07年期末考试题目

本科生期末考试试卷及参考答案 考试科目 半导体物理 考试时间 2007 年 6 月 专业 级 班 主讲教师 y1 t V U w1 p 姓名学号 毛 题 C z Q0 j r q S 号 t1 j k 7 Z w f 2 x p i i n7 p1 P B9 T5 Q N O 3 i d a d a1 L1 F v u0 a8 f n N N p n n n N N Y1 M8 j5 M 1 Q S j T 1 2 i B 9 8 V0 g7 I 2 画出 n p 单边突变结的平衡 正向和反向偏置情形的能带图 示意画出该 n p 单边 突变结在 正反偏压作用下的 I V 特性曲线 并解释之 O2 r4 Y r c 参考答案 30 Y8 e3 S z b 对于 n p 单边突变结 n 区域的 Ef 非常靠近 Ec xn xp 并且准费米能级的 变化在 n 区域更剧烈 7 f4 9 V9 d t9 Z 2 在正向偏压下 e x p 1 e x p S S Y L O a L I J J q V J q V k T k T0 S n T U j 正向电流随正向偏压呈4 q U t9 a 5 U0 e 指数关系迅速增大 在反向偏压下 势垒增高 势垒区电场增强 增强了漂移运动 使 漂移流大于扩散流 由于是少子的抽取形成的电流 所以浓度梯度小 并且当反向电压 x i4 H h O8 E 很大时 浓度梯度不再随电压变化 所以反向电流较小并且趋于不变 当反向偏压增大 到一定程度 n p 结会发生击穿 如雪崩击穿 齐纳击穿 使反向电流随电压急剧增大 Y R5 y L7 m v K J 3 假设金属的功函数为 M N 型半导体的掺杂浓度为 Nd 相应的功函数为 S f8 z l0 j N3 U 其中 M S 1 求解热平衡时理想 M S 结构中半导体中的电势分布表达式 假设坐标 x 的原点在 M S 界面 半导体体内中性区为电势参考点 2 写出半导体表面 x 0 处的载流子浓度表达式 参考答案 由于 M S 在热平衡时 N 型半导体将发生电子载流子的耗尽 形成电子势垒 如 下图所示 u S u0 m l C K C 采用耗尽近似 则有泊松方程如下 7 4 H0 r4 V w 2 d d8 U6 G V P1 g v 2 Si Si9 U8 h o y X N0 y d qN 0 x x d x dx0 A7 n z8 0 C7 0 x x6 D E g6 I f0 h I U I U 3 K T r2 D4 l p t6 U8 H s v e 46 G M8 M1 U h2 Z 半导体内电场为零 有 d x xd x d 0 m q1 x d d Si Z T 6 M V x qN x x 0 x x E V 6 X5 c6 L8 B8 X2 R 5 N3 B K I5 s O 再由边界条件 d x 0 0 m s 可得电势分布 q z u7 L1 Y T A i u 所以热平衡时 M S 的半导体中电势分布的表达式为 1 s N5 x u c9 y5 8 9 f6 a d d q 其中势垒宽度 Si d E h n y T6 d G Y4 p L7 b7 b8 a2 L x 2 m s u G6 e L8 a N0 qN l 9 B y C W k8 I 2 半导体内电子浓度 d c d n x N exp Ec Ef N kT4 y G3 N5 L B T1 s e q R h V A N C4 e 表面处的电子浓度 C f c E 0 E n 0 N exp i J G r8 P0 H kT5 2 N j1 r5 o M z D v i v y q S r8 L q Q 2 O G v e S6 K0 2 U N 三 20 分 已知某半导体为间接禁带半导体 其价带顶 EV 和导带底 EC 对应的波 矢 k 分5 3 c9 l5 M8 W 别为 0 和 k1 k1 0 同时在禁带中本征费米能级附近存在复合中心能级 Et 1 简述该 半导体中 K V t J2 c n2 q1 s 可能发生的复合机制 并图示指出各机制的物理过程 2 如果该半导体可发生直接复合和 间接 复合 那么在利用能谱分析手段直接观测光子和声子能谱时 可观察到的光子和声子的能 谱分别 z5 Y8 G 5 h t 有几条 为什么 8 Z l N w4 q l5 a V 参考答案 S6 a B J S X5 S I E 1 可能发生的复合机制有 直接复合 间接复合 表面复合和俄歇复合 复合过程满足 能量 守恒和动量守恒 直接复合示意图 间接复合示意图 声子 u4 0 d9 a W l p 光子 声子6 j9 Y3 r Z Pk b 间接复合 导带电子和价带空穴间的复合是通过禁带中复合中心能级的辅助而发生的 复合过k c 表面复合 如果在半导体表面存在大量的复合中心 则在半导体表面发生显著的间接复 合 复 合中心来源于表面缺陷和杂质 如表面的悬挂键等 3 Hk 能量为2 U2 7 n G1 W3 z 2 2 2 w1 M X g E K H6 Q U2 z s m 四 20 分 设 nMOS p Si 衬底 结构的栅氧化层厚度为 ox t 氧化层的介电常数为 ox 金属4 L R0 j S d t 栅和半导体功函数相同 即 M S M3 O9 p Z9 I h Si 的费米势 F i F E E q 其中 EF 和 Ei 分别为 Si 的费米能级和本征费米能级 如果 Si 与氧化层界面存在界面态 并假设界面态呈均匀分布 态 密度为 Nit 其中在本征费米能级 Ei 以上为类受主界面态 Ei 以下为类施主界面态 1 画出该 MOS 结构的高频 C V 特性曲线并与理想 C V 曲线比较 2 给出平带电压 VFB 的表达式 示意画出平带时的能带图 3 如果在氧化层中部即 2 ox t 处同时还存在负的固定电荷 f Q 给出相应的平带电压 VFB 的表达 x R M9 v A 式 并示意画出此种情形在平带时的能带图 h Z 2 a7 H l6 x 参考答案 1 由于在本征费米能级 Ei 以上为类受主界面态 Ei 以下为类施主界面态 因此在表面 处费米 I 2 t h 势在高于或低于本征费米势时 界面陷阱电荷分别呈负电或正电性 考虑界面陷阱电荷影 响的高 频 C V 特性曲线与理想高频 C V 特性曲线特征如下图所示 1 C5 3 k M0 y s 4 h e2 V1 T 0 o H u0 a1 6 D3 曲线的右移增强 当正向电压大到使 Ef 在 Ec 之上时 所有的类受主界面态都电离 界面 负电荷 最大 C V 曲线的右移也达到最大 2 平带时 类受主能级均在 Ef 之上 类施主能级有部分 在 Ef 之下 此时的界面态正电荷为 N w V4 z 2 Z C4 K3 F8 f m a3 L Q qNit Ei Ef q Nit F 栅氧化层电容 ox ox9 f I B K3 Q B C t 从而 平带电压为 2 it F ox R2 T7 A4 Q q8 FB h3 6 t u z r ox T x d a L I x M V q N t 3 n4 Y M1 S2 h1 I2 q 负固定电荷 Qf 等效到 Si SiO2 界面 则有 5 b I6 y0 0 A w Y i D l l R 1 1 2 2 tox D3 X I9 D U P C