2006半导体物理a考试

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1、1二二 0 0 五五 至至 二二 0 0 六学六学 年年 第第 一一 学期学期 一、选择填空（含多选题）一、选择填空（含多选题） （18 分）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D、自旋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

2、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)0 B、(EC-EF)或(EF-EV)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26、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

3、导体掺入硼的浓度为 1014cm-3, 磷为 1015 cm-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. 1.11015cm-3, E. 91014cm-38、3 个硅样品的掺杂情况如下：甲含镓 11017cm-3；乙.含硼和磷各 11017cm-3；丙.含铝11015cm-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 n与温度的（ B ） 。A、平方成正比； B、3/2 次方成反比；C、平方成反

4、比； D、1/2 次方成正比；10、公式中的 是载流子的（ C ） 。*/qmA、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312、欧姆接触是指（ D ）的金属半导体接触。A、Wms=0 B、Wms0C、Wms0 D、阻值较小并且有对称而线性的伏安特性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

5、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、证明题二、证明题：（8 分）试用一维非均匀掺杂（掺杂浓度随试用一维非均匀掺杂（掺杂浓度随 x 的增加而下降）的增加而下降） ，非简并，非简并 p 型半导体模型导型半导体模型导 出爱因斯坦关系式：出爱因斯坦关系式：popDk T q证明：由于掺杂浓度不均匀，电离后空穴浓度也不均匀，形

6、成扩散电流：0 ppdpjqDdx 空穴向右扩散的结果，使得左边带负电，右边带正电，形成反 x 方向的自建电4场 E, 产生漂移电流：0pjqp E漂稳定时两者之和为零，即：0 00ppdpqDqp Edx而，有电场存在时，在各处产生附加势能qV(x)，使得能带发生倾斜。dVEdx 在 x 处的价带顶为：EV(x)=EV-qV(x)，则 x 处的空穴浓度为：0 0( )( )exp()FV VEEqV xp xNk T则：000( )exp()()FV VdpEEqV xq dVNdxk Tk T dx0 0( )q dVp xk T dx 故：00 00ppq dVdVqD pqpk T d

7、xdx0ppDk T q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

8、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5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

9、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。 （2 分）LD牵引长度是指非平衡载流子在电场 E 的作用下，在寿命时间内所漂移的距离，即，由电场、迁移率和寿命决定。 （2 分）( )L EE4、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

10、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

11、子（空穴）运动规律的连续方程为：，请说明上述等式两边各个单项22pppp pEppppDEpgtxxx所代表的物理意义。 （5 分）答：在 x 处，t 时刻单位时间、单位体积中空穴的增加数；（1 分）p t 由于扩散，单位时间、单位体积中空穴的积累数；（1 分）22ppDx 由于漂移，单位时间、单位体积中空穴的积累数；ppEpEpxx（1 分）由于复合，单位时间、单位体积中空穴的消失数；（1 分）pp 由于其他原因，单位时间、单位体积中空穴的产生数。 （1 分）pg66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。CDABT答：设半导体为 n 型，有 nnq1AB：

12、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空穴对， 其净产生率 G1018/(cm3.s)属于小注入水平，已知非子空穴的寿命，求光照10ps停止 20后的非子空穴密度（已知自然对数的底 e

13、2.7） 。 （8 分）s解：稳定光照式的非子空穴浓度为：1861331010 1010 ()ppGcm 也即光照停止后光生空穴密度衰减过程中的初始浓度。(0)p7( )(0)exp()ptp tp 光停止 20S 后的非子空穴密度为：2013 1312310 210(20)101.35 10 ()pecme2、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=2.91019cm-3，硅的本征载 流子浓度 ni=1.51010cm-3,求样品的费米能级位于哪里？（8 分）解：由电中性条件可得:00()D

14、AnNNp由题意可知，ni=1.51010cm-3, ND-NA=1014cm-3故有：，可忽略 p0, 0DAiNNnp?所以143 010DAnNNcm导带电子浓度为：0 0exp()CF CEEnNk T所以，19014 02.9 10ln(0.026)ln0.32710C FCCCNEEk TEeVEeVn样品的费米能级位于导带底 Ec下方 0.327eV。3、施主浓度为 ND=1017cm-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=2.51019cm-3，Al 的功函数为

15、 4.30eV。解：室温下杂质全部电离 n0= ND=Ncexp() kTEEFCEF=Ec+kTln(ND/Nc)= Ec+0.026ln1917105 . 210 Ec-EF=0.147eV 所以 该硅的功函数为 Ws=+( Ec-EF)=4.05+0.147=4.197eVnEVs=-0.103 -0.10V qWWms4、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 0.2m，r0=3.9。求氧化层内电8荷引起的平带电压变化 V （已知 0=8.8510-12F/m） 解、电荷分布方程及边界条件为(x)|x=d0 =0(x)= (0/d0)x Q=0021dVFB= = -6.2V00002 00003)(1drdxdxxCd第