西安电子科技大学801半导体物理与器件物理基础考研真题两份(优质最新2020年和2019年

西安电子科技大学
2020年硕士研究生招生考试初试试题
考试科目代码及名称801半导体物理
考试时间2019年12月22日下午(3小时)
答题要求：所有答案(填空题按照标号写)必须写在答题纸上，写在试题上一律作废，准考证号写在指定位置!
一、填空题(30分，每空1分)
1、根据晶体对称性， Si的导带底在(1) 晶向上共有(2)个等价的能谷， Si的
导带极小值位于(3) , Si 的导带电子有效质量是(4) 的。

2、有效质量各向异性时电导有效质量(me)l=(5) ,半导体Si的
mi=0.98ma,m,=0.19ma 它的电导有效质量是(6) 。

3、半导体的导电能力会受到外界的(7) 、(8) 、(9) 和电场强度、磁场强
度的影响而发生显著变化，半导体的电阻率通常在(10) 2 cm 范围内，
4、室温下Si 的Nc=2.8×10/⁹cm³,如果Ep=Ec 为简并化条件，则发生简并时Si
的导带电子浓度为. (11)c m³ (费米积分Fiz(O)=0.6); 室温下Ge 中掺
P(4Ep=0.012eV), 若选
取Ep=EckoT 为简并化条件，发生简并时电离杂质浓度占总杂质浓度的比例为(12) %。

5、根据杂质在半导体中所处位置，可将杂质分为. (13) 式杂质和(14) 式杂质
；根据杂质在半导体中得失电子或空穴情况，可将杂质分为. (15) 和(16) 杂质；
若将Au 掺入Ge 中可以引入(17) 个杂质能级，存在着(18) 种荷电状态；若将Au
掺入Si中可以引入(19) 个杂质能级，这些能级都是有效的(20)
6、一维情况下的空穴连续性方程是(21) ,其中方程等号左边项表示(22) ,
方程等号右边第一项表示(23) ,等号右边第二和第三项表示(24), 等号右边第
四项表示 (25) ,等号右边第五项表示(26) 。

稳态扩散方程只是连续性方程的一个
特例，当连续性方程中的(27)= 0、(28)= 0、(29)= 0、(30)= 0时，就由连续
性方程得到了稳态扩散方程。

e、Nc是一个常数，它的单位是电子伏特(eV)。

2、在Si和Ge 的价带结构中，以下正确的说法是(32) :
a、Si和Ge 的价带都是简并的，但二者的简并度不同；
b、Si和Ge 的价带均由四度简并支和二度简并支构成，各有三种不同的空穴有效质量；
c、Si和Ge 的价带极大值不是恰好位于第一Brillouin 区中心，而是略有偏离；
d、Si和Ge 具有相同的重空穴和轻空穴有效质量，它们都是球形等能面；
e、Si和Ge 的价带都是简并的，也就是空穴都服从Fermi分布函数。

3、在回旋共振实验中，以下正确的说法是(33):
a、改变磁感应强度B 的大小时，吸收峰的个数是相同的；
b、利用回旋共振实验结果，可以确定出Si的导带极小值位置；
c、回旋共振实验是在室温下进行的，因为此时施主杂质或者受主杂质可以充分电离；
d、实验中固定交变电磁场频率，改变磁感应强度的大小和方向并观测吸收峰个数；
e、回旋共振实验必须采用高纯样品。

4、杂质半导体的温度升高时，电离杂质散射几率和声学波散射几率的变化分别是(34): a、变大，变小；
b、变小，变大；
c、变小，变小；
d、变大，变大；
e、先变小再变大，变大。

5、简并和非简并半导体，以下正确的说法是. (35)
a、简并半导体服从Fermi分布，它只是非简并半导体的一种特例；
b、简并半导体的电子E-k关系不止一个，其E-k关系个数与简并度有关；
c、非简并半导体服从Boltzmann 分布，以导带电子为例，因该能级被电子占据的几率很大，所以不用考虑自旋效应；
d、简并半导体服从Fermi分布，以导带电子为例，因为该能级被电子占据的几率很大，所以不用考虑自旋效应；
e、以上都不对。

b、在一定温度和掺杂条件下，半导体Si中电离杂质散射和中性杂质散射都起重要作用；
c、一定温度和掺杂的Si, 电离杂质散射、声学波散射和光学波散射都有重要作用；
d、对G
e、Si、GaAs等常用的半导体材料，特定条件下存在着等同的能谷之间的散射； e、中性杂质散射只在低温条件下的重掺杂半导体中才起主要散射作用。

7、关于等能面，以下正确的说法是(37)
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a、等能面是当能量E 为常数时在xyz三维空间里所形成的能量相等的封闭曲面；
b、等能面的形状与体积大小和有效质量的大小有关；
c、等能面的形状可以有多种样式；
d、等能面是当能量E 为常数时在k 空间所形成的能量相等的封闭曲面，其形状只能是球形的或者是旋转椭球形的；
e、以上都不对。

8、关于晶格振动散射，以下正确的说法是(38) :
a、由N 个原胞构成的晶体共有6N个格波，格波的能量是连续的；
b、由N 个原胞构成的晶体共有6N个格波，可以分为六支，二支声学波和四支光学波；
c、6N 个格波分为六支，三支声学波和三支光学波，声学波和光学波都是两纵一横；
d、声学波频率低光学波频率高，长声学波代表原胞质心运动，长光学波原胞质心不动；
e、格波的能量不连续，但是可以看做是准连续的。

9、I-V 族化合物半导体中杂质自补偿效应产生的原因是(39) :
a、在制备这种材料中通过掺杂而引入的某种深能级杂质；
b、掺入了某种IV 族元素；
c、既掺入了Ⅲ族元素又掺入了V 族元素；
d、在制备这种材料中产生的晶格缺陷而导致的深缺陷能级；
e、因为Ⅲ-V 族化合物半导体是直接带隙半导体。

10、公式c=qB/mn* 中的mn*和Ne 中出现的mm*, 这两者正确的说法是(40)
a、两式中的mn* 含义是相同的；
b、对半导体Si是相同的，对GaAs 是不相同的；
c、对半导体Ge 是相同的；
d、对各种半导体都是各不相同的；
e、对GaAs 是相同的，对Si是不相同的。

三、简述或证明与简单计算(32分，每题8分)
1、已知Si的晶格常数是5.43A,①计算两个最近邻原子中心的距离；②求硅晶体的原子密度(单位cm²);③将原子视为圆球且最近邻圆球彼此相切，求晶胞中原子体积占晶胞体积的百分比；④画出一个共价四面体示意图，说明存在几种不同的原子间距并分别
求出这几种原子间距。

2、二维晶体的导带底极小值 Es位于(ka,ko) 处，①请分别就电子有效质量为各向同性(m") 和各向异性(m:\my) 两种情况下，写出其在导带极小值附近等能线所满足的方程；
②如果ka=k=0, 请在k,k, 坐标系中分别画出这两种情况下的等能线示意图。

3、什么是单电子近似?引入单电子近似的目的是什么?根据单电子近似得到的晶体
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中电子的势场表达式是怎样的?特点是什么?
4、SRH 理论提出对于只含一种复合中心能级Et的半导体中存在甲、乙、丙、丁四个微观过程，请在能带图中绘出这四个过程，请以甲、乙过程为例，建立甲和乙两过程之间的定量关系，并证明其中的ni=Ncexpl-(Ee-E)/koT]。

四、计算题(68分，请计算出最终数据)
1、(15分)Si的mn'=1.08mo,mp'=0.59mo,室温下Si的Nc=2.8×101°cm³,n₁=1.5×1010 cm³。

求室温下：①、本征Si 的费米能级Ep与禁带中线(Ec+Ev)/2的间距；②、若在Si 中掺入No=3×10l⁵cm³的施主，求费米能级Ep与Ei的间距；③、在②基础上再掺入浓度为Na=1×10/⁵cm³的受主，求费米能级Ep 与Ei的间距；④、在③基础上光照产生非平衡载流子且Ep"-Ep=0.02koT, 求非平衡载流子浓度是多少?说明是否小注入?为什么?
2、(15分)Ge 在300K 下的Nc=1.05×10/°cm³,Ny=5.7×10/⁸cm²³,Eg=0.67eV,实验测出77K 时Eg=0.76eV, 计算：①300K下本征Ge 的导带电子浓度no=?②77K下本征Ge 的导带电子浓度no=?③如果对本征Ge 掺入No=10/cm³的施主，而△Eo=0.0leV
计算在77K 下的导带电子浓度no=?④如果在77K 下Ge 的导带电子浓度no=10/cm²³,而△Eo=0.0leV,计算样品中的施主浓度No=?
3、(15分)施主浓度No=3×10¹⁵cm³的极薄n 型Si, 少子寿命20us, 室温下强光照射被样品均匀吸收且达到稳态，空穴产生率 go=5×10/⁸cm³/s,若μ≈1100cm²/Vs, μ≈400cm²/V's,n,=1.5×101°cm³,q=1.602×10-1°C。

计算：①无光照时 Si 样品中多子的浓度和电阻率p;②有光照时Si样品的电导率σ;③有光照时，电子、空穴的准费米能级EP 和Ep 与平衡费米能级Ep 的间距；④有光照时，若对样品外加50Vcm 的恒定电场，求通过样品的电流密度J。

4、(15 分)施主浓度No 的 n 型半导体，若该半导体 Eg 不随温度变化并且规定当No=0.1n 时(n,是本征载流子浓度)为强电离区转变到过渡区的浓度标准。

①证明该半导体由强电离区转变到过渡区所需的温度满足T=Eg/{koln[(Nc ·Nw100No²)·(T/300)]}。

②如果n 型Si的No=10¹⁵cm³,求强电离区转变到过渡区所需的温度T(已知Eg=1.12eV不随温度变化，300K 下Nc=2.8×101⁹cm³、Ny=1.1×101°cm³)。

5、(8分)已知h=6.625×10³Js,leV=1.602×10-1°J,mo=9.108×10-³/kg,1N=1kgm/s², 1J=1Nm,ko=1.380×10-²J/K,GaAs电子mn*(man)=0.068mo,求GaAs 在室温下的Nc 值(Nc 的单位cm²)。

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西安电子科技大学
2019年硕士研究生招生考试初试试题
考试科目代码及名称 801半导体物理与器件物理基础
考试时间2018年12月23日下午(3小时)
答题要求：所有答案(填空题按照标号写)必须写在答题纸上，写在试题上一律作废，准考证号写在指定位置!
第一部分半导体物理(90分)
一、填空题(30分，1-4小题每空1分，5-9小题每空2分)
1、Fermi分布和Boltzmann分布的区别在于是否考虑(1) 的影响，导带中电子满足 ( 2 )条
件时，采用Fermi 分布和Boltzmann 分布统计得到的结果是(3) ,通常把服从Fermi 分布的半导体称为(4) , 服从Fermi 分布的n 型半导体中no=(5) ,po= (6) ,
2、杂质完全电离对应了(7) 、(8) 和(9) 等三个温度区间，三个不同温度区间的区别在
于(10) 作用的强弱和贡献大小。

对n 型半导体，相对于施主浓度No 而言，当满足Np≈n 的条件时，样品处于足(ID 区，此时的导带电子浓度no=(2,
3、Nc 称为(3) , Nc 值大小与(14 和(5) 有关，满足Boltzmanm 统计分布的n 型样品，
在器件正常工作温度区间内，其施主杂质浓度N o(6) Nc。

4、载流子遭到散射的根本原因是(7) 。

对本征Si而言其主要散射机构是 ( 8 ),而对于化
合物半导体 GaAs, 其主要散射机构中包括了长纵光学波散射，这是因为长纵光学波振动引起了(9) ,光学波散射几率p。

与平均声子数的关系是(0) 。

5、关于半导体导带电子的E~k 关系，下面的 (21) 说法是正确的：
A、导带极小值处E~k 关系曲率越大，电子的有效质量越大；
B、导带极小值处E~k 关系曲率越大，电子的有效质量越小；
C、导带极小值处E~k 关系曲率越小，电子的有效质量越小；
D、导带极小值处E~k 关系不止一种；
6、对于杂质补偿的半导体，下面的(22) 说法是正确的：
A、通过杂质高度补偿的方式，可以获得高纯半导体材料；
B、高度补偿的半导体其载流子迁移率与高纯半导体载流子迁移率相差无几；
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C、通过杂质高度补偿的方式，可以在较大的范围内有效调整载流子的寿命；
D、高度补偿的半导体容易误认为是高纯半导体，实际上性能很差；
E、高度补偿的半导体中，有效杂质浓度指的是施主浓度和受主浓度两者之和。

7、半导体中电子做共有化运动，共有化运动是指 (23):
A、电子为整个晶体中所有原子共有；
B、电子挣脱格点原子束缚在晶体中自由运动；
C、在晶胞对应点出现的几率相同；
D、在原胞对应点出现的几率相同；
E、电子相位在整个晶体中处处相同。

8、强光照射n 型半导体产生非平衡载流子，如果是小注入那么， (24) 是正确的：
A、非平衡电子和非平衡空穴的作用同样重要；
B、电子准费米能级远高于热平衡态时的统一费米能级；
C、导带和价带之间不平衡并且导带和价带内部自身也是不平衡的；
D、不具备统一的费米能级且mp<n²;
E、空穴准费米能级远低于热平衡态时的统一费米能级。

9、n 型半导体在强电离区时，以下 (25) 是正确的：
A、室温下施主杂质一定发生了强电离；
B、施主杂质发生强电离与温度、掺杂浓度和杂质电离能均有关系；
C、n 型半导体在强电离区时电子浓度和空穴浓度都是恒定的；
D、n 型样品在强电离区时本征激发不能忽咯，因为本征载流子浓度严重依赖于温度；
E、n 型半导体在强电离区时因空穴浓度随温度变化使得器件(或IC) 不能正常工作。

二、简要叙述(30分，每小题6分)
1、以Si 为例，说明半导体中掺杂的目的和作用是什么?并予以举例说明。

2、说明半导体器件存在最高工作温度上限的原因和改进方法。

3、非平衡态下半导体中可能同时存在载流子扩散、漂移、复合和产生等引起载流子浓度变化的因素。

①列出一维情况下 n 型半导体中少子所满足的连续性方程，指出方程中各项的物理意义；②三维情况时，列出空穴的连续性方程；③在一维情况下，如果同时存在扩散运动和漂移运动时，分别写出电子和空穴的电流密度J,和J,以及样品中的总
电流密度。

4、室温下掺杂等情况完全相同的处于非平衡态的两块无限大n 型样品，其中一块样品中的非平衡载流子浓度△p(x)=(4p)oexp(x/L₂), 另一块样品中的非平衡载流子浓度△p()=(4p)exp(-hJ。

①说明上述两式分别是样品处于什么条件下所得到的结果?②两式801 半导体物理与器件物理基础试题共 4 页第 2 页
中L, 和，的名称和物理意义各是什么?③说明上述两式中(△p)o的含义。

5、下图是某半导体的导带电子的E-k 关系曲线，说明当电子由下能谷跃迁到上能谷
后哪些物理量发生了变化，这种跃迁与本征激发的区别是什么?
三、计算题：(30分，每小题10分)
1、以施主杂质电离95%作为强电离标准，若锗中施主杂质电离能△Eo=0.01eV, 施
主杂质浓度是2×10⁵cm³,300k时锗的Nc=1.05×10'⁹cmi³。

①计算该样品发生强电离时的温度是多少?
②已知μn=3900(T/300y³²/[(+Ni/10/?)’']cm²/vs,Ni是离化杂质浓度，T 是样品温度，
已知电子电量q=1.6×10℃,求该温度下样品电导率g=?
2、请写出n 型半导体的电中性条件，在低温弱电离区的条件下，推导出该n 型半导
体的费米能级表达式。

①证明 n 型半导体在低温弱电离区费米能级具有极大值，说明费米能级极大值所对应的温度与掺杂浓度的关系；②已知300k时Ge 的Nc=1.05×10°cm³,如果77k时Ge 中的电子浓度是1×10′cm³,施主杂质电离能△Eo=0.0leV,请采用电中性条件和低温弱电离区的近似条件两种不同方法，分别计算Ge 中的施主浓度No 是多少? 讨论两种方法计算结果不一致的原因。

3、室温下的半导体Si, 已知Si的Nc=2.8×10°cm³。

①若以Fermi 能级距离导带底
的距离恰好是koT 作为简并化的条件，计算Si中掺As(△Ep=0.049eり发生简并化时的掺杂浓度是多少?杂质的离化率是多少? Fid9 值见下表。

②若以Fermi 能级比施主能级Eo 低1.5koT作为杂质强电离标准，求Si中掺As 为确保杂质强电离的掺杂浓度上限是多少?
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第二部分器件物理基础(60分)
一、名词解释(共10分，每小题2分)
1、表面势；
2、平带电压；
3、增强型NMOS;
4、速度饱和效应；
5、栅氧化层击穿
二、简答题(共40分)
1、(12分)关于N 沟道增强型MOSFET 的阈值电压：
①若通过离子注入工艺，在栅氧化层下方注入磷杂质，请回答Vr是正向变化还是负向变化?并解释变化的原因。

②当该MOSFET 发生阀值电压的短沟道效应时，画出栅长Lg 在0. 1微米到10微米变化范围内，阈值电压Vt与栅长Lg 的变化规律曲线示意图；解释造成此种变化的原因。

③减小结深rj 对阈值电压短沟道效应有何影响?解释造成此种影响的原因。

④增大衬底偏置电压对阈值电压短沟道效应有何影响?解释造成此种影响的原因。

2、(12分)关于N 沟MOSFET 的等效电路和频率特性：
①请画出共源n 沟道MOSFET 的小信号等效电路。

②讨论源串联电阻Rs 对有效跨导Gm '的影响。

③讨论材料迁移率和栅长对截止频率ff的影响。

④讨论栅漏寄生电容Cgdp 对器件截止频率ft 的影响
3、(16分)摩尔定律要求MOSFET 器件尺寸不断缩小：
①请说明MOSFET 器件尺寸不断缩小能带来哪些好处?
②请简述恒定电场按比例缩小规则的优点和缺点。

③若该器件发生漏衬pn 结击穿，请简述该效应发生的物理机理，并画出该效应发生后的器件输出特性曲线示意图。

④若该器件发生源漏穿通效应，请简述该效应发生会对器件特性产生怎样的影响?
并画出该效应发生后的器件输出特性曲线示意图。

三、计算题(共10分)
N 沟道增强型MOSFET, 宽长比为30,氧化层电容Cox=6.9×10°F/cm²,测试得到当栅压 Vgs为2.5V 时源漏饱和电流为4m4, 当栅压 Vgs为3.5V 时源漏饱和电流为9m₄。

①请计算不考虑表面迁移率现象时的沟道反型载流子迁移率。

②请计算栅压Vgs为4.5V时的源漏饱和电流Id。

③请计算栅压Vgs为 2V, 源漏电压Vds 为 4V时的跨导Gm。

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