：由愛因斯坦關(guān)系可得到室溫下電子的集中系數(shù)：

〔10分〕kT 0.026eVD on

1200cm2/V.S31.2104m2/s (2分)n e電子的集中長(zhǎng)度L D 31.2104101061.76104(m)(2分)nnn(()(0)nxn exLnS(x)Dn

dn(x)dx

；其中

(2分)

qDn(0) xn Lnxn

(2分)n LnL

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

1.76104m；以及Dn的值代入上式；1.6101931.210471018得到：x1.76104ln 8.7105(m) (1分) 1.76101412 3、由金屬－SiO2-PMOSns導(dǎo)體內(nèi)部多數(shù)載流子濃度pp0相等時(shí)作為臨界強(qiáng)反型條件. 〔此題8分〕試證明臨界強(qiáng)反型時(shí)；半導(dǎo)體的外表勢(shì)為： (5分)2kT N

EEV 2Vs B

0 lnq

A, 其中V i FB qi反型時(shí)半導(dǎo)體的能帶圖；標(biāo)明相關(guān)符號(hào)；并把反型、耗盡、中性區(qū)各局部用豎線分開；并用文字指明. (3分)1〕V；則外表處的電子濃度為：n nn nsp0qVsek0T in2qVspekTop0在臨界強(qiáng)反型狀況下；有ns=pp0,即p 2p0

qVsn2ek0T；或 p ni p0

qVse2k0T 〔1分〕p p NeEFEvkTp0v0neiEEi FkTneiqVBkT00所以；比較以上兩個(gè)式子；可得到：Vs=2VB

〔1分〕2kT N

〔2分〕Vs2V 0 ln AB q 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n型硅單晶片作為襯底；金屬鋁做上電極制成MOS二極管.n-Si的功函數(shù)Ws為4.30eV；AlWAL4.20eV；鋁電極的面積A=1.6×10-7m2.150℃下；進(jìn)展溫度－B-TC-V曲〔1〕和〔2〕. 8.851012F/m, 3.9 〔10分〕0 r求〔1〕氧化物SiO2層的厚度； 〔2分〕界面處的正電荷密度； 〔4分〕SiO2中的可移動(dòng)離子的面密度. 〔4分〕C(pF)C(pF)C022(2)(1)Cmin8.16G〔1〕C-VC0=Ci=22pF,Cmin=8.16pFG所以；SiO2的厚度為：

-17

-9.8 0 V(V)0rd A0r/r