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2005 至 2010学 年 半导体期末试题(本科生)解析

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二 0 0 五 至 二 0 0六学 年 第 一 学期

一、选择填空(含多选题)(18分) 1、重空穴是指( C )

A、质量较大的原子组成的半导体中的空穴 B、价带顶附近曲率较大的等能面上的空穴 C、价带顶附近曲率较小的等能面上的空穴 D、自旋-轨道耦合分裂出来的能带上的空穴 2、硅的晶格结构和能带结构分别是( C ) A. 金刚石型和直接禁带型 B. 闪锌矿型和直接禁带型 C. 金刚石型和间接禁带型 D. 闪锌矿型和间接禁带型 3、电子在晶体中的共有化运动指的是电子在晶体( C )。 A、各处出现的几率相同 B、各处的相位相同 C、各元胞对应点出现的几率相同 D、各元胞对应点的相位相同 4、本征半导体是指( A )的半导体。

A、不含杂质与缺陷; B、电子密度与空穴密度相等; C、电阻率最高; C、电子密度与本征载流子密度相等。 5、简并半导体是指( A )的半导体

A、(EC-EF)或(EF-EV)≤0 B、(EC-EF)或(EF-EV)≥0 C、能使用玻耳兹曼近似计算载流子浓度 D、导带底和价带顶能容纳多个状态相同的电子

6、当Au掺入Si中时,它引入的杂质能级是( A )能级,在半导体中起的是( C )的作用;当B掺入Si中时,它引入的杂质能级是( B )能级,在半导体中起的是( D )的作用。 A、施主 B、受主 C、深 D、浅

7、在某半导体掺入硼的浓度为1014cm-3, 磷为1015 cm-3,则该半导体为( B )半导体;其有效杂质浓度约为( E )。

A. 本征, B. n型, C. p型, D. 1.1×1015cm-3, E. 9×1014cm-3 8、3个硅样品的掺杂情况如下:

甲.含镓1×10cm;乙.含硼和磷各1×10cm;丙.含铝1×10cm

这三种样品在室温下的费米能级由低到高(以EV为基准)的顺序是( B )A.甲乙丙; B.甲丙乙; C.乙丙甲; D.丙甲乙

9、以长声学波为主要散射机构时,电子的迁移率μn与温度的( B )。A、平方成正比;B、3/2次方成反比;C.平方成反比; D、1/2次方成正比; 10、公式17

-3

17

-3

15

-3

q/m*中的是载流子的( C )。

A、散射时间;B 、寿命;C、平均自由时间; D、扩散系数。 11、对大注入下的直接复合,非子寿命与平衡载流子浓度( A )

1

A. 无关; B. 成正比; C. 成反比; D. 的平方成反比 12、欧姆接触是指( D )的金属-半导体接触。

A、Wms=0;B、Wms<0;C、Wms>0;D、阻值较小并且有对称而线性的伏-安特性

13、在MIS结构的金属栅极和半导体上加一变化的电压,在栅极电压由负值增加到足够大的正值的的过程中,如半导体为P型,则在半导体的接触面上依次出现的状态为( B )。 A.少数载流子反型状态,多数载流子耗尽状态,多数载流子堆积状态 B.多数载流子堆积状态,多数载流子耗尽状态,少数载流子反型状态 C.多数载流子耗尽状态,多数载流子堆积状态,少数载流子反型状态 D.少数载流子反型状态,多数载流子堆积状态,多数载流子耗尽状态 14、MOS器件绝缘层中的可动电荷是( C ) A.电子; B. 空穴;C. 钠离子;D. 硅离子。

二、证明题:(8分)

试用一维非均匀掺杂(掺杂浓度随x的增加而下降),非简并p型半导体模型导出爱因斯坦关系式:

DppkoT q证明:由于掺杂浓度不均匀,电离后空穴浓度也不均匀,形成扩散电流:

dpjpqDp0,空穴向右扩散的结果,使得左边带负电,右边带正电,形成反x

dx方向的自建电场E, 产生漂移电流:j漂qpp0E,稳定时两者之和为零,即:

dp0dVqpp0E0,而E,有电场存在时,在各处产生附加势能-dxdxqV(x),使得能带发生倾斜。在x处的价带顶为:EV(x)=EV-qV(x),则x处的空穴qDp浓度为:

p0(x)NVexp(EFEVqV(x))k0T则:

dp0EEVqV(x)qdVqdV NVexp(F)()p0(x)dxk0Tk0Tdxk0Tdx故:qDpp0DkTqdVdVqpp00,p0

k0Tdxdxpq三、简答题(28分)

1、试说明浅能级杂质和深能级杂质的物理意义及特点?(4分)

答:物理意义:在纯净的半导体中,掺入少量的其它元素杂质,对半导体的性能影响很大。由于杂质的存在,使得该处的周期性势场受到扰乱,因而杂质的电子不能处于正常的导带或价带中,而是在禁带中引入分裂能级,即杂质能级。根据杂质能级在禁带中的位置不同,分为深能级杂质和浅能级杂质。又根据杂质电离后施放的电子还是空穴,分为施主和受主两类。(2分)

特点:对于浅能级杂质,施主或受主能级离导带底或价带顶很近,电离能很小,

2

在常温下,杂质基本全部电离,使得导带或价带增加电子或空穴,它的重要作用是改变半导体的导电类型和调节半导体的导电能力。对于深能级杂质,能级较深,电离能很大,对半导体的载流子浓度和导电类型没有显著的影响,但能提供有效的复合中心,可用于高速开关器件。(2分)

2、什么样的金半接触具有整流效应(考虑在n型和p型的情况)?(5分) 答:能形成阻挡层的金半接触才具有整流效应。(1分)

即金属和n型半导体接触时,若金属的功函数大于半导体的功函数,在半导体表面形成一个正的空间电荷区能带向上弯,是电子的势垒区,电子浓度比体内小得多,是个高阻区;(2分)

或者金属和p半导体接触时,若金属的功函数小半导体的功函数,在半导体表面形成负的空间电荷区,能带向下弯,是空穴的势垒区,空穴浓度比体内小得多,也是个高阻区。这样的接触具有整流效应。(2分)

3、什么是扩散长度、牵引长度?它们各由哪些因素决定?(4分)

答:扩散长度指的是非平衡载流子在复合前所能扩散深入样品的平均距离,它由扩散系数和材料的非平衡载流子的寿命决定,即LD。(2分)

牵引长度是指非平衡载流子在电场E的作用下,在寿命时间内所漂移的距离,即L(E)E,由电场、迁移率和寿命决定。(2分)

4、什么是复合中心、陷阱中心和等电子复合中心?(6分)

答:半导体中的杂质和缺陷可以在禁带中形成一定的能级,对非平衡载流子的寿命有很大影响。杂质和缺陷越多,寿命越短,杂质和缺陷有促进复合的作用,把促进复合的杂质和缺陷称为复合中心。(2分)

半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级,这些能级具有收容部分非平衡载流子的作用,杂质能级的这种积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应。把产生显著陷阱效应的杂质和缺陷称为陷阱中心。(2分)

等电子复合中心:在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中掺入一定量的与主原子等价的某种杂质原子,取代格点上的原子。由于杂质原子和主原子之间电负性的差别,中性杂质原子可以束缚电子或空穴而成为带电中心,带电中心会吸引和被束缚载流子符号相反的载流子,形成一个激子束缚态。这种激子束缚态叫等电子复合中心。(2分)

5、在一维情况下,描写非平衡态半导体中载流子(空穴)运动规律的连续方程

Epp2pp为:Dp2pEppgp,请说明上述等式两边各个单项

txxxp所代表的物理意义。(5分) p答:――在x处,t时刻单位时间、单位体积中空穴的增加数;(1分)

t2pDp2――由于扩散,单位时间、单位体积中空穴的积累数;(1分) xpEEppp――由于漂移,单位时间、单位体积中空穴的积累数; xx 3

pp――由于复合,单位时间、单位体积中空穴的消失数;(1分) (1分) gp――由于其他原因,单位时间、单位体积中空穴的产生数。

6.以中等掺杂n型硅为例定性阐述电阻率ρ随温度T变化的三个阶段的特点。 ρ

C D A

B

T

1答:设半导体为n型,有 

nqnAB:本征激发可忽略。温度升高,载流子浓度增加,杂质散射导致迁移率也升高,故电阻率ρ随温度T升高下降;(1分)

BC:杂质全电离,以晶格振动散射为主。温度升高,载流子浓度基本不变。晶

格振动散射导致迁移率下降,故电阻率ρ随温度T升高上升;(1分)

CD:本征激发为主。晶格振动散射导致迁移率下降,但载流子浓度升高很快,

故电阻率ρ随温度T升高而下降;(1分)

四、计算题 (16分)

1、N型Si半导体样品受均匀光照产生非平衡载流子电子――空穴对, 其净产

生率G=1018/(cm3.s)属于小注入水平,已知非子空穴的寿命p10s,求光照停止20s后的非子空穴密度(已知自然对数的底e≈2.7)。(8分) 解:稳定光照式的非子空穴浓度为:pGp1018101061013(cm3)

也即光照停止后光生空穴密度衰减过程中的初始浓度p(0)。

p(t)p(0)exp(tp)

2010光停止20μS后的非子空穴密度为p(20)10e13101321.351012(cm3) e 4

2、有一硅样品在温度为300k时,施主与受主的浓度差ND-NA=1014cm-3,设杂质全部电离,已知该温度下导带底的有效状态密度NC=2.9×1019cm-3,硅的本征载流子浓度ni=1.5×1010cm-3,求样品的费米能级位于哪里?(8分)

解:由电中性条件可得:n0(NDNA)p0

由题意可知,ni=1.5×1010cm-3, ND-NA=1014cm-3;故有:NDNAp0, 所以n0NDNA1014cm3导带电子浓度为:n0NCexp(nip0,可忽略

ECEF)所以,k0TNC2.91019EFECk0TlnEC(0.026eV)lnEC0.327eV 14n010样品的费米能级位于导带底Ec下方0.327eV。

3、施主浓度为ND=1017cm-3的N型硅,室温下的功函数是多少?若它与Al形成金半接触,那么半导体的表面势为多少?已知ln250=5.52,硅的亲和能取4.05eV. Nc=2.5×1019cm-3,Al的功函数为4.30eV。 解:室温下杂质全部电离

n0=

ND=Ncexp(

ECEFkT硅

); EF=Ec+kTln(ND/Nc)=

Ec+0.026ln

10172.51019;Ec-EF=0.147eV 所以该功函数

Ws=En=+( Ec-EF)=4.05+0.147=4.197eV Vs=

WsWm-0.103≈ -0.10V q4、MOS结构中,氧化层内存在三角形电荷分布,硅附近高,金属附近低。单位表面积的离子数为1012cm-2,氧化层的厚度为0.2µm,εr0=3.9。求氧化层内电荷引起的平带电压变化ΔV (已知ε0=8.85×10-12F/m) 解、电荷分布方程及边界条件为 ρ(x)|x=d0 =ρ0;ρ(x)= (ρ0/d0)x

11 ∴ Q=0d0 ∴VFB=2d0C0

d000d02(x)xdx3r00 = -6.2V

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电子科大2005-2006年第一学期

一、选择填空(含多选题)(18分)

1、重空穴是指( C )

A、质量较大的原子组成的半导体中的空穴 B、价带顶附近曲率较大的等能面上的空穴 C、价带顶附近曲率较小的等能面上的空穴 D、自旋-轨道耦合分裂出来的能带上的空穴

2、硅的晶格结构和能带结构分别是( C )

A. 金刚石型和直接禁带型 B. 闪锌矿型和直接禁带型 C. 金刚石型和间接禁带型 D. 闪锌矿型和间接禁带型 3、电子在晶体中的共有化运动指的是电子在晶体( C )。 A、各处出现的几率相同 B、各处的相位相同

C、各元胞对应点出现的几率相同 D、各元胞对应点的相位相同 4、本征半导体是指( A )的半导体。

A、不含杂质与缺陷; B、电子密度与空穴密度相等; C、电阻率最高; C、电子密度与本征载流子密度相等。 5、简并半导体是指( A )的半导体

A、(EC-EF)或(EF-EV)≤0 B、(EC-EF)或(EF-EV)≥0 C、能使用玻耳兹曼近似计算载流子浓度 D、导带底和价带顶能容纳多个状态相同的电子

6、当Au掺入Si中时,它引入的杂质能级是( A )能级,在半导体中起的是( C )的作用;当B掺入Si中时,它引入的杂质能级是( B )能级,在半导体中起的是( D )的作用。

A、施主 B、受主 C、深 D、浅

7、在某半导体掺入硼的浓度为1014cm-3, 磷为1015 cm-3,则该半导体为( B )半导体;其有效杂质浓度约为( E )。

A. 本征, B. n型, C. p型, D. 1.1×1015cm-3, E. 9×1014cm-3 8、3个硅样品的掺杂情况如下:

甲.含镓1×1017cm-3;乙.含硼和磷各1×1017cm-3;丙.含铝1×1015cm-3

这三种样品在室温下的费米能级由低到高(以EV为基准)的顺序是( B ) A.甲乙丙; B.甲丙乙; C.乙丙甲; D.丙甲乙

9、以长声学波为主要散射机构时,电子的迁移率μn与温度的( B )。 A、平方成正比; B、3/2次方成反比; C、平方成反比; D、1/2次方成正比; 10、公式q/m*中的是载流子的( C )。

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A、散射时间; B 、寿命; C、平均自由时间; C、扩散系数。

11、对大注入下的直接复合,非子寿命与平衡载流子浓度( A ) A. 无关; B. 成正比; C. 成反比; D. 的平方成反比 12、欧姆接触是指( D )的金属-半导体接触。 A、Wms=0 B、Wms<0

C、Wms>0 D、阻值较小并且有对称而线性的伏-安特性

13、在MIS结构的金属栅极和半导体上加一变化的电压,在栅极电压由负值增加到足够大的正值的的过程中,如半导体为P型,则在半导体的接触面上依次出现的状态为( B )。

A.少数载流子反型状态,多数载流子耗尽状态,多数载流子堆积状态 B.多数载流子堆积状态,多数载流子耗尽状态,少数载流子反型状态 C.多数载流子耗尽状态,多数载流子堆积状态,少数载流子反型状态 D.少数载流子反型状态,多数载流子堆积状态,多数载流子耗尽状态 14、MOS器件绝缘层中的可动电荷是( C ) A.电子; B. 空穴;C. 钠离子;D. 硅离子。

二、证明题:(8分)

试用一维非均匀掺杂(掺杂浓度随x的增加而下降),非简并p型半导体模型导出爱因斯坦关系式:

DppkoT q证明:由于掺杂浓度不均匀,电离后空穴浓度也不均匀,形成扩散电流:

dpjpqDp0

dx空穴向右扩散的结果,使得左边带负电,右边带正电,形成反x方向的自建电场E, 产生漂移电流:

j漂qpp0E

稳定时两者之和为零,即:

qDpdp0qpp0E0 dxdV,有电场存在时,在各处产生附加势能-qV(x),使得能带发生倾斜。 dx在x处的价带顶为:EV(x)=EV-qV(x),则x处的空穴浓度为:

而Ep0(x)NVexp(EFEVqV(x))

k0T则:

dp0EEVqV(x)qdVNVexp(F)() dxk0Tk0Tdx 7

p0(x)qdV

k0TdxqdVdVqpp00

k0Tdxdx故:qDpp0Dpp

k0T q三、简答题(28分)

3、试说明浅能级杂质和深能级杂质的物理意义及特点?(4分)

答:物理意义:在纯净的半导体中,掺入少量的其它元素杂质,对半导体的性能影响很大。由于杂质的存在,使得该处的周期性势场受到扰乱,因而杂质的电子不能处于正常的导带或价带中,而是在禁带中引入分裂能级,即杂质能级。根据杂质能级在禁带中的位置不同,分为深能级杂质和浅能级杂质。又根据杂质电离后施放的电子还是空穴,分为施主和受主两类。(2分)

特点:对于浅能级杂质,施主或受主能级离导带底或价带顶很近,电离能很小,在常温下,杂质基本全部电离,使得导带或价带增加电子或空穴,它的重要作用是改变半导体的导电类型和调节半导体的导电能力。对于深能级杂质,能级较深,电离能很大,对半导体的载流子浓度和导电类型没有显著的影响,但能提供有效的复合中心,可用于高速开关器件。(2分)

4、什么样的金半接触具有整流效应(考虑在n型和p型的情况)?(5分) 答:能形成阻挡层的金半接触才具有整流效应。(1分)

即金属和n型半导体接触时,若金属的功函数大于半导体的功函数,在半导体表面形成一个正的空间电荷区能带向上弯,是电子的势垒区,电子浓度比体内小得多,是个高阻区;(2分)

或者金属和p半导体接触时,若金属的功函数小半导体的功函数,在半导体表面形成负的空间电荷区,能带向下弯,是空穴的势垒区,空穴浓度比体内小得多,也是个高阻区。这样的接触具有整流效应。(2分)

3、什么是扩散长度、牵引长度?它们各由哪些因素决定?(4分)

答:扩散长度指的是非平衡载流子在复合前所能扩散深入样品的平均距离,它由

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扩散系数和材料的非平衡载流子的寿命决定,即LD。(2分)

牵引长度是指非平衡载流子在电场E的作用下,在寿命时间内所漂移的距离,即L(E)E,由电场、迁移率和寿命决定。(2分) 4、什么是复合中心、陷阱中心和等电子复合中心?(6分)

答:半导体中的杂质和缺陷可以在禁带中形成一定的能级,对非平衡载流子的寿命有很大影响。杂质和缺陷越多,寿命越短,杂质和缺陷有促进复合的作用,把促进复合的杂质和缺陷称为复合中心。(2分)

半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级,这些能级具有收容部分非平衡载流子的作用,杂质能级的这种积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应。把产生显著陷阱效应的杂质和缺陷称为陷阱中心。(2分)

等电子复合中心:在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中掺入一定量的与主原子等价的某种杂质原子,取代格点上的原子。由于杂质原子和主原子之间电负性的差别,中性杂质原子可以束缚电子或空穴而成为带电中心,带电中心会吸引和被束缚载流子符号相反的载流子,形成一个激子束缚态。这种激子束缚态叫等电子复合中心。(2分)

5、在一维情况下,描写非平衡态半导体中载流子(空穴)运动规律的连续方程

Epp2pp为:Dp2pEppgp,请说明上述等式两边各个单项

txxxp所代表的物理意义。(5分) p答:――在x处,t时刻单位时间、单位体积中空穴的增加数;(1分)

t2pDp2――由于扩散,单位时间、单位体积中空穴的积累数;(1分) xpEEppp――由于漂移,单位时间、单位体积中空穴的积累数;xx(1分)

pp――由于复合,单位时间、单位体积中空穴的消失数;(1分)

(1分) gp――由于其他原因,单位时间、单位体积中空穴的产生数。

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6.以中等掺杂n型硅为例定性阐述电阻率ρ随温度T变化的三个阶段的特点。

ρ

C D A

B

T 答:设半导体为n型,有

1 nqnAB:本征激发可忽略。温度升高,载流子浓度增加,杂质散射导致迁移率也升高,故电阻率ρ随温度T升高下降;(1分)

BC:杂质全电离,以晶格振动散射为主。温度升高,载流子浓度基本不变。晶

格振动散射导致迁移率下降,故电阻率ρ随温度T升高上升;(1分)

CD:本征激发为主。晶格振动散射导致迁移率下降,但载流子浓度升高很快,

故电阻率ρ随温度T升高而下降;(1分)

四、计算题 (8分)

有一硅样品在温度为300k时,施主与受主的浓度差ND-NA=1014cm-3,设杂质全部电离,已知该温度下导带底的有效状态密度NC=2.9×1019cm-3,硅的本征载流子浓度ni=1.5×1010cm-3,求样品的费米能级位于哪里?(8分)

解:由电中性条件可得:n0(NDNA)p0 (1分) 由题意可知,ni=1.5×1010cm-3, ND-NA=1014cm-3 故有:NDNAnip0,可忽略p0,

所以n0NDNA1014cm3 (1分) 导带电子浓度为:n0NCexp(ECEF) (2分) k0TNC2.91019所以,EFECk0TlnEC(0.026eV)lnEC0.327eV (314n010分)

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样品的费米能级位于导带底Ec下方0.327eV。(1分)

五、分析判断题:(8分)

采用理想结构的C-V特性曲线和给出的电荷块图,填写下表。对于表中命名的每一个偏置条件,采用字母(a-g)标出相应的偏置点或理想MOS电容C-V特性曲线上的点,同样采用数字(1-5)标出与每个偏置条件相关的电荷块图。

偏置条件 积累 耗尽 反型 平带

电容(a-g) g e a f 电荷块图(1-5) 3 1 4 2 11

电子科大2005-2006年第一学期

一、选择填空(含多选题)(18分)

1、重空穴是指( C )

A、质量较大的原子组成的半导体中的空穴 B、价带顶附近曲率较大的等能面上的空穴 C、价带顶附近曲率较小的等能面上的空穴 D、自旋-轨道耦合分裂出来的能带上的空穴

2、硅的晶格结构和能带结构分别是( C )

A. 金刚石型和直接禁带型 B. 闪锌矿型和直接禁带型 C. 金刚石型和间接禁带型 D. 闪锌矿型和间接禁带型 3、电子在晶体中的共有化运动指的是电子在晶体( C )。 A、各处出现的几率相同 B、各处的相位相同

C、各元胞对应点出现的几率相同 D、各元胞对应点的相位相同 4、本征半导体是指( A )的半导体。

A、不含杂质与缺陷; B、电子密度与空穴密度相等; C、电阻率最高; C、电子密度与本征载流子密度相等。 5、简并半导体是指( A )的半导体

A、(EC-EF)或(EF-EV)≤0 B、(EC-EF)或(EF-EV)≥0 C、能使用玻耳兹曼近似计算载流子浓度 D、导带底和价带顶能容纳多个状态相同的电子

6、当Au掺入Si中时,它引入的杂质能级是( A )能级,在半导体中起的是( C )的作用;当B掺入Si中时,它引入的杂质能级是( B )能级,在半导体中起的是( D )的作用。

A、施主 B、受主 C、深 D、浅

7、在某半导体掺入硼的浓度为1014cm-3, 磷为1015 cm-3,则该半导体为( B )半导体;其有效杂质浓度约为( E )。

A. 本征, B. n型, C. p型, D. 1.1×1015cm-3, E. 9×1014cm-3 8、3个硅样品的掺杂情况如下:

甲.含镓1×1017cm-3;乙.含硼和磷各1×1017cm-3;丙.含铝1×1015cm-3

这三种样品在室温下的费米能级由低到高(以EV为基准)的顺序是( B ) A.甲乙丙; B.甲丙乙; C.乙丙甲; D.丙甲乙

9、以长声学波为主要散射机构时,电子的迁移率μn与温度的( B )。 A、平方成正比; B、3/2次方成反比; C、平方成反比; D、1/2次方成正比;

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10、公式q/m*中的是载流子的( C )。

A、散射时间; B 、寿命; C、平均自由时间; C、扩散系数。

11、对大注入下的直接复合,非子寿命与平衡载流子浓度( A ) A. 无关; B. 成正比; C. 成反比; D. 的平方成反比 12、欧姆接触是指( D )的金属-半导体接触。 A、Wms=0 B、Wms<0

C、Wms>0 D、阻值较小并且有对称而线性的伏-安特性

13、在MIS结构的金属栅极和半导体上加一变化的电压,在栅极电压由负值增加到足够大的正值的的过程中,如半导体为P型,则在半导体的接触面上依次出现的状态为( B )。

A.少数载流子反型状态,多数载流子耗尽状态,多数载流子堆积状态 B.多数载流子堆积状态,多数载流子耗尽状态,少数载流子反型状态 C.多数载流子耗尽状态,多数载流子堆积状态,少数载流子反型状态 D.少数载流子反型状态,多数载流子堆积状态,多数载流子耗尽状态 14、MOS器件绝缘层中的可动电荷是( C ) A.电子; B. 空穴;C. 钠离子;D. 硅离子。

二、证明题:(8分)

试用一维非均匀掺杂(掺杂浓度随x的增加而下降),非简并p型半导体模型导出爱因斯坦关系式:

DppkoT q证明:由于掺杂浓度不均匀,电离后空穴浓度也不均匀,形成扩散电流:

dpjpqDp0

dx空穴向右扩散的结果,使得左边带负电,右边带正电,形成反x方向的自建电场E, 产生漂移电流:

j漂qpp0E

稳定时两者之和为零,即:

qDpdp0qpp0E0 dxdV,有电场存在时,在各处产生附加势能-qV(x),使得能带发生倾斜。 dx在x处的价带顶为:EV(x)=EV-qV(x),则x处的空穴浓度为:

而Ep0(x)NVexp(EFEVqV(x))

k0T则:

dp0EEVqV(x)qdVNVexp(F)() dxk0Tk0Tdx13

p0(x)qdV

k0TdxqdVdVqpp00

k0Tdxdx故:qDpp0Dpp

k0T q三、简答题(28分)

5、试说明浅能级杂质和深能级杂质的物理意义及特点?(4分)

答:物理意义:在纯净的半导体中,掺入少量的其它元素杂质,对半导体的性能影响很大。由于杂质的存在,使得该处的周期性势场受到扰乱,因而杂质的电子不能处于正常的导带或价带中,而是在禁带中引入分裂能级,即杂质能级。根据杂质能级在禁带中的位置不同,分为深能级杂质和浅能级杂质。又根据杂质电离后施放的电子还是空穴,分为施主和受主两类。(2分)

特点:对于浅能级杂质,施主或受主能级离导带底或价带顶很近,电离能很小,在常温下,杂质基本全部电离,使得导带或价带增加电子或空穴,它的重要作用是改变半导体的导电类型和调节半导体的导电能力。对于深能级杂质,能级较深,电离能很大,对半导体的载流子浓度和导电类型没有显著的影响,但能提供有效的复合中心,可用于高速开关器件。(2分)

6、什么样的金半接触具有整流效应(考虑在n型和p型的情况)?(5分) 答:能形成阻挡层的金半接触才具有整流效应。(1分)

即金属和n型半导体接触时,若金属的功函数大于半导体的功函数,在半导体表面形成一个正的空间电荷区能带向上弯,是电子的势垒区,电子浓度比体内小得多,是个高阻区;(2分)

或者金属和p半导体接触时,若金属的功函数小半导体的功函数,在半导体表面形成负的空间电荷区,能带向下弯,是空穴的势垒区,空穴浓度比体内小得多,也是个高阻区。这样的接触具有整流效应。(2分)

3、什么是扩散长度、牵引长度?它们各由哪些因素决定?(4分)

答:扩散长度指的是非平衡载流子在复合前所能扩散深入样品的平均距离,它由

14

扩散系数和材料的非平衡载流子的寿命决定,即LD。(2分)

牵引长度是指非平衡载流子在电场E的作用下,在寿命时间内所漂移的距离,即L(E)E,由电场、迁移率和寿命决定。(2分) 4、什么是复合中心、陷阱中心和等电子复合中心?(6分)

答:半导体中的杂质和缺陷可以在禁带中形成一定的能级,对非平衡载流子的寿命有很大影响。杂质和缺陷越多,寿命越短,杂质和缺陷有促进复合的作用,把促进复合的杂质和缺陷称为复合中心。(2分)

半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级,这些能级具有收容部分非平衡载流子的作用,杂质能级的这种积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应。把产生显著陷阱效应的杂质和缺陷称为陷阱中心。(2分)

等电子复合中心:在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中掺入一定量的与主原子等价的某种杂质原子,取代格点上的原子。由于杂质原子和主原子之间电负性的差别,中性杂质原子可以束缚电子或空穴而成为带电中心,带电中心会吸引和被束缚载流子符号相反的载流子,形成一个激子束缚态。这种激子束缚态叫等电子复合中心。(2分)

5、在一维情况下,描写非平衡态半导体中载流子(空穴)运动规律的连续方程

Epp2pp为:Dp2pEppgp,请说明上述等式两边各个单项

txxxp所代表的物理意义。(5分) p答:――在x处,t时刻单位时间、单位体积中空穴的增加数;(1分)

t2pDp2――由于扩散,单位时间、单位体积中空穴的积累数;(1分) xpEEppp――由于漂移,单位时间、单位体积中空穴的积累数;xx(1分)

pp――由于复合,单位时间、单位体积中空穴的消失数;(1分)

(1分) gp――由于其他原因,单位时间、单位体积中空穴的产生数。

15

6.以中等掺杂n型硅为例定性阐述电阻率ρ随温度T变化的三个阶段的特点。

ρ

C D A

B

T 答:设半导体为n型,有

1 nqnAB:本征激发可忽略。温度升高,载流子浓度增加,杂质散射导致迁移率也升高,故电阻率ρ随温度T升高下降;(1分)

BC:杂质全电离,以晶格振动散射为主。温度升高,载流子浓度基本不变。晶

格振动散射导致迁移率下降,故电阻率ρ随温度T升高上升;(1分)

CD:本征激发为主。晶格振动散射导致迁移率下降,但载流子浓度升高很快,

故电阻率ρ随温度T升高而下降;(1分)

四、计算题 (8分)

有一硅样品在温度为300k时,施主与受主的浓度差ND-NA=1014cm-3,设杂质全部电离,已知该温度下导带底的有效状态密度NC=2.9×1019cm-3,硅的本征载流子浓度ni=1.5×1010cm-3,求样品的费米能级位于哪里?(8分)

解:由电中性条件可得:n0(NDNA)p0 (1分) 由题意可知,ni=1.5×1010cm-3, ND-NA=1014cm-3 故有:NDNAnip0,可忽略p0,

所以n0NDNA1014cm3 (1分) 导带电子浓度为:n0NCexp(ECEF) (2分) k0TNC2.91019所以,EFECk0TlnEC(0.026eV)lnEC0.327eV (314n010分)

16

样品的费米能级位于导带底Ec下方0.327eV。(1分)

五、分析判断题:(8分)

采用理想结构的C-V特性曲线和给出的电荷块图,填写下表。对于表中命名的每一个偏置条件,采用字母(a-g)标出相应的偏置点或理想MOS电容C-V特性曲线上的点,同样采用数字(1-5)标出与每个偏置条件相关的电荷块图。

偏置条件 积累 耗尽 反型 平带

电容(a-g) g e a f 电荷块图(1-5) 3 1 4 2 17

电子科技大学二零 九 至二零 一零 学年第 一 学期期 末 考试

半导体物理 课程考试题 A卷 ( 120分钟) 考试形式: 闭卷 考试日期 2010年 元月 18日

课程成绩构成:平时 10 分, 期中 5 分, 实验 15 分, 期末 70 分

得分 签名 得 分 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 合计 复核人签名 一、选择题(共25分,共 25题,每题1 分)

1、本征半导体是指( A )的半导体。 A. 不含杂质和缺陷 B. 电阻率最高

C. 电子密度和空穴密度相等 D. 电子密度与本征载流子密度相等

2、如果一半导体的导带中发现电子的几率为零,那么该半导体必定( D )。

A. 不含施主杂质 B. 不含受主杂质 C. 不含任何杂质 D. 处于绝对零度

3、对于只含一种杂质的非简并n型半导体,费米能级EF随温度上升而( D )。

A. 单调上升 B. 单调下降

C. 经过一个极小值趋近Ei D. 经过一个极大值趋近Ei

4、如某材料电阻率随温度上升而先下降后上升,该材料为( C )。

18

A. 金属 B. 本征半导体 C. 掺杂半导体 D. 高纯化合物半导体 5、公式q/m*中的是半导体载流子的( C )。 A. 迁移时间 B. 寿命 C. 平均自由时间 D. 扩散时间

6、下面情况下的材料中,室温时功函数最大的是( 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. 纯净的硅

7、室温下,如在半导体Si中,同时掺有1×1014cm-3的硼和1.1×1015cm-3的磷,则电子浓度约为( B ),空穴浓度为( D ),费米能级为( G )。将该半导体由室温度升至570K,则多子浓度约为( F ),少子浓度为( F ),费米能级为( I )。(已知:室温下,ni≈1.5×1010cm-3;570K时,ni≈2×1017cm-3)

A、1×1014cm-3 B、1×1015cm-3 C、1.1×1015cm-3 D、2.25×105cm-3 E、1.2×1015cm-3 F、2×1017cm-3 G、高于Ei H、低于Ei I、等于Ei

8、最有效的复合中心能级位置在( D )附近;最有利陷阱作用的能级位置在( C )附近,常见的是( E )陷阱。 A、EA B、ED C、EF D、Ei E、少子 F、多子

9、MIS结构的表面发生强反型时,其表面的导电类型与体材料的( B ),若增加掺杂浓度,其开启电压将( C )。 A、相同 B、不同 C、增加 D、减少

10、对大注入条件下,在一定的温度下,非平衡载流子的寿命与( D )。 A、平衡载流子浓度成正比 B、非平衡载流子浓度成正比 C、平衡载流子浓度成反比 D、非平衡载流子浓度成反比 11、可以由霍尔系数的值判断半导体材料的特性,如一种半导体材料的霍尔系数为负值,该材料通常是( A )

19

A、n型 B、p型 C、本征型 D、高度补偿型

12、如在半导体中以长声学波为主要散射机构是,电子的迁移率n与温度的( B )。

3次方成反比 23 C、平方成反比 D、次方成正比

2 A、平方成正比 B、

13、为减少固定电荷密度和快界面态的影响,在制备MOS器件时通常选择硅单晶的方向为( A )。

A、【100】 B、【111】 C、【110】 D、【111】或【110】 14、简并半导体是指( A )的半导体。

A、(EC-EF)或(EF-EV)≤0 B、(EC-EF)或(EF-EV)≥0

C、能使用玻耳兹曼近似计算载流子浓度 D、导带底和价带顶能容纳多个状态相同的电子

15、在硅基MOS器件中,硅衬底和SiO2界面处的固定电荷是( B ),它的存在使得半导体表面的能带( C ),在C-V曲线上造成平带电压( F )偏移。 A、钠离子 B、过剩的硅离子 C、向下 D、向上 E、向正向电压方向; F、 向负向电压方向

得 分 二、填空题(共15分,共 15空,每空1 分) 1、硅的导带极小值位于布里渊区的 <100>方向上,根据晶体的对称性共有 6 个等价能谷。

2、n型硅掺砷后,费米能级向 Ec(上) 移动,如升高材料的工作温度,则费米能级向 Ei(下)移动。

3、对于导带为多能谷的半导体,如GaAs,当能量适当高的子能谷的曲率较 小 时,有可能观察导负微分电导现象,这是因为这种子能谷中的电子的有效质量较 大 。 4、复合中心的作用是促进电子和空穴的复合,起有效的复合中心的杂质能级必须位于Ei(禁带中线),并且对电子和空穴的俘获系数rn和rp必须满足 rn=rp 。

20

5、热平衡条件下,半导体中同时含有一种施主杂质和一种受主杂质情况下的电中性条件是_p0+nD+=n0+pA- 。

6、金半接触时,常用的形成欧姆接触的方法有_隧道效应 和_反阻挡层 7、MIS结构的表面发生强反型时,其表面的导电类型和体材料的导电类型_相反 (相同或相反),若增加掺杂浓度,其开启电压将_ 增加 (增加或减小)。 8、在半导体中,如果温度升高,则考虑对载流子的散射作用时,电离杂质散射概率 减小 和晶格振动散射概率 增大 。

得 分 三、 问答题(共25分,共四题, 6 分+6分+6分+7分)

1、在本征半导体中进行有意掺杂各种元素,可改变材料的电学性能。请解释什么是浅能级杂质、深能级杂质,它们分别影响半导体哪些主要性质;什么是杂

(本题6分)

答:浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。它们电离后将成为带正电(电离施主)或带负电(电离受主)的离子,并同时向导带提供电子或向价带提供空穴。它可有效地提高半导体的导电能力。掺杂半导体又分为n型半导体和p型半导体。(2分)

深能级杂质是指杂质所在的能级位置在禁带中远离导带或价带,在常温下很难电离,不能对导带的电子或价带的空穴的浓度有所贡献,但它可以提供有效的复合中心,在光电子开关器件中有所应用。(2分)

当半导体中既有施主又有受主时,施主和受主将先互相抵消,剩余的杂质最后电离,这就是杂质补偿。(1分)

利用杂质补偿效应,可以根据需要改变半导体中某个区域的导电类型,制造各种器件。(1分)

2、什么是扩散长度、牵引长度和德拜长度,它们由哪些因素决定?。(本题6分)

答:扩散长度指的是非平衡载流子在复合前所能扩散深入样品的平均距离,它由

21

扩散系数和材料的非平衡载流子的寿命决定,即LD。(2分)

牵引长度是指非平衡载流子在电场E的作用下,在寿命时间内所漂移的距离,即L(E)E,由电场、迁移率和寿命决定。(2分)

德拜长度是德拜研究电介质表面极化层时提出的理论的长度,用来描写正离子的电场所能影响到电子的最远距离。在半导体中,表面空间电荷层厚度随掺杂浓度、介电常数和表面势等因素而改变,其厚度用一个特征长度即德拜长度LD表示。它主要由掺杂浓度决定。掺杂大,LD小。(2分)

3、试说明半导体中电子有效质量的意义和性质,并说明能带底和能带顶、内层电子和外层电子的有效质量的各自特点(本题6分)

答:有效质量是半导体内部势场的概括。在讨论晶体中的电子在外力的作用下的运动规律时,只要将内部周期性势场的复杂作用包含在引入的有效质量中,并用它来代替惯性质量,就可以方便地采用经典力学定律来描写。由于晶体的各向异性,有效质量和惯性质量不一样,它是各向异性的。(2分)

2E在能带底附近,由于2为正,电子有效质量大于0;(1分)

k2E在能带顶部附近,由于2为负,电子有效质量小于0。(1分)

k2E内层电子形成的能带窄,E~k曲线的曲率小,2小,有效质量大;(1分)

k2E外层电子形成的能带宽,E~k曲线的曲率大,2大,有效质量小。(1分)

k。

4、什么叫复合中心?何谓间接复合过程?有哪四个微观过程?试说明每个微观过

(本题7分)

答:半导体内的杂质和缺陷能够促进复合,称这些促进复合的杂质和缺陷为复合中心;(1分)

间接复合:非平衡载流子通过复合中心的复合;(1分)

22

四个微观过程:俘获电子,发射电子,俘获空穴,发射空穴;(1分) 俘获电子:和导带电子浓度和空穴复合中心浓度有关。 (1分) 发射电子:和复合中心能级上的电子浓度。 (1分)

俘获空穴:和复合中心能级上的电子浓度和价带空穴浓度有关。 (1分) 发射空穴:和空的复合中心浓度有关。 (1分)

得 分 四、 计算题(共35分,7+10+8+10,共4题)

1、⑴计算本征硅在室温时的电阻率;⑵ 但掺入百万分之一的砷(As)后,如杂质全部电离,计算其电导率比本征硅的电导率增大多少倍。 (本题7分)

(电子和空穴的迁移率分别为1350cm2/(V.s)和500 cm2/(V.s),假使在杂质浓度小于1×1017cm-3时电子的迁移率为850 cm2/(V.s),ni=1.5×1010cm-3,硅的原子密度为5×1022cm-3。) 解:(1)

iniq(np)i1.510101.61019(1350500) 4.44106(S/cm)(3分)

(2)ND=5×1022×10-6=5×1016(cm-3)

因为全部电离,所以n0=ND。 (1分) 忽略少子空穴对电导率的贡献,所以:

n0qn510161.61019850 6.8(S/cm)6.861.5310 6i4.4410即电导率增大了153万倍。 (3分)

23

2、有一块足够厚的p型硅样品,在室温300K时电子迁移率μn=1200 cm2/(V.s),电子的寿命n10s。如在其表面处稳定地注入的电子浓度为

n(0)71012cm3。试计算在离开表面多远地方,由表面扩散到该处的非平衡载流子的电流密度为1.20mA/cm2。(表面复合忽略不计)。(k0=1.38×10-23J/K),q=1.6×10-19C,k0T=0.026eV) ( 本题10分) 解:由爱因斯坦关系可得到室温下电子的扩散系数:

DnkoT0.026eVn1200cm2/V.S31.2104m2/s (2 qe分)

电子的扩散长度 LnDnn31.2104101061.76104(m) (2 分)

非平衡载流子的扩散方程为:

dn(x) Sn(x)Dn, 其中 n(x)n(0)eLn (2

dxx分)

所(2 分)

qDn(0)由上式可得到:xLnlnn (1 JLn以,扩散电流J=

qDnn(0)LnqSn(x)e

Lnx分)

把n(0)71012cm3,J1.20mA/cm2,Ln1.76104m,以及Dn的值

1.6101931.2104710185代入上式,得到:x1.7610ln8.710(m) 141.7610124(1 分)

3、由金属-SiO2-P型硅组成的MOS结构,当外加电场使得半导体表面少数载

流子浓度ns与半导体内部多数载流子浓度pp0相等时作为临界强反型条件。

24

(本题8分)

(1)试证明临界强反型时,半导体的表面势为: (5 分) Vs2VB2k0TNAEEF ln, 其中VBiqniq(2)画出临界强反型时半导体的能带图,标明相关符号,并把反型、耗尽、

中性区各部分用竖线分开,并用文字指明。 (3 分)

解:(1)设半导体表面势为Vs,则表面处的电子浓度为: qVs2qVs nk0Tsnp0enipekoT p0分 )

在临界强反型情况下,有 ns=pp0, qVsqVs 即 p22k0Tp0nie, 或 pp0nie2k0T 分 )

此外,在平衡状态下半导体体内的多子空穴浓度为: EFEv pkEiqVB0Tp0NvenEFk0Tiek0Tnie 分 )

所以,比较以上两个式子,可得到: Vs=2VB

Vs2Vk0TNAB2qlnn i分 )

(2)

25

1 1

1

2

( ( ( (

Ec Ei EF Ev

qVB qVB ① ② ③

在上图中,①为反型区,②为耗尽区,③为中性区

( 3分 )

4、用n型硅单晶片作为衬底,金属铝做上电极制成MOS二极管。已知n-Si的功函数Ws为4.30eV,Al的功函数WAL为4.20eV,铝电极的面积A=1.6×10-7m2。在150℃下,进行温度-偏压(B-T)实验,在加上负的偏压和正的偏压下进行负、正B-T处理,分别测得C-V曲线(1)和(2)。

08.851012F/m,r3.9 (本题

10分)

求:(1)氧化物SiO2层的厚度; ( 2分 )

(2)在Si-SiO2界面处的正电荷密度; ( 4分 )

(3)SiO2中的可移动离子的面密度。 ( 4分 )

C(pF) C0 22 (2) Cmin 8.16 (1) -17 -9.8 0

VG(V)

解:(1)由图示的C-V曲线可得:

26

C0=Ci=22pF, Cmin=8.16pF 所以,SiO2的厚度为:

A0r1.61078.8510123.9 d02.5107(m)250nm ( 212C02210分 )

⑵ 由于金属和半导体功函数的差别,而引起半导体中的电子的电势能相对于金属提高的数值为:

qVms= Ws -WAl, 则因此引起的平带电压: VFBVms分 )

计算界面固定电荷密度时应该从负偏压的C-V曲线确定VFB,即曲线(1),此时移动电荷已经到Al和SiO2的界面,所以,固定电荷密度为:

NfcCi(VmsVFB1)Aq'WmWs0.1V ( 2q221012(0.19.8) 1.61071.610198.291015(m2)8.29109(cm2)(

2分 )

⑶ 计算可移动电荷密度,由正负温偏处理后的VFB来计算,

NmC0VFBAq221012[9.8(17)] 1.61071.610196.21015(m2)6.2109(cm2)( 4

分 )

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电子科技大学二零 九 至二零 一零 学年第 一 学期期 末 考试

半导体物理 课程考试题 B卷 ( 120分钟) 考试形式: 闭卷 考试日期 2010年 元月 18日

课程成绩构成:平时 10 分, 期中 5 分, 实验 15 分, 期末 70 分

得分 签名 得 分 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 合计 复核人签名 一、填空题: (共16分,每空1 分)

1. 简并半导体一般是 重 掺杂半导体,这时 电离杂质 对载流子的散射作用不可忽略。

2. 处在饱和电离区的N型Si半导体在温度升高后,电子迁移率会 下降/减小 ,电阻率会 上升/增大 。 3. 电子陷阱存在于 P/空穴 型半导体中。

4. 随温度的增加,P型半导体的霍尔系数的符号 由正变为负 。 5. 在半导体中同时掺入施主杂质和受主杂质,它们具有 杂质补偿 的作

用,在制造各种半导体器件时,往往利用这种作用改变半导体的导电性能。

6. ZnO是一种宽禁带半导体,真空制备过程中通常会导致材料缺氧形成氧

空位,存在氧空位的ZnO半导体为 N/电子 型半导体。

7. 相对Si而言,InSb是制作霍尔器件的较好材料,是因为其电子迁移率

较 高/大 。 8. 掺金工艺通常用于制造高频器件。金掺入半导体Si中是一种 深能级

杂质,通常起 复合 中心的作用,使得载流子寿命减小。 9. 有效质量 概括了晶体内部势场对载流子的作用,可通过回旋共振实

验来测量。

28

10. 某N型Si半导体的功函数WS 是4.3eV,金属Al的功函数Wm是4.2 eV,

该半导体和金属接触时的界面将会形成 反阻挡层接触/欧姆接触 。 11. 有效复合中心的能级位置靠近 禁带中心能级/本征费米能级/Ei 。 12. MIS结构中半导体表面处于临界强反型时,表面少子浓度等于内部多子

浓度,表面反型少子的导电能力已经足够强,称此时金属板上所加电压为 开启电压/阈值电压 。 13. 金属和n型半导体接触形成肖特基势垒,若外加正向偏压于金属,则半

导体表面电子势垒高度将降低,空间电荷区宽度将相应地(减少/变窄/变薄)。 得 分 二、选择题(共15分,每题1 分)

1. 如果对半导体进行重掺杂,会出现的现象是 D 。 A. B. C. D.

禁带变宽

少子迁移率增大 多子浓度减小 简并化

2. 已知室温下Si的本征载流子浓度为ni1.51010cm3。处于稳态的某掺杂Si半导体中电子浓度n1.51015cm3,空穴浓度为p1.51012cm3,则该半导体 A 。 A. B. C. D.

存在小注入的非平衡载流子 存在大注入的非平衡载流子 处于热平衡态 是简并半导体

3. 下面说法错误的是 D 。

A. 若半导体导带中发现电子的几率为0,则该半导体必定处于绝对零度 B. 计算简并半导体载流子浓度时不能用波尔兹曼统计代替费米统计 C. 处于低温弱电离区的半导体,其迁移率和电导率都随温度升高而增

D. 半导体中,导带电子都处于导带底Ec能级位置 4. 下面说法正确的是 D 。

A. 空穴是一种真实存在的微观粒子

B. MIS结构电容可等效为绝缘层电容与半导体表面电容的的并联

29

C. 稳态和热平衡态的物理含义是一样的

D. 同一种半导体材料中,电子迁移率比空穴迁移率高

5. 空间实验室中失重状态下生长的GaAs与地面生长的GaAs相比,载流子迁移率要高,这是因为 B 。 A. B. C. D. A. B. C. D. A. B. C. D.

无杂质污染 晶体生长更完整 化学配比更合理 宇宙射线的照射作用 复合机构 散射机构 禁带宽度 晶体结构 本征半导体 杂质半导体 金属导体 简并半导体

6. 半导体中少数载流子寿命的大小主要决定于 A 。 7. 若某材料电阻率随温度升高而单调下降,该材料是 A 。

8. 对于只含一种杂质的非简并p型半导体,费米能级随温度上升而 D 。 A. B. C. D.

上升 下降 不变

经过一极值后趋近Ei

9. GaAs具有微分负电导现象,原因在于在强电场作用下, A 。

A. B. C. D.

载流子发生能谷间散射 载流子迁移率增大 载流子寿命变大 载流子浓度变小

10. 以下4种不同掺杂情况的N型Ge半导体中,室温下电子迁移率由大到小的顺序是 C 。 a) b) c) d) A. B. C.

掺入浓度1014 cm-3的P原子; 掺入浓度1015 cm-3的P原子;

掺入浓度2×1014 cm-3的P原子,浓度为1014 cm-3的B原子; 掺入浓度3×1015 cm-3的P原子,浓度为2×1015 cm-3的B原子。 abcd bcda acbd

30

D. dcba

11. 以下4种Si半导体,室温下功函数由大到小的顺序是 C 。 a) b) c) d) A. B. C. D.

12. 以下4种不同掺杂情况的半导体,热平衡时室温下少子浓度最高的是 D 。 A. B. C. D.

掺入浓度1015 cm-3 P原子的Si半导体; 掺入浓度1014 cm-3 B原子的Si半导体; 掺入浓度1015 cm-3 P原子Ge半导体; 掺入浓度1014 cm-3 B原子Ge半导体。

掺入浓度1016 cm-3的B原子; 掺入浓度1016 cm-3的P原子;

掺入浓度1016 cm-3的P原子,浓度为1015 cm-3的B原子; 纯净硅。 abcd cdba adcb dabc

(已知室温时:Si的本征载流子浓度ni1.51010cm3,Ge的本征载流子浓度ni2.41013cm3)

13. 直接复合时,小注入的P型半导体的非平衡载流子寿命 d 决定于 B 。 A.

1 rdn01 rdp B.

1 rdp0C. D. 其它

14. 在金属-SiO2-p型Si构成的MIS结构中,SiO2中分布的可动正电荷不会影响 C 。 A.

B. C. D.

半导体表面势 平带电压 平带电容 器件的稳定性

15. 不考虑表面态的影响,如需在n型硅上做欧姆电极,以下四种金属中最适合的是 A 。

31

A. B. C. D. In (Wm=3.8 eV) Cr (Wm=4.6 eV) Au (Wm=4.8 eV) Al (Wm=4.2 eV)

得 分 三、 问答题(共31分,共四题, 6 分+10分+10分+5分)

1. 写出下面能带图代表的半导体类型,掺杂程度。 (6分)

ECEF

i

(a)

E E

V

EC

i

(b)

E E E

FV

(c)

E E

EC

FV

EC

i

E E E

FV

ECEFEi

E

V E E E

EC

iFV

(d) (e) (f)

答:(a) 强n型 (b) 弱p型 (c) 本征型或

高度补偿型

(d) 简并、p型 (e) 弱n型 (f) 强p型

2. 型半导体衬底形成的MIS结构,画出外加不同偏压下积累、平带、耗尽、反

型四种状态的能带图。画出理想的低频和高频电容-电压曲线。解释平带电压。 (10分)

答: 图略(各2分,共8分)

平带电压:功函数或者绝缘层电荷等因素引起半导体内能带发生弯曲,为了恢复平带状态所需加的外加栅偏压。或者使半导体内没有能带弯曲时所加的栅电压。 (2分)

3. 写出至少两种测试载流子浓度的实验方法,并说明实验测试原理。

32

(10分)

答:可以采用C-V测试以及霍耳效应来测试载流子浓度;(2分) 方法⑴: C-V测试法:a)采用金半接触结构,测试C-V曲线,可以得到曲线为一条直线,斜率为2qsND(NA)1C2V,因此可以求出掺杂浓度ND或NA;b)若采用MIS结构,测试高频C-V曲线,由C-V曲线的最大值求出氧化层厚度d0,再结合最小值可以求出掺杂浓度;(4分)

方法⑵:霍耳效应。霍耳实验中,根据Ix,Bz,d,测出霍耳电压VH,由霍耳电压正负判断导电类型,因为 RHVHd,因此求出霍耳系数RH;再根据IxBzRH11或RH求出载流子浓度。 (4分) pqnq

4. 在一维情况下,描写非平衡态半导体中载流子(空穴)运动规律的连续方程Epp2pp为:Dp2pEppgp,请说明上述等式两边各个单项txxxp所代表的物理意义(5分)

p答:――在x处,t时刻单位时间、单位体积中空穴的增加数;(1分)

t2pDp2――由于扩散,单位时间、单位体积中空穴的积累数;(1分) xpEEppp――由于漂移,单位时间、单位体积中空穴的积累数;xx。

(1分)

pp――由于复合,单位时间、单位体积中空穴的消失数;(1分)

(1分) gp――由于其他原因,单位时间、单位体积中空穴的产生数。

得 分 四、 计算题(共38分,8+10+10+10,共4题)

33

1. 有一块半导体硅材料,已知在室温下(300K)它的空穴浓度为p0=2.25×1016cm-3,室温时硅的Eg=1.12eV,ni=1.5×1010cm-3,k0T=0.026eV。 (8分)

⑴ 计算这块半导体材料的电子浓度;判断材料的导电类型; ⑵ 计算费米能级的位置。

解:(1)

n0p0ni22 ni1.5101043n0110(cm)p2.251016(2分)

因为p0n0,故该材料为p型半导体。 (2分) (2) (4分)

EEFp0niexp(i)k0TEiEFk0Tlnp0ni

22.2510160.026ln1.510100.37eV即该p型半导体的费米能级在禁带中线下0.37eV处。 (1分+2分+1分)

2. 某p型Si半导体中受主杂质浓度为 NA=1017cm-3且在室温下完全电离, Si的电子亲和能为4.05eV,禁带宽度为1.12eV,ni1.51010cm3,试求:

1) Si半导体费米能级位置及功函数;

2) 若不计表面态的影响,该p型Si半导体与银接触后是否能够形

成阻挡层?已知银的功函数为WAg=4.81eV。

3) 若能形成阻挡层,求半导体一侧的势垒高度和势垒宽度。 (室温下k0T=0.026eV,Si介电常数εr=12,ε0=8.85×10-14F/cm,

34

q1.61019C) (10分)

1017Ei0.41(eV) (2解:1) 费米能级:EFEik0Tln1.51010分)

即位于禁带中心以下0.41 eV位置 (即qVB=0.41 eV)

功函数:WsEnEg/2qVB5.03(eV) (2分)

2) 对于p型Si,因为WsWm能够形成空穴阻挡层 (2

分)

3) 半导体一侧的势垒高度:qVDWmWs0.22(eV) (2

分)

2r0VD势垒宽度:xdqNA122128.8510140.2219171.61010125.4106(cm) (2

分)

3. 假设室温下某金属与SiO2及p型Si构成理想MIS结构,设Si半导体中受主杂质浓度为NA=1.5×1015/cm3, SiO2厚度0.2 mm,SiO2介电常数3.9,Si介电常数12。

1) 求开启电压VT;

2) 若SiO2-Si界面处存在固定的正电荷,实验测得VT=2.6eV, 求固

定正电荷的电荷量。

(k0T=0.026eV,Si:ni1.51010cm3,ε0=8.85×10-14 F/cm,q1.61019C)(10

分)

VB解:1) 费米势:

k0TNln(A)0.36(V) (2qni分)

表面电荷量:QsqNAxdm35

4rs0VB8qNAqN6.0510(C)

A12

(1分) 绝

C0ri0/d01.72108(F/cm2)

(1分) 开

VTV0VsQs2VB3.50.724.22(V) C0(2分)

2) 开启电压变化即平带电压的变化:VTVFB(2分) 固

QfcC01.62(V)

QfcVTC02.79108(C)

(2分)

4.Pt/Si肖特基二极管在T=300K时生长在掺杂浓度为ND=1016cm-3的n型<100>Si上。肖特基势垒高度为0.89eV。计算1)En=EC-EF,2)qVD,,3)忽略势垒降低时的(10分) 解:

JST,4)使

J=2A/cm2时的外加偏压

V。

1)NDNcexp(EcEF)k0T (1分)

EcEFk0TlnNcND2.81019EcEF0.026ln0.206eV1016 (1分)

2)3)qVDnsEn0.684eV (2分)

JSTAT2exp(qns)k0T (2分)

0.89)3.09108A/cm20.026 (1分)

2.11203002exp( 36

4)qVJJSTexp()1k0T (2分)

Vk0TJ2ln(1)0.026ln(1)0.467VqJST3.09108 (1分)

37

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