2006半导体物理A考试

二00五至二00六学年第一学期一、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口、自旋一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）W0B、&耳）或鼻卫丫）三0C、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1015cm-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.1.1X1015cm-3,E.9X1014cm-38、3个硅样品的掺杂情况如下：甲.含镓1X1017cm-3；乙.含硼和磷各1X1017cm-3；丙.含铝1X1015cm-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，电子的迁移率巴与温度的（B）。A、平方成正比；B、3/2次方成反比；nC、平方成反比；D、1/2次方成正比；

10、公式N=q/m*中的t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。AWms=0B、Wms<0C、wm>0D、阻值较小并且有对称而线性的伏一安特性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：D—D—pNpkT-oq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：dpj——qD0ppdx空穴向右扩散的结果，E,产生漂移电流：使得左边带负电，右边带正电，形成反空穴向右扩散的结果，E,产生漂移电流：j漂二qNpp0E稳定时两者之和为零，即：稳定时两者之和为零，即：dp-qD—0-+qnpE=0pdxp0而E=-dV，有电场存在时，在各处产生附加势能一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：p(x)=Nexp(-E-E+qV(x)、—FV)kT0则：-po-=Nexp(-

dxVE-E+qV(x)V——

kT

0)(-备方0(、qdv=_p(x)0kTdx0qdVdV故：qDp—q日p=0p0kTdxp0dx0DkT—p=—0—Nqp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，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=JD。（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t时间内所漂移的距离，即L（E）=Ent，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ni—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为：啰=dep-旦e里-旦p4E-包+g，请说明上述等式两边各个单项dtpdxx2pdxxpdxxTpp所代表的物理意义。（5分）答：也一一在x处，t时刻单位时间、单位体积中空穴的增加数；（1分）StDS2p――由于扩散，单位时间、单位体积中空穴的积累数；（1分）pSx2―日E\电-日p胆一一由于漂移，单位时间、单位体积中空穴的积累数；pSxpSx（1分）—包一一由于复合，单位时间、单位体积中空穴的消失数；（1分）Tpg――由于其他原因，单位时间、单位体积中空穴的产生数。（1分）p6.以中等掺杂n型硅为例定性阐述电阻率。随温度T变化的三个阶段的特点。

1答：设半导体为n型，有P=nJ^TnqnAB：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。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。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。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一一空穴对，其净产生率G=10i8/（cm3.s）属于小注入水平，已知非子空穴的寿命t=10日s,求光照停p止20日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：Ap=Gt=1018x10x10-6=1013（cm-3）p也即光照停止后光生空穴密度衰减过程中的初始浓度Ap（0）。Ap（t）=Ap（0）exp（-一）tp光停止20uS后的非子空穴密度为：蚀1013_Ap(20)=1013e-10==1.35x1012(cm-3)e22、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=2.9X10i9cm-3,硅的本征载流子浓度ni=L5X10iocm-3,求样品的费米能级位于哪里？（8分）解：由电中性条件可得：n=（N-N）+p0DA0由题意可知，ni=1.5x1010cm-3,ND-NA=1014cm-3故有：N-N故有：N-NDA及p0,可忽略p0,所以n-N-N.=1014cm-3E-E—CF)kT0导带电子浓度为：E-E—CF)kT0所以，E=E—kTlnNc=E—(0.026eV)ln2,9X1019=E—0.327eVFC0nC1014C0样品的费米能级位于导带底Ec下方0.327eV。3、施主浓度为ND=10i7cm-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=2.5X1019cm-3,Al的功函数为4.30eV。解：室温下杂质全部电离E—En0=ND=Ncexp(-CkT7-F-)1017E/E+kTln(N"N)=E+0.026ln—FcDcc2,5x1019Ec-EF=0.147eV所以该硅的功函数为W.=%+E=X+(E-EF)=4.05+0.147=4.197eVsncFVs=Vs=W—W=-0.103-0.10V4、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0.2pm,r0=3.9。求氧化层内电荷引起的平带电压变化AV(已知0=8.85x10-12F/m)解、电荷分布方程及边界条件为(x)x=d0=0(x)=(0/d0)x,・・Q=—pd200.•・V口产-—1-Jd0p(x)xdx=-P0d^-=-6.2VFBdC03££00r00四、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=2.9X10i9cm-3,硅的本征载流子浓度ni=1.5X10iocm-3,求样品的费米能级位于哪里？(8分)解：由电中性条件可得：n=(N-N)+p(1分)0DA0由题意可知，ni=1.5x1010cm-3,ND-NA=1014cm-3故有：N-Nnp,可忽略p0,DA0所以n所以n0导带电子浓度为：n=Nexp（-£?~幺）（2分）ckToN29X10