電子科技大學(xué)半導(dǎo)體物理期末考試試卷A試題答案.doc

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學(xué)院 姓名 學(xué)號 任課老師 選課號/座位號 ………密………封………線………以………內(nèi)………答………題………無………效…… 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 2010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 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Ei D. 經(jīng)過一個極大值趨近Ei 4、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11015cm-3的硅 B. 含磷11016cm-3的硅 C. 含硼11015cm-3，磷11016cm-3的硅 D. 純凈的硅 7、室溫下，如在半導(dǎo)體Si中，同時摻有11014cm-3的硼和1.11015cm-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≈1.51010cm-3；570K時，ni≈21017cm-3） A、11014cm-3 B、11015cm-3 C、1.11015cm-3 D、2.25105cm-3 E、1.21015cm-3 F、21017cm-3 G、高于Ei H、低于Ei I、等于Ei 8、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、EA B、ED C、EF D、Ei E、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)≤0 B、(EC-EF)或(EF-EV)≥0 C、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 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- 。 6、 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 7、 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 三、 問答題（共25分，共四題， 6 分＋6分＋6分＋7分） 1、 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 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500 cm2/(V.s)，假使在雜質(zhì)濃度小于11017cm-3時電子的遷移率為850 cm2/(V.s)，ni=1.51010cm-3，硅的原子密度為51022cm-3。） 解：（1） （3分） （2）ND=5102210-6=51016(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=1200 cm2/(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=1.3810-23J/K）,q=1.610-19C，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) qVB qVB Ec Ei EF Ev ① 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=1.610-7m2。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）和（2）。 （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 ） 0 -9.8 -17 8.16 22 (1) (2) C0 Cmin C(pF) VG(V) 解：（1）由圖示的C-V曲線可得： C0=Ci=22pF, Cmin=8.16pF 所以，SiO2的厚度為： （ 2分 ） ⑵ 由于金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的差別，而引起半導(dǎo)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： （ 2分 ） 計算界面固定電荷密度時應(yīng)該從負偏壓的C-V曲線確定VFB,即曲線（1），此時移動電荷已經(jīng)到Al和SiO2的界面，所以，固定電荷密度為： （ 2分 ） ⑶ 計算可移動電荷密度，由正負溫偏處理后的來計算， （ 4分 ） 第 10 頁 共 10頁