電子科技大學(xué)半導(dǎo)體物理期末考試試卷B試題答案

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1、 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 B卷（120分鐘） 考試形式： 閉卷 考試日期2010年丄月18日 課程成績(jī)構(gòu)成：平時(shí) 10 分， 期中 5 分， 實(shí)驗(yàn) 15 分， 期末 70 分 -一- -二二 三 四 五 六 七 八 九 十 合計(jì) 復(fù)核人 簽名 得分 簽名 一、填空題：（共16分，每空1分） 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體一般是重?fù)诫s半導(dǎo)體,這時(shí)電離雜質(zhì)對(duì)載流子的散射作用不可 忽略。 2. 處在飽和電離區(qū)的N型Si

2、半導(dǎo)體在溫度升高后，電子遷移率會(huì) 下降/減小，電阻 率會(huì)上升/增大。 3. 電子陷阱存在于 P/空穴 型半導(dǎo)體中。 4. 隨溫度的增加，P型半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)的符號(hào) 由正變?yōu)樨?fù) 。 5. 在半導(dǎo)體中同時(shí)摻入施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)，它們具有 雜質(zhì)補(bǔ)償 的作用，在制 造各種半導(dǎo)體器件時(shí)，往往利用這種作用改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。 6. ZnO是一種寬禁帶半導(dǎo)體，真空制備過(guò)程中通常會(huì)導(dǎo)致材料缺氧形成氧空位，存在 氧空位的ZnO半導(dǎo)體為 N/電子 型半導(dǎo)體。 7.相對(duì)Si而言，InSb是制作霍爾器件 的較好材料，是因?yàn)槠潆娮舆w移率較 高/ 大 。 8.摻金工藝通常用于制造高頻器件。金摻入半導(dǎo)

3、體Si中是一種 深能級(jí) 雜質(zhì)，通常起 復(fù)合 中心的作用，使得載流子壽命減小。 9. 有效質(zhì)量—概括了晶體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)對(duì)載流子的作用， 可通過(guò)回旋共振實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量。 10. 某N型Si半導(dǎo)體的功函數(shù) Ws是4.3eV,金屬Al的功函數(shù) Wm是4.2 eV,該半導(dǎo)體 和金屬接觸時(shí)的界面將會(huì)形成 反阻擋層接觸/歐姆接觸 。 11. 有效復(fù)合中心的能級(jí)位置靠近 禁帶中心能級(jí)/本征費(fèi)米能級(jí)/E.i 。 12. MIS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體表面處于臨界強(qiáng)反型時(shí)，表面少子濃度等于內(nèi)部多子濃度，表面 反型少子的導(dǎo)電能力已經(jīng)足夠強(qiáng)，稱此時(shí)金屬板上所加電壓為 開(kāi)啟電壓/閾值電 壓 。 13. 金屬和n

4、型半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢(shì)壘，若外加正向偏壓于金屬，則半導(dǎo)體表面電 子勢(shì)壘高度將降低，空間電荷區(qū)寬度將相應(yīng)地（減少_/變窄/變?。?。 二、選擇題（共15分，每題1分） 如果對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行重?fù)诫s，會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象是 D 。 A. 禁帶變寬 B. 少子遷移率增大 C. 多子濃度減小 D. 簡(jiǎn)并化 2. 已知室溫下Si的本征載流子濃度為ni =1.5 lO10cm‘。處于穩(wěn)態(tài)的某摻雜Si半導(dǎo)體 中電子濃度n =1.5 1015cm"，空穴濃度為p=1.5 1012cm"，則該半導(dǎo)體 A 。 A. 存在小注入的非平衡載流子 B. 存在大注入的非平衡載流子 C. 處于

5、熱平衡態(tài) D. 是簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 3. 下面說(shuō)法錯(cuò)誤的是 D 。 A. 若半導(dǎo)體導(dǎo)帶中發(fā)現(xiàn)電子的幾率為 0,則該半導(dǎo)體必定處于絕對(duì)零度 B. 計(jì)算簡(jiǎn)并半導(dǎo)體載流子濃度時(shí)不能用波爾茲曼統(tǒng)計(jì)代替費(fèi)米統(tǒng)計(jì) C. 處于低溫弱電離區(qū)的半導(dǎo)體，其 遷移率和電導(dǎo)率都隨溫度 升高而增大 D. 半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶電子都處于導(dǎo)帶底 Ec能級(jí)位置 4. 下面說(shuō)法正確的是 D 。 A. 空穴是一種真實(shí)存在的微觀粒子 B. MIS結(jié)構(gòu)電容可等效為絕緣層電容與半導(dǎo)體表面電容的的并聯(lián) C. 穩(wěn)態(tài)和熱平衡態(tài)的物理含義是一樣的 D. 同一種半導(dǎo)體材料中，電子遷移率比空穴遷移率高 5. 空間實(shí)驗(yàn)室中失重狀態(tài)下生長(zhǎng)

6、的 GaAs與地面生長(zhǎng)的GaAs相比，載流子遷移率要 高，這是因?yàn)?B。 A. 無(wú)雜質(zhì)污染 B. 晶體生長(zhǎng)更完整 C. 化學(xué)配比更合理 D. 宇宙射線的照射作用 6. 半導(dǎo)體中少數(shù)載流子壽命的大小主要決定于—A o A. 復(fù)合機(jī)構(gòu) B. 散射機(jī)構(gòu) C. 禁帶寬度 D. 晶體結(jié)構(gòu) 7. 若某材料電阻率隨溫度升高而單調(diào)下降，該材料是 A o A. 本征半導(dǎo)體 B. 雜質(zhì)半導(dǎo)體 C. 金屬導(dǎo)體 D. 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 8. 對(duì)于只含一種雜質(zhì)的非簡(jiǎn)并p型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)隨溫度上升而 D A. 上升 B. 下降 C. 不變 D. 經(jīng)過(guò)一極值后趨近Ei 9

7、. GaAs具有微分負(fù)電導(dǎo)現(xiàn)象，原因在于在強(qiáng)電場(chǎng)作用下， A 。 A. 載流子發(fā)生能谷間散射 B. 載流子遷移率增大 C. 載流子壽命變大 D. 載流子濃度變小 10. 以下4種不同摻雜情況的N型Ge半導(dǎo)體中，室溫下 電子遷移率由大到小的順序是 C 。 a） 摻入濃度1014 cm-3的P原子； b） 摻入濃度1015 cm-3的P原子； c） 摻入濃度2X1014 cm-3的P原子，濃度為1014 cm-3的B原子； d） 摻入濃度3X1015 cm-3的P原子，濃度為2X1015 cm-3的B原子。 A. abcd B. bcda C. acbd D. dcba

8、 11?以下4種Si半導(dǎo)體，室溫下功函數(shù)由大到小的順序是 C 。 a) 摻入濃度 1016 cm 3的B原子； b) 摻入濃度 1016 cm 3的P原子； c) 摻入濃度 1016 cm-3的P原子，濃度為1015 cm-3的B原子; d) 純凈硅。 A. abed B. cdba C. adcb D. dabc 12.以下4種不同摻雜情況的半導(dǎo)體，熱平衡時(shí)室溫下少子濃度最高的是 D 15 3 A. 摻入濃度10 cm P原子的Si半導(dǎo)體； B. 摻入濃度1014 cm-3 B原子的Si半導(dǎo)體

9、； C. 摻入濃度1015 cm-3 P原子Ge半導(dǎo)體； D. 摻入濃度1014 cm-3 B原子Ge半導(dǎo)體。 （已知室溫時(shí)： Si的本征載流子濃度 ni =1.5 1010cm^，Ge的本征載流子濃度 m 二 2.4 1013cm ”) 13.直接復(fù)合時(shí)，小注入的 P型半導(dǎo)體的非平衡載流子壽命 ：d決定于 B 。 1 A. 5 n° B. 1 rd Po C. 1 IP D.其它 14. 在金屬-SiO2-p型Si構(gòu)成的MIS結(jié)構(gòu)中，SiO2中分布的可動(dòng)正電荷不會(huì)影響 A. 半導(dǎo)體表面勢(shì) B. 平帶電壓 C. 平帶電容

10、 D. 器件的穩(wěn)定性 15. 不考慮表面態(tài)的影響，如需在 n型硅上做歐姆電極，以下四種金屬中最適合的是 A 。 A. In (Wm=3.8 eV) B. Cr (Wm=4.6 eV) C. Au (Wm=4.8 eV) D. Al (Wm=4.2 eV) 得分 三、問(wèn)答題(共31分，共四題，6分+ 10分+ 10分+ 5分) 1. 寫(xiě)出下面能帶圖代表的半導(dǎo)體類型，摻雜程度。 (6分) EC EC EC EF Ei 日 一一一?亠* EF - — EV EV EV (a) (b) (c) EC Ec EC _______ e= E 二「m

11、e e EF EF Ev EV EV (d) (e) ⑴ 答：(a)強(qiáng)n型 (b)弱p型 (c)本征型或高度補(bǔ)償型 (d)簡(jiǎn)并、p型 (e)弱n型 (f)強(qiáng)p型 2. 型半導(dǎo)體襯底形成的MIS結(jié)構(gòu)，畫(huà)出外加不同偏壓下積累、平帶、耗盡、反型四種狀態(tài) 的能帶圖。畫(huà)出理想的低頻和高頻電容-電壓曲線。解釋平帶電壓。 (10分) 答：圖略(各2分，共8分) 平帶電壓：功函數(shù)或者絕緣層電荷等因素引起半導(dǎo)體內(nèi)能帶發(fā)生彎曲，為了恢復(fù)平帶狀 態(tài)所需加的外加?xùn)牌珘??；蛘呤拱雽?dǎo)體內(nèi)沒(méi)有能帶彎曲時(shí)所加的柵電壓。 （2 分） 3.寫(xiě)出至少兩種測(cè)試載流子濃度的實(shí)驗(yàn)方法，并說(shuō)明實(shí)

12、驗(yàn)測(cè)試原理。 （10 分） 答：可以采用C-V測(cè)試以及霍耳效應(yīng)來(lái)測(cè)試載流子濃度；（2分） 方法⑴：CV測(cè)試法：a）采用金半接觸結(jié)構(gòu)，測(cè)試 CV曲線，可以得到 丄UV曲線為一 C2 條直線，斜率為 ——-——，因此可以求出摻雜濃度Nd或Na； b）若采用MIS結(jié)構(gòu)，測(cè)試 霾Nd（Na） 高頻GV曲線，由CV曲線的最大值求出氧化層厚度 do,再結(jié)合最小值可以求出摻雜濃 度;（4 分） 方法⑵：霍耳效應(yīng)?；舳鷮?shí)驗(yàn)中，根據(jù)lx, Bz，d，測(cè)出霍耳電壓Vh,由霍耳電壓正負(fù)判斷 導(dǎo)電類型，因?yàn)?Rh = —，因此求出霍耳系數(shù) Rh;再根據(jù)RH =—或訊=-—求出載 IxBz pq nq

13、 流子濃度。（4分） 4.在一維情況下，描寫(xiě)非平衡態(tài)半導(dǎo)體中載流子（空穴）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的連續(xù)方程為: gp,請(qǐng)說(shuō)明上述等式兩邊各個(gè)單項(xiàng)所代表的物理意 義。 答：空一一在x處，t時(shí)刻單位時(shí)間、單位體積中空穴的增加數(shù); （5 分） （1分） Dp ' P ――由于擴(kuò)散，單位時(shí)間、單位體積中空穴的積累數(shù); :x （1 分） -p .:x 由于漂移，單位時(shí)間、單位體積中空穴的積累數(shù)； （1分） 「X ——由于復(fù)合，單位時(shí)間、單位體積中空穴的消失數(shù)； （1分） p gp ――由于其他原因，單位時(shí)間、單位體積中空穴的產(chǎn)生數(shù)。 （1分） 得分 四、 計(jì)算題（共38

14、分，8+ 10+ 10+ 10,共4題） 1. 有一塊半導(dǎo)體硅材料，已知在室溫下（300K）它的空穴濃度為po=2.25X1O%m-3,室溫時(shí) 10 3 硅的 Eg=1.12eV ni=1.5X 10 cm-, k°T=0.026eV （8 分） ⑴ 計(jì)算這塊半導(dǎo)體材料的電子濃度；判斷材料的導(dǎo)電類型； ⑵計(jì)算費(fèi)米能級(jí)的位置。 解：（1） （2分） 因?yàn)镻o -n°,故該材料為p型半導(dǎo)體。 （2分） （2） （ 4 分） 即該p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在禁帶中線下 0.37eV處。 （1分+ 2分+ 1分 2. 某p型Si半導(dǎo)體中受主雜質(zhì)濃度為 NA=10

15、17cm-3且在室溫下完全電離，Si的電子親和能 為4.05eV,禁帶寬度為1.12eV,山=1.5 1010cm‘，試求: 1） Si半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)位置及功函數(shù)； 2） 若不計(jì)表面態(tài)的影響，該p型Si半導(dǎo)體與銀接觸后是否能夠形成阻擋層？ 已知銀的功函數(shù)為WAg=4.81eV。 3） 若能形成阻擋層，求半導(dǎo)體一側(cè)的勢(shì)壘高度和勢(shì)壘寬度。 （室溫下 k°T=0.026eV, Si介電常數(shù) & r=12，& 0=8.85X 10-1 乍/cm, q=1.6 10_19C） （10 分） 1017 解：1）費(fèi)米能級(jí)：Ef = Ei -k0Tln 一 石二 Ej

16、 -0.41（eV） （2 分） 1.5匯10 即位于禁帶中心以下0.41 eV位置 （即qVB=0.41 eV） 功函數(shù)：Ws 二 E「 二 Eg/2 qVB =5.03（eV） （2 分） 2）對(duì)于p型Si,因?yàn)閃s Wm能夠形成空穴阻擋層 （2 分） 3）半導(dǎo)體一側(cè)的勢(shì)壘高度：qVD二Wm -Ws二-0.22（eV） （2分） 勢(shì)壘寬度: Xd ‘2 沃 12 漢 8.85匯10 * 漢 0.22 Y2 19 17 、 1.6 漢 10 漢 10 =5.4 10-6 (cm) (2 分) 3. 假設(shè)室溫下某金屬與SiQ及p型Si構(gòu)成理想MIS結(jié)構(gòu)，設(shè)Si半導(dǎo)

17、體中受主雜質(zhì)濃度為 Na=1.5X 1015/cm3, SiQ厚度 0.2 mm, SiQ介電常數(shù) 3.9, Si介電常數(shù) 12。 1） 求開(kāi)啟電壓Vt； 2） 若SiQ-Si界面處存在固定的正電荷，實(shí)驗(yàn)測(cè)得VT=2.6eV,求固定正電荷的電 (k0T=0.026eV Si:nj =1.5 1010cm=& 0=8.85X 10-14 F/cm, q=1.6 10’9C) (10 分) 解：1）費(fèi)米勢(shì)：Vb二也I n（山）=0.362） （2分） q m 1 4w 趕 V ¥ 表面電荷量：Qs =-qNAXdm =-qNA — =-6.05匯10 （C） （

18、1 分） 、、、qNA 丿 絕緣層電容：C0 = ；ri ；0/d0 =1.72 10*（F/cm2） （1 分） 開(kāi)啟電壓：VT =V0 Vs - -念 2vb =3.5 0.72 =4.22（V） （2 分） C。 2）開(kāi)啟電壓變化即平帶電壓的變化：働t』fb 1.62（V） （2 分） C0 固定電荷量：Qfc =0tC° =2.79"0」（C） （2 分） 4. Pt/Si肖特基二極管在T=300K時(shí)生長(zhǎng)在摻雜濃度為 ND=1016cm-3的n型<100>Si上。肖 特基勢(shì)壘高度為0.89eV。計(jì)算1） En=E>Ef, 2） q

19、V。,，3）忽略勢(shì)壘降低時(shí)的JSt, 4）使J=2A/cm2 （10 分） 時(shí)的外加偏壓V。 解: 4） 2 4） 2 1） Nd =Ncexp（_ E：；Ef） Nc 二 k0T In Nd Ec - Ef Ec -Ef 19 2 8"0 -0.026 In 花 0.206eV 10 2） qVD 二 ns - En =0.684eV 3） Jst =AT2exp（-*） = 2.1 120 3002 exp（ =3.09 10$A/cm2 0.026 — J =Jst exp（畏）—1 -k0 T 1） =0.026 ln（ 8 1） =0.467V ST 3.09 10 （1 分） （1 分） （2 分） （2 分） （1 分） （2 分） （1 分） 4） 2