电子科技大学2009半导体物理期末考试试卷A试题答案

电子技术大学2009-2010学年第一学期结束时半导体物理课程试题A (120分钟)考试形式：闭卷日期：2010年1月18日课程成绩的构成：平时10分，期中5分，实验15分，期末70分一个二三四五六七八九十总数审核人签名得分签名得分一、选择题(共25题，共25题，每题1分)1.本征半导体是指(a)中的半导体。A.无杂质和缺陷b .最高电阻率C.电子密度等于空穴密度。电子密度等于本征载流子密度2.如果在半导体的导带中发现电子的概率为零，那么半导体必定是(d)。A.无供体杂质b .无受体杂质C.不含任何杂质d为绝对零。3.对于只含有一种杂质的非简并N型半导体，费米能级EF随温度(D)增加。A.单调增加b .单调减少C.通过最小值接近Ei D，通过最大值接近Ei4.如果一种材料的电阻率随着温度的升高先减小后增大，则该材料的电阻率为(摄氏度)。A.b .本征半导体C.掺杂半导体d .高纯度化合物半导体5.对于半导体载流子，公式为(C)。A.迁移时间b。一生C.平均自由时间d扩散时间6.在下列条件下的材料中，室温下的功函数最大(A)A.含硼硅11015cm-3 b .含磷硅11016cm-3C.含硼11015cm-3和磷11016cm-3的硅。纯硅7.在室温下，如果半导体硅掺杂有11014cm-3硼和1.11015cm-3磷，则电子浓度约为(B)，空穴浓度为(D)，费米能级为(G)。当半导体的温度从腔室温度升高到570K时，多组分浓度约为(F)，少数载流子浓度为(F)，费米能级为(I)。(已知：ni1.51010cm-3；-3在室温下；在570K时，ni21017cm-3)11014cm-3 B、11015cm-3 C、1.11015cm-3东经2.25105厘米-3，东经1.21015厘米-3，东经21017厘米-3g，在Ei H之上，在Ei I之下，等于Ei8.最有效的复合中心能级位于(d)附近；最有利于陷阱作用的能级位于(c)附近，(e)陷阱是常见的。企业会计准则、企业会计准则、企业会计准则d，Ei E，少数f，倍数9.当金属氧化物半导体结构的表面发生强反转时，表面的导电类型与体材料的(B)相同，如果掺杂浓度增加，导通电压将为(C)。a，相同b，不同C.增加d .减少10.在大注入条件下，非平衡载流子的寿命和(d)在一定温度下的寿命。平衡载流子浓度与b成正比，非平衡载流子浓度与b成正比C.平衡载流子浓度与d成反比，非平衡载流子浓度与d成反比11.半导体材料的特性可以通过霍尔系数的值来判断。例如，如果半导体材料的霍尔系数为负，则该材料通常为(A)a，n b，p c，固有d，高度补偿12.例如，在半导体中作为主要散射机制的长声波是(B)电子迁移率和温度。a，平方与b成正比，平方与b成反比平方与d成反比，平方与d成正比13.为了减小固定电荷密度和快速界面状态的影响，在制备金属氧化物半导体器件时，通常选择硅单晶的方向作为(A)。【100】乙，丙，丁，十一或十14.简并半导体指(a)的半导体。(欧洲共同体-欧洲共同体)或(欧洲共同体-欧洲共同体)0(欧洲共同体-欧洲共同体)或(欧洲共同体-欧洲共同体)0玻尔兹曼近似可以用来计算载流子浓度d，导带底部和价带顶部可以容纳多个处于相同状态的电子15.在硅基金属氧化物半导体器件中，硅衬底和二氧化硅之间的界面处的固定电荷是(B)，它的存在导致半导体表面上的能带(C)移动碳-钒曲线上的平带电压(F)。a，钠离子b，过量硅离子c，向下d，向上E.朝向直流电压；f .负电压方向得分二。填空(共15分，共15分，每分1分)1.硅的导带最小值位于布里渊区的方向，根据晶体的对称性有6个等效能谷。2.在N型硅中掺入砷后，费米能级移动到Ec(上)。如果材料的工作温度增加，费米能级移动到Ei(下)。3.对于其导带是多能谷的半导体，例如GaAs，当具有适当高能量的子能谷的曲率小时，可以观察到负微分电导现象，因为在该子能谷中电子的有效质量很大。4.复合中心用于促进电子和空穴的复合。起有效复合中心作用的杂质能级必须位于Ei(禁带的中心线)，电子和空穴的俘获系数rn和rp必须满足Rn=Rp。5.在热平衡条件下，同时含有施主杂质和受主杂质的半导体的中性条件为P0nd=N0 Pa-。6.当金半接触时，形成欧姆接触的常用方法是隧道效应和抗阻挡层。7.当MIS结构表面发生强反转时，其表面的导电类型与块体材料相反(相同或相反)。如果掺杂浓度增加，其导通电压将增加(增加或减少)。8.在半导体中，如果温度升高，当考虑载流子的散射效应时，电离杂质的散射概率降低，晶格振动的散射概率增加。得分3.问答(共25分，共4题，6分6分6分7分)1.在本征半导体中有意掺杂各种元素会改变材料的电学性质。请解释什么是浅层次杂质和深层次杂质，以及它们分别影响半导体的哪些主要特性；什么是杂质补偿？杂质补偿的意义是什么？(主题6)答：浅能级杂质是指其电离能远小于本征半导体禁带宽度的杂质。电离后，它们将变成带正电(电离供体)或带负电(电离受体)的离子，同时向导带提供电子或向价带提供空穴。它能有效地提高半导体的导电性。掺杂半导体分为N型半导体和P型半导体。(2分)深能级杂质是指杂质位于远离禁带中导带或价带的能级。在常温下很难电离，并且不能促进导带中的电子浓度或价带中的空穴浓度。然而，它可以提供有效的复合中心，并应用于光电开关器件。(2分)当半导体中既有施主又有受主时，施主和受主首先相互抵消，剩下的杂质最终电离，这就是杂质补偿。(1分)通过使用杂质补偿效应，可以根据制造各种器件的需要改变半导体中特定区域的导电类型。(1分)2.什么是扩散长度、牵引长度和德拜长度，以及哪些因素决定了它们？(主题6)答：扩散长度是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(2分)牵引长度是指非平衡载流子在电场E作用下的寿命中的漂移距离，即由电场、迁移率和寿命决定。(2分)德拜长度是德拜在研究电介质表面的极化层时提出的理论长度。它用来描述正离子的电场能影响电子的最远距离。在半导体中，表面空间电荷层的厚度随掺杂浓度、介电常数和表面电位而变化，其厚度由特征长度德拜长度LD表示。它3.尝试解释半导体中电子有效质量的意义和性质，并说明能带底部和顶部、内部和外部电子的有效质量的各自特征。(主题6)答：有效质量是半导体内部势场的总结。在讨论外力作用下晶体中电子的运动规律时，只要内部周期势场的复作用包含在引入的有效质量中并用来代替惯性质量，就可以方便地用经典力学定律来描述它。由于晶体的各向异性，有效质量不同于惯性质量，它是各向异性的。(2分)在能带底部附近，电子的有效质量大于0，因为它是正的。(1分)在能带顶部附近，电子的有效质量小于0，因为它是负的。(1分)内层电子形成的能带窄，e k曲线曲率小，有效质量大。(1分)外层电子形成的能带宽度，e k曲线的曲率大，有效质量小。(1分)4.什么是复合中心？什么是间接复合过程？四个微观过程是什么？试着解释哪些参数与每个微观过程相关。(主题7)答：半导体中的杂质和缺陷会促进复合，这被称为复合中心。(1分)间接复合：非平衡载流子通过复合中心的复合；(1分)四个微观过程：捕获电子，发射电子，捕获空穴，发射空穴；(1分)俘获电子：它与导带电子的浓度和空穴复合中心的浓度有关。(1分)发射电子：以及复合中心层的电子浓度。(1分)俘获空穴：它与复合中心能级的电子浓度和价带空穴浓度有关。(1分)发射空穴：它与空重组中心的浓度有关。(1分)得分四、计算题(共35分，7题10分8题10分，共4题)1.(1)计算室温下本征硅的电阻率；(2)然而，在添加一百万份砷后，如果所有杂质都被电离，计算电导率比本征硅增加多少倍。(主题7)(电子和空穴的迁移率分别为1350cm2/(伏特秒)和500 cm2/(伏特秒)。如果杂质浓度小于11017厘米-3，电子的迁移率为850厘米2/(伏特秒)，ni=1.51010cm厘米-3，硅的原子密度为51022厘米-3。)解决方案：(1)(3分)(2)ND=5102210-6=51016(cm-3)N0=ND，因为总电离。(1分)少数载流子空穴对电导率的贡献被忽略，因此：电导率增加了153万倍。(3分)2.有一个足够厚的p型硅样品，电子迁移率n=1200 cm2/(vs ),室温为300K，电子寿命。例如，在其表面稳定注入的电子浓度为。试着计算离表面有多远，从表面扩散到表面的非平衡载流子的电流密度是1.20mA/cm2。(忽略表面复合)。(k0=1.3810-23J/K)，q=1.610-19C，k0T=0.026eV)(受试者10分)解答：电子在室温下的扩散系数可以从爱因斯坦关系式得到：(2分)电子扩散长度(2分钟)非平衡载流子的扩散方程是：其中(2分)因此，扩散电流J=(2分)从以上公式可以得出：(1分)将、和Dn的值代入上述公式，我们得到：(1分)3.当外加电场使半导体表面上的少数载流子浓度ns等于半导体内部的多数载流子浓度pp0时，由金属-二氧化硅-磷型硅构成的金属氧化物半导体结构充当临界强反转条件。(主题8)(1)当试图证明临界强反转时，半导体的表面势为：(5分)其间(2)绘制临界强反转发生时的半导体能带图，标出相关符号，用垂直线将反转区、耗尽区和中性区分开，并用文字标出。(3分)解决方法：(1)假设半导体表面电势为Vs，表面的电子浓度为：(1分)在临界强反转的情况下，ns=pp0，即，或(1分)此外，处于平衡状态的半导体体内多孔的浓度为：(1分)因此，比较以上两个表达式