电子科技大学2010半导体物理期末考试试卷A试题答案

电子技术大学2010-2011学年第一学期结束时1.对于大注入下的直接辐射复合，非平衡载流子的寿命与(d)有关A.平衡载流子浓度是成比例的C.平衡载流子浓度成反比2.有3个硅样品，其掺杂条件为：1.铝110-15cm-3b。硼110-17厘米-3克，磷110-17厘米-3克。镓110-17厘米-3在室温下，这些样品的电阻率从高到低为(c)A.a、b、c、b、c、b、c、d、c、a和b3.问题2中电子迁移率从高到低的顺序是(b)问题2中费米能级从高到低的顺序是(c)5.欧姆接触是指(d)的金属-半导体接触A.Wms=0 B，Wms 0C.wms0d。小电阻和对称线性伏安特性6.有效复合中心的能级必须接近(a)A.中心禁带b .导带c .价带d .费米能级7.当n型半导体的少数载流子寿命由直接辐射复合决定时，小注入下的少数载流子寿命与(c)成正比a1/n0 B1/n C1/P0 D1/p8.半导体中载流子的扩散系数由(a)决定A.b .复合机制C.杂质浓度梯度d .表面复合速度9.9中的可移动电荷。金属氧化物半导体器件的绝缘层是(碳)A.电子b空穴c钠离子d硅离子10.在以下四种半导体中，最适合制造高温器件的是(D)A.GaAs甘得分第二，解释并区分下列术语的物理意义(30分，7.78分，共4个问题)1.有效质量、纵向有效质量和横向有效质量(7分)答：有效质量：半导体中的载流子同时受到外部场力和半导体内部周期性势场的影响。有效地总结了半导体内部周期性势场的作用，外场力与载流子加速度直接相关。通过实验直接测量有效质量后，电子的运动规律就很容易求解了。(3分)纵向有效质量和横向有效质量：由于k空间椭球等能面导致有效质量的各向异性，当磁感应强度相对于晶轴方向不同时，在回旋共振实验中可以获得几个吸收峰。引入纵向有效质量和横向有效质量来表示旋转椭球等能面的纵向有效质量和横向有效质量。(4分)2.扩散长度、牵引长度和德拜长度(7分)答：扩散长度：指非平衡载流子在复合前扩散到样品中的平均距离。它由扩散系数和材料中非平衡载流子的寿命决定，即L=D。(2分)牵引长度：指寿命内非平衡载流子在电场作用下漂移的距离，即L()= (2分钟)德拜长度：德拜在研究电解质表面的极化层时提出的理论长度，用来描述正离子的电场能影响电子的最远距离。对于半导体，表面空间电荷层的厚度随着许多因素而变化，例如衬底掺杂浓度、介电常数、表面电势等。但是其厚度的数量级由德拜长度LD的特定长度表示。(3分)3.费米能级、化学势和电子亲和能(8分)答：费米能级和化学势：费米能级表示在系统处于热平衡且无外功的条件下，系统中加入电子所引起的自由能变化等于系统的化学势。处于热平衡的系统具有均匀的化学势。此时，化学势等于系统的费米能级。费米能级与温度、导电类型材料的杂质含量以及能级的零选择有关。费米能级标志着电子填充能级。费米能级越高，高能量子态中的电子就越多。随着温度的升高，电子电子亲和能：代表半导体导带底部的电子从体内逃逸所需的最小能量。(2分)4.复合中心、陷阱中心和等电子复合中心(8个点)答：复合中心：半导体中的杂质和缺陷可以在禁带中形成一定的能级。这些能级具有容纳一些非平衡载流子的功能。这种在杂质能级积累非平衡载流子的功能称为陷阱效应。产生显著陷阱效应的杂质和缺陷称为陷阱中心。(4分)等电子复合中心：相当于主原子的一定量的杂质原子被掺杂到三价钒化合物半导体中，以取代晶格点上的原子。由于杂质原子和主原子的电性质不同，中性杂质原子可以结合电子或空穴成为带电中心。带电中心吸引与束缚载流子符号相反的载流子，形成激子束缚态。这种激子束缚态被称为等电子复合中心。(4分)得分三、问答(共20分，10题10分，共两个问题)1.如果金属和P型半导体形成金属-半导体接触，请简要描述在什么条件下形成哪两种具有不同电特性的接触，解释半导体表面的能带情况，并画出相应的I-V曲线。(忽略表面状态的影响)(10分)答：例如，当金属与磷型半导体接触时，金属的功函数是Wm，半导体的功函数是Ws。当WM WS时，在半导体的表面上形成抗阻挡层接触，这是高导电率区域并且能带向上弯曲。(3分)相应的电流-电压曲线如下：ViVi(2分)(2分)2.在一维情况下，描述非平衡半导体中载流子(空穴)运动规律的连续方程为：请解释上述方程两边每个单项所代表的物理意义。(10分)回答：-在x处，单位时间内孔的增加和时间t处单位体积的增加；(2分)-由于扩散而在单位时间和单位体积内累积的空穴数量；(2分)-由于漂移，单位时间和单位体积内的孔洞累积；(2分)-每单位时间和体积因复合而损失的孔数；(2分)-由于其他原因，单位时间和单位体积产生的孔数。(2分)得分四、计算问题(共30分，15分15分，共2分)1.金属接触N型硅单晶形成肖特基二极管。已知Wm=4.7eV，Xs=4.0eV，Nc=11019cm-3，ND=11015cm-3，半导体的相对介电常数=12。如果忽略表面状态的影响，试验计算在室温下进行：(0=8.8510-14，q=1.610-19C)(1)半导体硅的费米能级位置；(3分)(2)零偏压下的势垒高度和接触电势差；(4分)(3)屏障宽度；(4分)当正偏压为0.2eV时，热离子发射电流被设定为A*/A=2.1，A=120A/cm2。(4分)解决方案：(1)可从nd=n0=ncexp (-EC-efk0t)获得：EC-EF=k0 lnncnd=0.026 ln=0.17(eV)(2)WS=XS(欧洲共同体-欧洲金融共同体)=4.17(eV)因此，势垒高度：qVD=Wm-Ws=4.7-4.17=0.53(eV)接触电位差：VD=0.53(eV)(3)Xd=2r0 VdQnd 12=2128.8510-140 . 531 . 610-191016 12=2.610-5(cm)(4)金属侧的屏障高度：qns=qvden=0.53 0.17=0.7 (ev)所以当电压=0.2V时，j=a*t2exp-qnsk0t(exp(qvk0t)-1)=2.11203002 exp-0.70.026(exp(0.20.026)-1)=8.410-2(acm2)2.金属板与N型硅相距0.4m以形成平行板电容器。金属板和氮型硅之间干燥空气的相对介电常数 Ra为1。当负电压施加到金属端子时，半导体处于耗尽状态。如图所示。ND=1016cm厘米-3 .(15分)(1)求出耗尽层中电势的分布V(x)；(7分)(2)当Vs=0.4V时耗尽层宽度Xd和最大耗尽层宽度Xdm的表达式；(8分)解决方法：(1)根据耗尽层近似，空间电荷区的电荷密度为(x)=qND，因此泊松方程可以写成： d2vdx2=-qNDrs0 (1)由于半导体中的电场强度为零，并且假设内部电势为零，因此正确的边界条件(x)x-xd=- dv dxx=xd=0 (2)VX=Xd=0 (3)然后得到公式(1)和(2)和(3)dv(x) dx=- qNDrs0(xd-x)V(x)=qND(xd-x)22rs0当x=0时，它是表面电势Vs，即Vs=-qND(xd)22rs0(2)耗尽层宽度Xd为xd=2RS0 VSQnd 12=2128.8510-140 . 41 . 610-101016 12=2.3