2025年高三物理上学期“物理芯片”中的物理知识考查卷

2025年高三物理上学期“物理芯片”中的物理知识考查卷一、单项选择题（每题4分，共40分）2025年我国研发的二维材料硒化铟芯片，其载流子迁移率是传统硅基材料的3-10倍。已知硒化铟属于N型半导体，下列关于其导电特性的描述正确的是（）A.主要依靠空穴导电B.掺杂元素为硼族元素C.温度升高时电阻单调增大D.导电能力随掺杂浓度提高而增强芯片制造中采用的极紫外光刻技术，其光源波长约13.5nm。若用该光源照射某金属表面，逸出光电子的最大初动能为2.5eV，已知普朗克常量h=6.63×10⁻³⁴J·s，元电荷e=1.6×10⁻¹⁹C，则该金属的逸出功为（）A.7.3eVB.9.8eVC.12.3eVD.14.8eV超导量子芯片中的约瑟夫森结元件，在外加磁场作用下会出现量子干涉现象。若两个完全相同的约瑟夫森结串联形成超导量子干涉装置（SQUID），当外加磁场强度缓慢增加时，通过SQUID的超导电流强度将（）A.持续增大B.周期性变化C.先增大后减小D.保持不变某二维环栅晶体管（GAA）的沟道宽度为10nm，栅极电压控制电子在二维材料平面内运动。若电子的德布罗意波长λ=0.5nm，则其动量大小为（）A.1.33×10⁻²⁴kg·m/sB.2.66×10⁻²⁴kg·m/sC.3.99×10⁻²⁴kg·m/sD.5.32×10⁻²⁴kg·m/s中芯国际研发的二维芯片试产线中，采用原子层沉积技术制备氧化铪介电层，其厚度仅0.8nm。已知氧化铪的相对介电常数εᵣ=25，真空介电常数ε₀=8.85×10⁻¹²F/m，则该介电层单位面积的电容值约为（）A.2.77×10⁻⁶F/m²B.5.54×10⁻⁶F/m²C.8.31×10⁻⁶F/m²D.1.11×10⁻⁵F/m²北斗导航系统采用二维芯片后，信号处理模块体积缩小至原来的3%。若原模块中某LC振荡电路的电感L=2μH，电容C=20pF，缩小后的电路电感变为0.1μH，则为保持振荡频率不变，电容应调整为（）A.1pFB.2pFC.4pFD.10pF谷歌Willow量子处理器包含211个量子比特，每个量子比特通过微波脉冲控制。若控制脉冲的频率为5GHz，则其周期与波长分别为（）A.2×10⁻¹⁰s，0.06mB.2×10⁻¹⁰s，0.6mC.5×10⁻¹⁰s，0.06mD.5×10⁻¹⁰s，0.6m北京大学团队用“蒸笼法”制备硒化铟晶圆时，硒化铟蒸汽在低温衬底上凝华结晶。若蒸汽分子的平均动能为Eₖ=6.21×10⁻²¹J，普朗克常量h=6.63×10⁻³⁴J·s，则分子热运动对应的德布罗意波长数量级为（）A.10⁻⁹mB.10⁻¹⁰mC.10⁻¹¹mD.10⁻¹²m某AI芯片的运算核心工作电压为0.7V，峰值电流100A，其1小时内消耗的电能与以下哪个物理过程相当（）A.1kg水温度升高60℃B.将10kg物体举高252mC.100W灯泡持续工作7小时D.1标准大气压下200g水沸腾汽化台积电1nm工艺研发中遇到磷化铟材料短缺问题，已知磷化铟属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，其晶体结构中磷原子与铟原子之间的化学键类型为（）A.离子键B.金属键C.共价键D.氢键二、多项选择题（每题5分，共20分，选对但不全得3分，有错选得0分）关于半导体芯片制造中的掺杂工艺，下列说法正确的有（）A.N型掺杂是向本征半导体中掺入五价元素B.掺杂可使半导体的电阻率显著降低C.重掺杂会导致PN结的击穿电压升高D.离子注入掺杂比扩散掺杂具有更高的精度二维材料硒化铟相较于传统硅基材料具有明显优势，其特性包括（）A.载流子迁移率高B.禁带宽度可调C.耐高温稳定性强D.机械柔韧性好超导量子芯片在工作时需维持极低温度环境（约10mK），下列与低温制冷相关的物理现象有（）A.迈斯纳效应B.约瑟夫森效应C.斯特林循环D.帕尔帖效应芯片制造中的光刻技术涉及光的波动性，下列现象与光刻过程中光的行为相关的有（）A.光的衍射B.光的偏振C.光的干涉D.光电效应三、实验题（18分）某研究小组利用霍尔效应测量二维硒化铟薄膜的载流子浓度。实验装置如图所示，将硒化铟薄膜样品置于匀强磁场中，磁场方向垂直于薄膜平面向下，通过样品的电流I与霍尔电压U_H的测量数据如下表：电流I（mA）1.02.03.04.05.0霍尔电压U_H（mV）0.81.62.43.24.0已知磁场强度B=0.5T，样品宽度d=2mm，厚度t=10nm。（1）根据表中数据，在坐标纸上绘制U_H-I图像（请在答题卡指定位置作图）；（2）由图像求出霍尔系数R_H=__________m³/C（保留两位有效数字）；（3）计算该硒化铟薄膜的载流子浓度n=m⁻³（保留一位有效数字）；（4）若实验中电流方向与磁场方向平行，则霍尔电压将（填“增大”“减小”或“变为零”）。四、计算题（24分）（12分）谷歌Willow量子处理器中的量子比特由超导约瑟夫森结构成，其等效电感L=10nH，电容C=100fF。（1）计算该量子比特的共振频率f₀；（2）若量子比特在共振频率下工作，求电磁振荡的周期T；（3）当量子比特从激发态跃迁到基态时，辐射光子的能量E是多少？（普朗克常量h=6.63×10⁻³⁴J·s）（12分）某二维环栅晶体管（GAA）的沟道长度L=5nm，工作时电子在沟道内做定向运动，平均漂移速度v与电场强度E的关系为v=μE，其中μ为载流子迁移率。已知硒化铟的μ=5m²/(V·s)，外加电压U=0.5V。（1）计算沟道内的电场强度E；（2）求电子在沟道内的渡越时间τ；（3）若该晶体管的开关频率f=1/τ，计算其工作频率（结果保留一位有效数字）。五、综合题（30分）（15分）阅读以下材料，回答问题：2025年8月，北京大学团队采用“蒸笼法”在普通玻璃衬底上成功制备出5cm×5cm的硒化铟二维材料晶圆。该方法通过控制硒化铟粉末在惰性气氛中的升华与凝华，实现了大面积、高质量的二维晶体生长。实验测得该晶圆的方块电阻R□=200Ω/□，载流子迁移率μ=8m²/(V·s)。（1）解释“蒸笼法”制备二维材料晶圆过程中涉及的物态变化；（2）推导方块电阻R□与材料电阻率ρ、厚度t的关系表达式；（3）计算该硒化铟晶圆的电阻率ρ（保留两位有效数字）。（15分）超导量子干涉装置（SQUID）由两个约瑟夫森结并联组成，其临界电流I_c随外加磁场B周期性变化，周期ΔB=2×10⁻⁴T。某SQUID用于测量地磁场的垂直分量，当磁场从B₁=3×10⁻⁵T变化到B₂=5×10⁻⁵T时，观察到临界电流出现3次极小值。（1）画出SQUID的临界电流I_c与磁场B的关系示意图；（2）计算该SQUID的磁通量量子Φ₀=__________Wb（保留两位有效数字）；（3）若SQUID的面积S=1cm²，求地磁场垂直分量的变化量ΔB=__________T（保留一位有效数字）。六、选考题（10分，任选一题作答）A.[物理与科技]简述二维环栅晶体管（GAA）相较于传统FinFET晶体管在结构上的改进，并分析其对芯片性能提升的作用。B.[物理与生活]某手机处理器采用7nm工艺，集成了10亿个晶体管，工作电压1.2V，平均功耗5W。估算该处理器中每个晶体管的平均开关频率（假设每个晶体管开关一次消耗能量E=CV²，电容C=1fF）。（全