電子科技大學(xué)2023半導(dǎo)體物理期末考試試卷A試題答案

電子科技大學(xué)二零九至二零一零學(xué)年第一學(xué)期期末考試半導(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日課程成績構(gòu)成：平時10分，期中5分，實驗15分，期末70分一二三四五六七八九十合計復(fù)核人簽名得分簽名得分得分一、選擇題（共25分，共25題，每題1分）1、本征半導(dǎo)體是指（A）的半導(dǎo)體。A.不含雜質(zhì)和缺陷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、如果一半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中發(fā)現(xiàn)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.處于絕對零度3、對于只含一種雜質(zhì)的非簡并n型半導(dǎo)體，費米能級EF隨溫度上升而（D）。A.單調(diào)上升B.單調(diào)下降C.經(jīng)過一個極小值趨近EiD.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(dǎo)體C.摻雜半導(dǎo)體D.高純化合物半導(dǎo)體5、公式中的是半導(dǎo)體載流子的（C）。A.遷移時間B.壽命C.平均自由時間D.擴散時間6、下面情況下的材料中，室溫時功函數(shù)最大的是（A）A.含硼1×1015cm-3的硅B.含磷1×10C.含硼1×1015cm-3，磷1×107、室溫下，如在半導(dǎo)體Si中，同時摻有1×1014cm-3的硼和1.1×1015cm-3的磷，則電子濃度約為（B），空穴濃度為（D），費米能級為（G）。將該半導(dǎo)體由室溫度升至570K，則多子濃度約為（F），少子濃度為（F），費米能級為（I）。（已知：室溫下，ni≈1.5×1010cm-3；570K時，niA、1×1014cm-3B、1×1015cmD、2.25×105cm-3E、1.2×1015cmG、高于EiH、低于EiI、等于Ei8、最有效的復(fù)合中心能級位置在（D）附近；最有利陷阱作用的能級位置在（C）附近，常見的是（E）陷阱。A、EAB、EDC、EFD、EiE、少子F、多子9、MIS結(jié)構(gòu)的表面發(fā)生強反型時，其表面的導(dǎo)電類型與體材料的（B），若增加摻雜濃度，其開啟電壓將（C）。A、相同B、不同C、增加D、減少10、對大注入條件下，在一定的溫度下，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D、非平衡載流子濃度成反比11、可以由霍爾系數(shù)的值判斷半導(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(dǎo)體中以長聲學(xué)波為主要散射機構(gòu)是，電子的遷移率與溫度的（B）。A、平方成正比B、次方成反比C、平方成反比D、次方成正比13、為減少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（A）。A、【100】B、【111】C、【110】D、【111】或【110】14、簡并半導(dǎo)體是指（A）的半導(dǎo)體。A、(EC-EF)或(EF-EV)≤0B、(EC-EF)或(EF-EV)≥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），它的存在使得半導(dǎo)體表面的能帶（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D、向上E、向正向電壓方向；F、向負向電壓方向得分得分二、填空題（共15分，共15空，每空1分）1、硅的導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)的＜100＞方向上，根據(jù)晶體的對稱性共有6個等價能谷。2、n型硅摻砷后，費米能級向Ec(上)移動，如升高材料的工作溫度，則費米能級向Ei(下)移動。3、對于導(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，有可能觀察導(dǎo)負微分電導(dǎo)現(xiàn)象，這是因為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電子和空穴的復(fù)合，起有效的復(fù)合中心的雜質(zhì)能級必須位于Ei（禁帶中線），并且對電子和空穴的俘獲系數(shù)rn和rp必須滿足rn＝rp。5、熱平衡條件下，半導(dǎo)體中同時含有一種施主雜質(zhì)和一種受主雜質(zhì)情況下的電中性條件是＿p0+nD+=n0+pA-。金半接觸時，常用的形成歐姆接觸的方法有＿隧道效應(yīng)和＿反阻擋層MIS結(jié)構(gòu)的表面發(fā)生強反型時，其表面的導(dǎo)電類型和體材料的導(dǎo)電類型＿相反（相同或相反），若增加摻雜濃度，其開啟電壓將＿增加（增加或減?。?。8、在半導(dǎo)體中，如果溫度升高，則考慮對載流子的散射作用時，電離雜質(zhì)散射概率減小和晶格振動散射概率增大。得分得分三、問答題（共25分，共四題，6分＋6分＋6分＋7分）在本征半導(dǎo)體中進行有意摻雜各種元素，可改變材料的電學(xué)性能。請解釋什么是淺能級雜質(zhì)、深能級雜質(zhì)，它們分別影響半導(dǎo)體哪些主要性質(zhì)；什么是雜質(zhì)補償？雜質(zhì)補償?shù)囊饬x何在？（本題6分）答：淺能級雜質(zhì)是指其雜質(zhì)電離能遠小于本征半導(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）或帶負電（電離受主）的離子，并同時向?qū)峁╇娮踊蛳騼r帶提供空穴。它可有效地提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。摻雜半導(dǎo)體又分為n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。（2分）深能級雜質(zhì)是指雜質(zhì)所在的能級位置在禁帶中遠離導(dǎo)帶或價帶，在常溫下很難電離，不能對導(dǎo)帶的電子或價帶的空穴的濃度有所貢獻，但它可以提供有效的復(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，施主和受主將先互相抵消，剩余的雜質(zhì)最后電離，這就是雜質(zhì)補償。（1分）利用雜質(zhì)補償效應(yīng)，可以根據(jù)需要改變半導(dǎo)體中某個區(qū)域的導(dǎo)電類型，制造各種器件。（1分）2、什么是擴散長度、牽引長度和德拜長度，它們由哪些因素決定？。（本題6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。（2分）牽引長度是指非平衡載流子在電場E的作用下，在壽命時間內(nèi)所漂移的距離，即，由電場、遷移率和壽命決定。（2分）德拜長度是德拜研究電介質(zhì)表面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(dǎo)體中，表面空間電荷層厚度隨摻雜濃度、介電常數(shù)和表面勢等因素而改變，其厚度用一個特征長度即德拜長度LD表示。它主要由摻雜濃度決定。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。（本題6分）答：有效質(zhì)量是半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的概括。在討論晶體中的電子在外力的作用下的運動規(guī)律時，只要將內(nèi)部周期性勢場的復(fù)雜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，就可以方便地采用經(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)在能帶底附近，由于為正，電子有效質(zhì)量大于0；(1分)在能帶頂部附近，由于為負，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曲線的曲率小，小，有效質(zhì)量大；(1分)外層電子形成的能帶寬，E～k曲線的曲率大，大，有效質(zhì)量小。(1分)4、什么叫復(fù)合中心？何謂間接復(fù)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(guān)。（本題7分）答：半導(dǎo)體內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷能夠促進復(fù)合，稱這些促進復(fù)合的雜質(zhì)和缺陷為復(fù)合中心；（1分）間接復(fù)合：非平衡載流子通過復(fù)合中心的復(fù)合；（1分）四個微觀過程：俘獲電子，發(fā)射電子，俘獲空穴，發(fā)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）發(fā)射電子：和復(fù)合中心能級上的電子濃度。（1分）俘獲空穴：和復(fù)合中心能級上的電子濃度和價帶空穴濃度有關(guān)。（1分）發(fā)射空穴：和空的復(fù)合中心濃度有關(guān)。（1分）得分得分四、計算題（共35分，7＋10＋8＋10，共4題）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(zhì)全部電離，計算其電導(dǎo)率比本征硅的電導(dǎo)率增大多少倍。（本題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(zhì)濃度小于1×1017cm-3時電子的遷移率為850cm2/(V.s)，ni=1.5×1010cm-3，硅的原子密度為解：（1）（3分）（2）ND=5×1022×10-6=5×1016(cm-3)因為全部電離，所以n0=ND。（1分）忽略少子空穴對電導(dǎo)率的貢獻，所以：即電導(dǎo)率增大了153萬倍。（3分）2、有一塊足夠厚的p型硅樣品，在室溫300K時電子遷移率μn=1200cm2/(V.s)，電子的壽命。如在其表面處穩(wěn)定地注入的電子濃度為。試計算在離開表面多遠地方，由表面擴散到該處的非平衡載流子的電流密度為1.20mA/cm2。（表面復(fù)合忽略不計）。（k0=1.38×10-23J/K）,q=1.6×10-19C，k0T=0.026eV)（本題10分）解：由愛因斯坦關(guān)系可得到室溫下電子的擴散系數(shù)：(2分)電子的擴散長度(2分)非平衡載流子的擴散方程為：，其中(2分)所以，擴散電流J=(2分)由上式可得到：(1分)把，，，以及Dn的值代入上式，得到：(1分)3、由金屬－SiO2-P型硅組成的MOS結(jié)構(gòu)，當(dāng)外加電場使得半導(dǎo)體表面少數(shù)載流子濃度ns與半導(dǎo)體內(nèi)部多數(shù)載流子濃度pp0相等時作為臨界強反型條件。（本題8分）（1）試證明臨界強反型時，半導(dǎo)體的表面勢為：(5分)其中（2）畫出臨界強反型時半導(dǎo)體的能帶圖，標(biāo)明相關(guān)符號，并把反型、耗盡、中性區(qū)各部分用豎線分開，并用文字指明。(3分)解：（1）設(shè)半導(dǎo)體表面勢為Vs，則表面處的電子濃度為：（1分）在臨界強反型情況下，有ns=pp0,即，或（1分）此外，在平衡狀態(tài)下半導(dǎo)體體內(nèi)的多子空穴濃度為：（1分）所以，比較以上兩個式子，可得到：Vs=2VB（2分）(2)qVqVBqVBEcEiEFEv①②③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n型硅單晶片作為襯底，金屬鋁做上電極制成MOS二極管。已知n-Si的功函數(shù)Ws為4.30eV，Al的功函數(shù)WAL為4.20eV，鋁電極的面積A=1.6×10-7m2。在150℃下，進行溫度－偏壓（B-T）實驗，在加上負的偏壓和正的偏壓下進行負、正B-T處理，分別測得C-V曲線（1（本題10分）求：（1）氧化物SiO2層的厚度；（2分）（2）在Si-SiO2界面處的正電荷密度；（4分）（3）SiO2中的可移動離子的面密度。（4分）00-9.8-178.1622(1)(2)C0Cmi