半导体器件物理与工艺复习题(2012)
半导体器件物理与工艺+施敏++答案
Solutions Manual to Accompany SEMICONDUCTOR DEVICESPhysics and Technology2nd EditionS. M. SZEUMC Chair ProfessorNational Chiao Tung UniversityNational Nano Device LaboratoriesHsinchu, TaiwanJohn Wiley and Sons, IncNew York. Chicester / Weinheim / Brisband / Singapore / TorontoContentsCh.1 Introduction--------------------------------------------------------------------- 0 Ch.2 Energy Bands and Carrier Concentration-------------------------------------- 1 Ch.3 Carrier Transport Phenomena-------------------------------------------------- 7 Ch.4p-n Junction--------------------------------------------------------------------16 Ch.5 Bipolar Transistor and Related Devices----------------------------------------32 Ch.6 MOSFET and Related Devices-------------------------------------------------48 Ch.7 MESFET and Related Devices-------------------------------------------------60 Ch.8 Microwave Diode, Quantum-Effect and Hot-Electron Devices---------------68 Ch.9Photonic Devices-------------------------------------------------------------73 Ch.10 Crystal Growth and Epitaxy---------------------------------------------------83 Ch.11 Film Formation----------------------------------------------------------------92 Ch.12 Lithography and Etching------------------------------------------------------99 Ch.13 Impurity Doping---------------------------------------------------------------105 Ch.14 Integrated Devices-------------------------------------------------------------113CHAPTER 21. (a) From Fig. 11a, the atom at the center of the cube is surround by fourequidistant nearest neighbors that lie at the corners of a tetrahedron. Therefore the distance between nearest neighbors in silicon (a = 5.43 Å) is1/2 [(a /2)2 + (a 2/2)2]1/2 = a 3/4 = 2.35 Å.(b) For the (100) plane, there are two atoms (one central atom and 4 corner atoms each contributing 1/4 of an atom for a total of two atoms as shown in Fig. 4a)for an area of a 2, therefore we have2/ a 2 = 2/ (5.43 × 10-8)2 = 6.78 × 1014 atoms / cm 2Similarly we have for (110) plane (Fig. 4a and Fig. 6)(2 + 2 ×1/2 + 4 ×1/4) /a 22 = 9.6 × 1015 atoms / cm 2,and for (111) plane (Fig. 4a and Fig. 6)(3 × 1/2 + 3 × 1/6) / 1/2(a 2)(a23) =2232a= 7.83 × 1014 atoms / cm 2.2. The heights at X, Y, and Z point are ,43,41and 43.3. (a) For the simple cubic, a unit cell contains 1/8 of a sphere at each of the eight corners for a total of one sphere.4 Maximum fraction of cell filled= no. of sphere × volume of each sphere / unit cell volume = 1 × 4ð(a /2)3 / a 3 = 52 %(b) For a face-centered cubic, a unit cell contains 1/8 of a sphere at each of the eight corners for a total of one sphere. The fcc also contains half a sphere at each of the six faces for a total of three spheres. The nearest neighbor distance is 1/2(a 2). Therefore the radius of each sphere is 1/4 (a 2).4 Maximum fraction of cell filled= (1 + 3) {4ð[(a /2) / 4 ]3 / 3} / a 3 = 74 %.(c) For a diamond lattice, a unit cell contains 1/8 of a sphere at each of the eight corners for a total of one sphere, 1/2 of a sphere at each of the six faces for a total of three spheres, and 4 spheres inside the cell. The diagonal distancebetween (1/2, 0, 0) and (1/4, 1/4, 1/4) shown in Fig. 9a isD =21222222+ + a a a = 34a The radius of the sphere is D/2 =38a4 Maximum fraction of cell filled= (1 + 3 + 4)33834a π/ a 3 = ð3/ 16 = 34 %.This is a relatively low percentage compared to other lattice structures.4. 1d = 2d = 3d = 4d = d 1d +2d +3d +4d = 01d • (1d +2d +3d +4d ) = 1d • 0 = 021d +1d •2d +1d •3d + 1d •4d = 04d 2+ d 2 cos è12 + d 2cos è13 + d 2cos è14 = d 2 +3 d 2 cos è= 04 cos è =31−è= cos -1 (31−) = 109.470 .5. Taking the reciprocals of these intercepts we get 1/2, 1/3 and 1/4. The smallest three integers having the same ratio are 6, 4, and 3. The plane is referred to as (643) plane.6. (a) The lattice constant for GaAs is 5.65 Å, and the atomic weights of Ga and Asare 69.72 and 74.92 g/mole, respectively. There are four gallium atoms and four arsenic atoms per unit cell, therefore4/a 3 = 4/ (5.65 × 10-8)3 = 2.22 × 1022 Ga or As atoms/cm 2,Density = (no. of atoms/cm 3 × atomic weight) / Avogadro constant = 2.22 × 1022(69.72 + 74.92) / 6.02 × 1023 = 5.33 g / cm 3.(b) If GaAs is doped with Sn and Sn atoms displace Ga atoms, donors are formed, because Sn has four valence electrons while Ga has only three. The resulting semiconductor is n -type.7. (a) The melting temperature for Si is 1412 ºC, and for SiO 2 is 1600 ºC. Therefore,SiO 2 has higher melting temperature. It is more difficult to break the Si-O bond than the Si-Si bond.(b) The seed crystal is used to initiated the growth of the ingot with the correctcrystal orientation.(c) The crystal orientation determines the semiconductor’s chemical and electricalproperties, such as the etch rate, trap density, breakage plane etc.(d) The temperating of the crusible and the pull rate.8. E g (T ) = 1.17 – 636)(4.73x1024+−T T for Si∴ E g ( 100 K) = 1.163 eV , and E g (600 K) = 1.032 eVE g (T ) = 1.519 –204)(5.405x1024+−T T for GaAs∴E g ( 100 K) = 1.501 eV, and E g (600 K) = 1.277 eV .9. The density of holes in the valence band is given by integrating the product N (E )[1-F (E )]d E from top of the valence band (V E taken to be E = 0) to the bottom of the valence band E bottom :p = ∫bottomE 0N (E )[1 – F (E )]d E (1)where 1 –F(E) = ()[]{}/kT1 e/1 1F E E −+− = []1/)(e1−−+kTE EF If E F – E >> kT then1 – F (E ) ~ exp ()[]kT E E F −− (2)Then from Appendix H and , Eqs. 1 and 2 we obtainp = 4ð[2m p / h 2]3/2∫bottomE 0E 1/2 exp [-(EF – E ) / kT ]d E (3)Let x a E / kT , and let E bottom = ∞−, Eq. 3 becomesp = 4ð(2m p / h 2)3/2(k T)3/2exp [-(E F / kT )]∫∞− 0x 1/2e x d xwhere the integral on the right is of the standard form and equals π / 2.4 p = 2[2ðm p kT / h 2]3/2 exp [-(E F / kT )]By referring to the top of the valence band as E V instead of E = 0 we have,p = 2(2ðm p kT / h 2)3/2 exp [-(E F – E V ) / kT ]orp = N V exp [-(E F –E V ) / kT ]where N V = 2 (2ðm p kT / h 2)3 .10. From Eq. 18N V = 2(2ðm p kT / h 2)3/2The effective mass of holes in Si is m p = (N V / 2) 2/3 ( h 2 / 2ðkT ) = 3236192m 101066.2××−()()()30010381210625623234−−××..π = 9.4 × 10-31 kg = 1.03 m 0.Similarly, we have for GaAsm p = 3.9 × 10-31 kg = 0.43 m 0.11. Using Eq. 19(()C VV C N NkTE E E i ln 22)(++== (E C + E V )/ 2 + (3kT / 4) ln32)6)((n p m m (1)At 77 KE i = (1.16/2) + (3 × 1.38 × 10-23T ) / (4 × 1.6 × 10-19) ln(1.0/0.62) = 0.58 + 3.29 × 10-5 T = 0.58 + 2.54 × 10-3 = 0.583 eV.At 300 KE i = (1.12/2) + (3.29 × 10-5)(300) = 0.56 + 0.009 = 0.569 eV.At 373 KE i = (1.09/2) + (3.29 × 10-5)(373) = 0.545 + 0.012 = 0.557 eV.Because the second term on the right-hand side of the Eq.1 is much smallercompared to the first term, over the above temperature range, it is reasonable to assume that E i is in the center of the forbidden gap.12. KE =()())(/)( / d d e C F top C F topCE E x kTE E C E E kT E E C E E C EeE E EE E E E −≡−−−−−−−∫∫= kT ∫∫∞−∞− 021 023d e d e x x x x x x= kTΓ Γ2325 = kTππ505051...×× = kT 23.13. (a) p = mv = 9.109 × 10-31 ×105 = 9.109 × 10-26 kg–m/sλ = p h = 2634101099106266−−××..= 7.27 × 10-9m = 72.7 Å(b) n λ=λp m m 0= 06301.× 72.7 = 1154 Å .14. From Fig. 22 when n i = 1015 cm -3, the corresponding temperature is 1000 / T = 1.8.So that T = 1000/1.8 = 555 K or 282 .15. From E c – E F = kT ln [N C / (N D – N A )]which can be rewritten as N D – N A = N C exp [–(E C – E F ) / kT ]Then N D – N A = 2.86 × 1019 exp(–0.20 / 0.0259) = 1.26 × 1016 cm -3or N D = 1.26 × 1016 + N A = 2.26 × 1016 cm -3A compensated semiconductor can be fabricated to provide a specific Fermi energy level.16. From Fig. 28a we can draw the following energy-band diagrams:17. (a) The ionization energy for boron in Si is 0.045 eV. At 300 K, all boronimpurities are ionized. Thus p p = N A = 1015 cm -3n p = n i 2 / n A = (9.65 × 109)2 / 1015 = 9.3 × 104 cm -3.The Fermi level measured from the top of the valence band is given by:E F – E V = kT ln(N V /N D ) = 0.0259 ln (2.66 × 1019 / 1015) = 0.26 eV(b) The boron atoms compensate the arsenic atoms; we havep p = N A – N D = 3 × 1016 – 2.9 × 1016 = 1015 cm -3Since p p is the same as given in (a), the values for n p and E F are the same as in (a). However, the mobilities and resistivities for these two samples are different.18. Since N D >> n i , we can approximate n 0 = N D andp 0 = n i 2 / n 0 = 9.3 ×1019 / 1017 = 9.3 × 102 cm -3From n 0 = n i exp−kT E E i F ,we haveE F – E i = kT ln (n 0 / n i ) = 0.0259 ln (1017 / 9.65 × 109) = 0.42 eV The resulting flat band diagram is :19.Assuming complete ionization, the Fermi level measured from the intrinsic Fermi level is 0.35 eV for 1015 cm -3, 0.45 eV for 1017 cm -3, and 0.54 eV for 1019cm -3.The number of electrons that are ionized is given byn ≅ N D [1 – F (E D )] = N D / [1 + e ()T k E E F D /−− ]Using the Fermi levels given above, we obtain the number of ionized donors as n = 1015 cm -3 for N D = 1015 cm -3n = 0.93 × 1017 cm -3 for N D = 1017 cm -3n = 0.27 × 1019 cm -3 for N D = 1019 cm -3Therefore, the assumption of complete ionization is valid only for the case of 1015 cm -3.20. N D +=kT E E F D e /)(16110−−+ =135016e 110.−+ = 1451111016.+= 5.33 × 1015 cm -3The neutral donor = 1016 – 5.33 ×1015 cm -3 = 4.67 × 1015 cm -34 Theratio of +DD N N O = 335764..= 0.876 .CHAPTER 31. (a) For intrinsic Si, µn = 1450, µp = 505, and n = p = n i = 9.65×109We have 51031.3)(11×=+=+=p n i p n qn qp qn µµµµρ Ω-cm(b) Similarly for GaAs, µn = 9200, µp = 320, and n = p = n i = 2.25×106We have 81092.2)(11×=+=+=p n i p n qn qp qn µµµµρ Ω-cm.2. For lattice scattering, µn ∝ T -3/2T = 200 K, µn = 1300×2/32/3300200−− = 2388 cm 2/V-s T = 400 K, µn = 1300×2/32/3300400−− = 844 cm 2/V-s.3. Since21111µµµ+=∴500125011+=µ µ = 167 cm 2/V-s.4. (a) p = 5×1015 cm -3, n = n i 2/p = (9.65×109)2/5×1015 = 1.86×104 cm -3µp = 410 cm 2/V-s, µn = 1300 cm 2/V-s ρ =pq p q n q p p n µµµ11≈+ = 3 Ω-cm(b) p = N A – N D = 2×1016 – 1.5×1016 = 5×1015 cm -3, n = 1.86×104 cm -3µp = µp (N A + N D ) = µp (3.5×1016) = 290 cm 2/V-s,µn = µn (N A + N D ) = 1000 cm 2/V-s ρ =pq p q n q p p n µµµ11≈+ = 4.3 Ω-cm(c) p = N A (Boron) – N D + N A (Gallium) = 5×1015 cm -3, n = 1.86×104 cm -3µp = µp (N A + N D + N A ) = µp (2.05×1017) = 150 cm 2/V-s,µn = µn (N A + N D + N A ) = 520 cm 2/V-s ρ = 8.3 Ω-cm.5. Assume N D − N A >> n i , the conductivity is given byσ ≈ qn µn = q µn (N D − N A )We have that16 = (1.6×10-19)µn (N D − 1017)Since mobility is a function of the ionized impurity concentration, we can use Fig. 3 along with trial and error to determine µn and N D . For example, if we choose N D = 2×1017, then N I = N D + + N A - = 3×1017, so that µn ≈ 510 cm 2/V-s which gives σ = 8.16.Further trial and error yieldsN D ≈ 3.5×1017 cm -3andµn ≈ 400 cm 2/V-swhich givesσ ≈ 16 (Ω-cm)-1.6. )/( )( 2n n bn q p n q i p p n +=+=µµµσFrom the condition d σ/dn = 0, we obtainbn n i / =Thereforeb b b n q n b b bn qìi p i i p i m 21 )1(1)/( +=++=µρρ.7. At the limit when d >> s, CF =2ln π= 4.53. Then from Eq. 16226.053.410501011010433=×××××=××=−−−CF W I V ρ Ω-cm From Fig. 6, CF = 4.2 (d/s = 10); using the a/d = 1 curve we obtain 78.102.4105010226.0)/(43=×××=⋅⋅=−−CF W I V ρ mV.8. Hall coefficient,7.42605.0)101030(105.2106.1101049333=××××××××==−−−−W IB A V R z H H cm 3/C Since the sign of R H is positive, the carriers are holes. From Eq. 2216191046.17.426106.111×=××==−H qR p cm -3Assuming N A ≈ p , from Fig. 7 we obtain ρ = 1.1 Ω-cm The mobility µp is given by Eq. 15b 3801.11046.1106.1111619=××××==−ρµqp p cm 2/V-s.9. Since R ∝ ρ and p n qp qn µµρ+=1, hence pn p n R µµ+∝1From Einstein relation µ∝D 50//==p n p n D D µµpA n D nD N N N R .R µµµ+=15011We have N A = 50 N D .10. The electric potential φ is related to electron potential energy by the charge (− q )φ = +q1(E F − E i )The electric field for the one-dimensional situation is defined asE (x ) = −dx d φ=dx dE q i1n = n i exp−kT E E i F = N D (x )HenceE F − E i = kT lni D n )x (N dx )x (dN )x (N q kT (x) D D1 −=E.11. (a) From Eq. 31, J n = 0 anda qkT e N e a N q kT n dx dnDx ax axnn+=−==−− )(- - )(00µE(b) E (x ) = 0.0259 (104) = 259 V/cm.12. At thermal and electric equilibria, 0)()(=+=dxx dn qD x n q J nn n E µ xN N LN N N D LN N L xN N N D dx x dn x n D x L L n n L L n nn n )( ))((1)()(1)(000000−+−−=−−+−=−=µµµE000 0n ln )(D -N ND x N N LN N N V L n n L L Lµµ−=−+−=∫.13. 1116610101010=××==∆=∆−L p G p n τ cm -3151115101010≈+=∆+=∆+=n N n n n D no cm -3.cm 101010)1065.9(3-111115292≈+×=∆+=p N n p D i 14. (a)815715101021010511−−=××××=≈t th p p N νστ s 48103109−−×=×==p p p D L τ cm20101021010167=×××==−sts s th lr N S σν cm/s (b) The hole concentration at the surface is given by Eq. 67.cm 10 2010103201011010102)10(9.65 1)0(3-98481781629≈ ×+××−×+××=+−+=−−−−lr p p lr p L p no n S L S G p p τττ15. pn qp qn µµσ+=Before illuminationnon no n p p n n == ,After illumination,G n n n n p no no n τ+=∆+=Gp p p p p no no n τ+=∆+=.)( )()]()([G q p q n q p p q n n q p p n no p no n no p no n τµµµµµµσ+=+−∆++∆+=∆16. (a) diff ,dxdp qD J pp −== − 1.6×10-19×12×410121−××1015exp(-x /12)= 1.6exp(-x /12) A/cm 2(b) diff,drift ,p total n J J J −== 4.8 − 1.6exp(-x /12) A/cm 2(c) En n qn J µ=drift , Q ∴ 4.8 − 1.6exp(-x /12) = 1.6×10-19×1016×1000×E E = 3 − exp(-x /12) V/cm.17. For E = 0 we have022=∂∂+−−=∂∂xp D p p t p np p no n τat steady state, the boundary conditions are p n (x = 0) = p n (0) and p n (x = W ) =p no .Therefore[]−−+=p p no n non L W L x W p p p x p sinh sinh )0()([]−=∂∂−===p ppno n x npp L W L D p p q xp qD x J coth )0()0(0[]−=∂∂−===p p pno n Wx np p L W L D p p q xpqD W x J sinh 1)0()(.18. The portion of injection current that reaches the opposite surface by diffusion isgiven by)/cosh(1)0()(0p p p L W J W J ==α26105105050−−×=××=≡p p p D L τ cm98.0)105/10cosh(1220=×=∴−−αTherefore, 98% of the injected current can reach the opposite surface.19. In steady state, the recombination rate at the surface and in the bulk is equalsurface,surface ,bulk,bulk ,p n p n p p ττ∆=∆so that the excess minority carrier concentration at the surface∆p n , surface = 1014⋅671010−−=1013 cm -3The generation rate can be determined from the steady-state conditions in the bulkG = 6141010− = 1020 cm -3s -1From Eq. 62, we can write22=∆−+∂∆∂p p p G x p D τThe boundary conditions are ∆p (x = ∞) = 1014 cm -3 and ∆p (x = 0) = 1013 cm -3Hence ∆p (x ) = 1014(p L x e /9.01−−)where L p = 61010−⋅= 31.6 µm.20.The potential barrier heightχφφ−=m B = 4.2 − 4.0 = 0.2 volts.21. The number of electrons occupying the energy level between E and E +dE isdn = N (E )F (E )dEwhere N (E ) is the density-of-state function, and F (E ) is Fermi-Dirac distribution function. Since only electrons with an energy greater than m F q E φ+ and having a velocity component normal to the surface can escape the solid, the thermionic current density isdE e E v hm qv J kT E E x q E x F m F )(21 323)2(4−−∞+∫∫==φπwhere x v is the component of velocity normal to the surface of the metal. Since the energy-momentum relationship)(2122222z y x p p p mm P E ++==Differentiation leads to mPdP dE =By changing the momentum component to rectangular coordinates,zy x dp dp dp dP P =24πHencezmkTp y mkT p x x mkT mE p p zy x p mkTmE p p p x dp e dp e dp p e mhq dp dp dp e p mhq J zy f x x x f z y x 22 2)2( 3 p p 2/)2(322200y 2222 2−∞∞−−∞∞−−−∞∞∞−∞=∞−∞=−++−∫∫∫∫∫∫== where ).(220m F x q E m p φ+= Since 21 2=−∞∞−∫a dx eax π, the last two integrals yield (2ðmkT )21.The first integral is evaluated by setting u mkTmE p Fx =−222 .Therefore we have mkTdpp du xx = The lower limit of the first integral can be written as kT q mkT mE q E m m F m F φφ=−+22)(2 so that the first integral becomes kTq u ktq mm e mkT du e mkT φφ−−∞=∫ / Hence−==−kTq T A eT h qmk J mkTq mφπφexp 42*232.22. Equation 79 is the tunneling probability 110234193120m 1017.2)10054.1()106.1)(220)(1011.9(2)(2−−−−×=××−×=−=h E qV m n β []6121001019.3)220(241031017.2sinh(201−−−×=−××××××+=T .23. Equation 79 is the tunneling probability[]403.0)2.26(2.24)101099.9sinh(61)10(1210910=−×××××+=−−−T ()[]()912999108.72.262.24101099.9sinh 61)10(−−−−×=−×××××+=T .19234193120m 1099.9)10054.1()106.1)(2.26)(1011.9(2)(2−−−−×=××−×=−=hE qV m n β24. From Fig. 22As E = 103 V/sνd ≈ 1.3×106 cm/s (Si) and νd ≈ 8.7×106 cm/s (GaAs)t ≈ 77 ps (Si) and t ≈ 11.5 ps (GaAs)As E = 5×104 V/sνd ≈ 107 cm/s (Si) and νd ≈ 8.2×106 cm/s (GaAs)t ≈ 10 ps (Si) and t ≈ 12.2 ps (GaAs).cm/s105.9m/s 109.5 101.9300101.382 22 velocity Thermal 25.643123-0×=×=××××===−m kT m E v thth For electric field of 100 v/cm, drift velocitythn d v v <<×=×==cm/s 1035.110013505E µ For electric field of 104 V/cm.th n v ≈×=×=cm/s 1035.110135074E µ.The value is comparable to the thermal velocity, the linear relationship betweendrift velocity and the electric field is not valid.CHAPTER 41. The impurity profile is,space charge per unit area in the p -side must equal the total positive space charge per unit area in the n -side, thus we can obtain the depletion layer width in the n -side region:141410321088.0××=××n W Hence, the n -side depletion layer width is:m0671µ.W n =The total depletion layer width is 1.867 µm.We use the Poisson ’s equation for calculation of the electric field E (x).In the n -side region,()V/cm108640)100671(1031006710m 067134144×−===×−××=∴××−=⇒==+=⇒=−−.)x (.x qx .N qK ).x (K x N q )x (N q dx d n maxsn D sn D sn D s E E E E E E εεµεεIn the p -side region, the electrical field is:()()()V/cm10864010802108020m 8023242242×−===×−××=∴×××−=⇒=−=+×=⇒=−−.)x (.x a qx .a qK ).x (K ax q )x (N q dx d p maxsp s'p 'sp A s E E E EE E εεµεεThe built-in potential is:()()()V 52.0 0 0=−−=−=∫∫∫−−−−nn ppx side n x x x side p bi dx x dx x dx x V E E E.2. From ()∫−=dx x V bi E, the potential distribution can be obtainedWith zero potential in the neutral p -region as a reference, the potential in the p -side depletion region is()()()[]()(()()×−×−××−= ×−×−−=×−××−=−=−−−−−∫∫34243114243 0242108.032108.03110596.7108.032108.0312 108.02 x x x x qadx x a q dx x x V sxxs p εεEWith the condition V p (0)=V n (0), the potential in the n -region is()×−×−××−= ×+×−××−=−−−−734277342141098.010067.1211056.41098.010067.121103x x x x q x V s n εThe potential distribution isDistance p-region n-region-0.80.000-0.70.006-0.60.022-0.50.048-0.40.081-0.30.120-0.20.164-0.10.2110.2590.2594133330.10.3057885330.20.3476037330.30.3848589330.40.4175541330.50.4456893330.60.4692645330.70.4882797330.80.5027349330.90.51263013310.5179653331.0670.518988825Potentia l DistributionD i s t a nce (um)P o t e n t i a l (3. The intrinsic carriers density in Si at different temperatures can be obtained by using Fig.22 inChapter 2 :Temperature (K)Intrinsic carrier density (n i )250 1.50×1083009.65×109350 2.00×10114008.50×10124509.00×10135002.20×1014The V bi can be obtained by using Eq. 12, and the results are listed in the following table.T niVbi (V)250 1.500E+080.7773009.65E+90.717350 2.00E+110.6534008.50E+120.4884509.00E+130.3665002.20E+140.329Thus, the built-in potential is decreased as the temperature is increased.The depletion layer width and the maximum field at 300 K areV/cm. 10476.11085.89.1110715.910106.1m9715.010106.1717.01085.89.112241451519max151914×=××××××===××××××==−−−−−s D D bis W qN qN V W εµεE18162/11818141952/1max 10110755.1 10101085.89.1130106.121042 .4DDD D D A D A sRN N N N N N N N qV +=×⇒+×××××=×⇒+≈−−ε.E We can select n-type doping concentration of N D = 1.755×1016 cm -3 for the junction.5. From Eq. 12 and Eq. 35, we can obtain the 1/C 2 versus V relationship for doping concentration of1015, 1016, or 1017 cm -3, respectively.For N D =1015 cm -3,()()()V V N qåV V C B s bi j−×=×××××−×=−=−−837.010187.110108.8511.9101.60.837221161514192For N D =1016 cm -3,()()()V V N qåV V C B s bi j−×=×××××−×=−=−−896.010187.110108.8511.9101.60.896221151614192For N D =1017 cm -3,()()()V V N qåV V C s bi j −×=×××××−×=−=−−956.010187.110108.8511.9101.60.95622114171419B2When the reversed bias is applied, we summarize a table of 2j C 1/ vs V for various N D values asfollowing,V N D =1E15N D =1E16N D =1E17-4 5.741E+165.812E+155.883E+14-3.5 5.148E+165.218E+155.289E+14-3 4.555E+164.625E+154.696E+14-2.5 3.961E+164.031E+154.102E+14-2 3.368E +163.438E+153.509E+14-1.5 2.774E +162.844E+152.915E+14-1 2.181E +162.251E+152.322E+14-0.5 1.587E+161.657E+151.728E+149.935E+151.064E+151.134E+14Hence, we obtain a series of curves of 1/C 2 versus V as following,The slopes of the curves is positive proportional to the values of the doping concentration.1/C ^2 vs V-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.5Applied Volta ge1/C ^The interceptions give the built-in potential of the p-n junctions.6. The built-in potential is()V5686.01065.9106.180259.01085.89.111010ln 0259.0328ln 323919142020322=×××××××××××= =−−i s bi n q kT a q kT V εFrom Eq. 38, the junction capacitance can be obtained ()()()3/12142019-3/125686.0121085.89.1110101.612−×××××=−==−R R bi s s j V V V qa W C εεAt reverse bias of 4V, the junction capacitance is 6.866×10-9 F/cm 2.7. From Eq. 35, we can obtain()()22221jsR bi D B s bi jC q V V N N q V V C εε−=⇒−=We can select the n-type doping concentration of 3.43×1015cm -3.8. From Eq. 56,16915151571515108931065902590020exp 1002590020exp 1010101010exp exp ×=××−+ ×××=−+−=−=−−−−......n kT E E kT E E N U G it i p i t n tth n p σσυσσand()3152814192cm 10433)10850(108589111061422−−−−×=⇒×××××××=≅⇒>>.N ....C q V N V V d j s R D bi R εQ()m 266.1cm 1066.1210106.1)5.0717.0(1085.89.11225151914µε=×=××+××××=+=−−−A bi s qN V V W Thus2751619A/cm 10879.71066.121089.3106.1−−×=×××××==qGW J gen .9. From Eq. 49, and Di noN n p 2=We can obtain the hole concentration at the edge of the space charge region,()3170259.08.01629)0259.08.0(2cm 1042.2101065.9−×=×==ee N n p D i n .10. ()()()1/−=−+=kTqV s p n n p eJ x J x J J V. 017.0195.010259.00259.0=⇒−=⇒−=⇒V e e J J VVs11. The parameters aren i = 9.65×109 cm -3D n = 21 cm 2/secD p =10 cm 2/sec τp0=τn0=5×10-7 secFrom Eq. 52 and Eq. 54()()()3150259.07.0297192/cm 102.511065.910510106.1711−−−×=⇒−××××××=⇒−××=−=D DkT qV D i po p kT qV p no p n p N e N e N n D q e L p qD x J a τ()()()3160259.07.0297192/cm 10278.511065.910521106.12511−−−×=⇒−××××××=⇒−××=−=−A A kT qV A i no n kTqV npon p n N e N e N n D q eL n qD x J a τWe can select a p-n diode with the conditions of N A = 5.278×1016cm -3 and N D =5.4×1015cm -3.12. Assume ôg =ôp =ôn = 10-6 s, D n = 21 cm 2/sec, and D p = 10 cm 2/sec(a) The saturation current calculation.From Eq. 55a and p p p D L τ=, we can obtain+=+=002011n n Ap p D i np n pn p s D N D N qn L n qD L p qD J ττ()2126166182919A/cm 1087.6102110110101011065.9106.1−−−−×=+×××=And from the cross-sectional area A = 1.2×10-5 cm 2, we obtainA 10244.81087.6102.117125−−−×=×××=×=s s J A I .(b) The total current density is −=1kt qV s e J J ThusA.10244.8110244.8A 1051.41047.510244.8110244.8170259.07.0177.0511170259.07.0177.0−−−−−−−×=−×=×=×××=−×=e I e I VV。
半导体物理与器件考核试卷
B.硅化
C.硼化
D.镍化
17.在半导体工艺中，以下哪些步骤属于前道工艺？（）
A.光刻
B.蚀刻
C.离子注入
D.镀膜
18.以下哪些材料常用于半导体器件的互连？（）
A.铝
B.铜导线
C.镓
D.硅
19.在半导体物理中，以下哪些现象与载流子的复合有关？（）
A.发射
B.复合
C.陷阱
D.所有上述现象
20.以下哪些因素会影响半导体激光器的阈值电流？（）
半导体物理与器件考核试卷
考生姓名：__________答题日期：__________得分：__________判卷人：__________
一、单项选择题（本题共20小题，每小题1分，共20分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）
1.半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，主要因为其（）
C. Nitrogen（氮的）
D. Excess electrons（过剩电子）
5. P-N结在反向偏置时，其内部的电场强度（）
A.减小
B.增大
C.消失
D.不变
6.以下哪个不是太阳能电池的工作原理？（）
A.光电效应
B.热电效应
C.光生伏特效应
D.量子效应
7.在MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）中，MOS电容的C-V特性曲线中，积累区对应于（）
18. A, B
19. D
20. D
三、填空题
1.禁带
2.电子
3.降低
4.金属-氧化物-半导体
5.温度
6.栅氧化层质量
7.紫外光
8.能级
9.玻尔兹曼分布
10.温度
半导体器件物理与工艺期末考试题
半导体器件物理与工艺期末考试题一、简答题1.什么是半导体器件？半导体器件是利用半导体材料的电子特性来实现电流的控制与放大的电子元件。
常见的半导体器件包括二极管、晶体管、场效应管等。
2.请简述PN结的工作原理。
PN结是由P型半导体和N型半导体连接而成的结构。
当外加正向偏置时，P端为正极，N端为负极，电子从N端向P端扩散，空穴从P 端向N端扩散，形成扩散电流；当外加反向偏置时，P端为负极，N端为正极，由于能带反向弯曲，形成电势垒，电子与空穴受到电势垒的阻拦，电流几乎为零。
3.简述晶体管的工作原理。
晶体管是一种三极管，由一块绝缘体将N型和P型半导体连接而成。
晶体管分为三个区域：基区、发射区和集电区。
在正常工作状态下，当基极与发射极之间施加一定电压时，发射极注入的电子会受到基区电流的控制，通过基区电流的调节，可以控制从集电区流出的电流，实现电流的放大作用。
4.请简述场效应管的工作原理。
场效应管是利用电场的作用来控制电流的一种半导体器件。
根据电场的不同作用方式，场效应管分为增强型和耗尽型两种。
在增强型场效应管中，通过控制栅极电压，可以调节漏极与源极之间的通导能力，实现电流的控制与放大。
5.简述MOSFET的结构和工作原理。
MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应管）是一种常用的场效应管。
它由金属栅极、氧化物层和P型或N型半导体构成。
MOSFET的工作原理是通过改变栅极电势来控制氧化物层下方的沟道区域的电阻，从而控制漏极与源极之间的电流。
6.什么是集电极电流放大系数？集电极电流放大系数（β）是指集电区电流（Ic）与发射区电流（Ie）之间的比值。
在晶体管中，β值越大，表示电流放大效果越好。
7.简述三极管的放大作用。
三极管作为一种电子元件，具有电流放大的功能。
通过控制基区电流，可以影响发射极与集电极之间的电流，从而实现电流的放大作用。
二、计算题1.已知一个PN结的硅材料的势垒高度为0.7V，求该PN结的电势垒宽度。
半导体器件物理与工艺复习题(2024)
半导体器件物理复习题其次章：1） 带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差，也称能隙。
物理意义：带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低2）什么是半导体的干脆带隙和间接带隙？其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处(p ＝0)。
因此，当电子从价带转换到导带时，不须要动量转换。
这类半导体称为干脆带隙半导体。
3）能态密度：能量介于E ～E+△E 之间的量子态数目△Z 与能量差△E 之比4）热平衡状态：即在恒温下的稳定状态.(且无任何外来干扰,如照光、压力或电场). 在恒温下,连续的热扰动造成电子从价带激发到导带，同时在价带留下等量的空穴.半导体的电子系统有统一的费米能级,电子和空穴的激发与复合达到了动态平衡，其浓度是恒定的，载流子的数量与能量都是平衡。
即热平衡状态下的载流子浓度不变。
5）费米分布函数表达式？物理意义：它描述了在热平衡状态下,在一个费米粒子系统（如电子系统）中属于能量E 的一个量子态被一个电子占据的概率。
6本征半导体价带中的空穴浓度：7）本征费米能级Ei ：本征半导体的费米能级。
在什么条件下，本征Fermi 能级靠近禁带的中心：在室温下可以近似认为费米能级处于带隙中心8）本征载流子浓度n i : 对本征半导体而言，导带中每单位体积的电子数与价带每单位体积的空穴数相同,即浓度相同，称为本征载流子浓度，可表示为n ＝p ＝n i . 或：np=n i 29) 简并半导体：当杂质浓度超过肯定数量后，费米能级进入了价带或导带的半导体。
10)非简并半导体载流子浓度:且有: n p=n i 2 其中: n 型半导体多子和少子的浓度分别为:p 型半导体多子和少子的浓度分别为: 第三章：1）迁移率：是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大。
定义为：2）漂移电流: 载流子在热运动的同时，由于电场作用而产生的沿电场力方向的定向运动称作漂移运动。
半导体物理复习试题及答案复习资料
半导体物理复习试题及答案复习资料一、引言半导体物理是现代电子学中至关重要的一门学科，其涉及电子行为、半导体器件工作原理等内容。
为了帮助大家更好地复习半导体物理，本文整理了一些常见的复习试题及答案，以供大家参考和学习。
二、基础知识题1. 请简述半导体材料相对于导体和绝缘体的特点。
答案：半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的导电特性。
与导体相比，半导体的电导率较低，并且在无外界作用下几乎不带电荷。
与绝缘体相比，半导体的电导率较高，但不会随温度显著增加。
2. 什么是本征半导体？请举例说明。
答案：本征半导体是指不掺杂任何杂质的半导体材料。
例如，纯净的硅（Si）和锗（Ge）就是本征半导体。
3. 简述P型半导体和N型半导体的形成原理。
答案：P型半导体形成的原理是在纯净的半导体材料中掺入少量三价元素，如硼（B），使其成为施主原子。
施主原子进入晶格后，会失去一个电子，并在晶格中留下一个空位。
这样就使得电子在晶格中存在的空位，形成了称为“空穴”的正电荷载流子，因此形成了P型半导体。
N型半导体形成的原理是在纯净的半导体材料中掺入少量五价元素，如磷（P）或砷（As），使其成为受主原子。
受主原子进入晶格后，会多出一个电子，并在晶格中留下一个可移动的带负电荷的离子。
这样就使得半导体中存在了大量的自由电子，形成了N型半导体。
4. 简述PN结的形成原理及特性。
答案：PN结是由P型半导体和N型半导体的结合所形成。
P型半导体和N型半导体在接触处发生扩散，形成电子从N区流向P区的过程。
PN结具有单向导电性，即在正向偏置时，电流可以顺利通过；而在反向偏置时，电流几乎无法通过。
三、摩尔斯电子学题1. 使用摩尔斯电子学符号，画出“半导体”的符号。
答案：半导体的摩尔斯电子学符号为“--..-.-.-...-.”2. 根据摩尔斯电子学符号“--.-.--.-.-.-.--.--”，翻译为英文是什么？答案：根据翻译表，该符号翻译为“TRANSISTOR”。
半导体器件物理考试试卷2套
1稳态2肖特基势垒（要知道英文名）3受激辐射4自发辐射5非平衡状态6厄雷效应7 热电子8空穴9直接复合和间接复合问答题1什么是欧姆接触2激光器激射的条件论述题1、pn结的单向导通性（正向反向？？？）2、led的外量子效率受什么影响，如何提高？3、双极性晶体管的放大原理4、MOS和MES的区别5、异质结的应用推导题1 推导平衡状态的费米能级处处相等2光电探测器的外量子效率受什么影响稳态：半导体内载流子浓度不随时间变化而变化。
肖特基势垒：Schottky barrrier指一具有大的势垒高度（即金属与半导体功函数之差远大于KT）以及掺杂浓度比导带或价带上态密度低的金属—半导体接触。
受激辐射：一能量为ｈν光子撞击原本处于激态的原子，此原子被激发后转移到基态，并且放出一个与入射辐射相位相同、能量相同的光子，这个过程称为受激辐射。
自发辐射：处于激发态的原子很不稳定，经过短暂的时间后，在不受外来的激发情况下，它就会跳回基态，并放出一个光子，这个过程称为自发辐射。
非平衡状态：空穴与电子浓度之积大于热平衡载流子浓度的平方时，半导体处于非平衡状态。
Early效应：当集电极与基极间的反向偏压增加时（即V EC增大时），基区宽度减少，导致基区中的少数载流子浓度梯度增加，扩散电流随之增加，因此β0也增加。
这种随着V EC增大β0也增大从而导致BJT为非线性放大的效应称为Early效应。
热电子：真空能级以上的电子称为热电子。
空穴：电子挣脱化学键的束缚后留下来的空的键位，或者原子中空的量子状态，称为空穴，其有效质量为正。
直接复合和间接复合：电子直接由导带跃迁到价带从而发生非平衡载流子的复合，该复合称为直接复合。
若非平衡载流子是通过复合中心进行的复合，则该复合称为间接复合。
1稳态2肖特基势垒（要知道英文名）3受激辐射4自发辐射5非平衡状态6厄雷效应7 热电子8空穴9直接复合和间接复合问答题欧姆接触：相对于半导体器件总电阻而言，其接触电阻可以忽略的金属—半导体接触，称为欧姆接触。
半导体物理学试题及答案
半导体物理学试题及答案半导体物理学试题及答案(一) 一、选择题1、如果半导体中电子浓度等于空穴浓度，则该半导体以( A )导电为主;如果半导体中电子浓度大于空穴浓度，则该半导体以( E )导电为主;如果半导体中电子浓度小于空穴浓度，则该半导体以( C )导电为主。
A、本征B、受主C、空穴D、施主E、电子2、受主杂质电离后向半导体提供( B )，施主杂质电离后向半导体提供( C )，本征激发向半导体提供( A )。
A、电子和空穴B、空穴C、电子3、电子是带( B )电的( E );空穴是带( A )电的( D )粒子。
A、正B、负C、零D、准粒子E、粒子4、当Au掺入Si中时，它是( B )能级，在半导体中起的是( D )的作用;当B掺入Si中时，它是( C )能级，在半导体中起的是( A )的作用。
A、受主B、深C、浅D、复合中心E、陷阱5、MIS结构发生多子积累时，表面的导电类型与体材料的类型( A )。
A、相同B、不同C、无关6、杂质半导体中的载流子输运过程的散射机构中，当温度升高时，电离杂质散射的概率和晶格振动声子的散射概率的变化分别是( B )。
A、变大，变小;B、变小，变大;C、变小，变小;D、变大，变大。
7、砷有效的陷阱中心位置(B )A、靠近禁带中央B、靠近费米能级8、在热力学温度零度时，能量比EF小的量子态被电子占据的概率为( D )，当温度大于热力学温度零度时，能量比EF小的量子态被电子占据的概率为( A )。
A、大于1/2B、小于1/2C、等于1/2D、等于1E、等于09、如图所示的P型半导体MIS结构的C-V特性图中，AB段代表( A)，CD段代表( B )。
A、多子积累B、多子耗尽C、少子反型D、平带状态10、金属和半导体接触分为：( B )。
A、整流的肖特基接触和整流的欧姆接触B、整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触C、非整流的肖特基接触和整流的欧姆接触D、非整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触11、一块半导体材料，光照在材料中会产生非平衡载流子，若光照忽然停止t??后，其中非平衡载流子将衰减为原来的( A )。
半导体物理和器件复习题
半导体物理和器件复习题半导体物理和器件复习题在现代科技发展的浪潮中，半导体物理和器件是一个非常重要的领域。
从智能手机到电子汽车，从计算机到太阳能电池，半导体器件的应用无处不在。
因此，对半导体物理和器件的深入了解和掌握是非常关键的。
为了帮助大家复习和巩固相关知识，下面将提供一些半导体物理和器件的复习题。
1. 什么是半导体？半导体是介于导体和绝缘体之间的一类物质。
它的导电性介于导体和绝缘体之间，可以通过控制外界条件来改变其导电性能。
常见的半导体材料有硅和锗。
2. 什么是P型半导体和N型半导体？P型半导体是在纯硅中掺杂了少量的三价元素（如硼），使得硅晶体中存在空穴（缺电子）。
N型半导体是在纯硅中掺杂了少量的五价元素（如磷），使得硅晶体中存在额外的自由电子。
3. 什么是PN结？PN结是由P型半导体和N型半导体直接接触形成的结构。
在PN结中，由于P型半导体和N型半导体之间的电子和空穴的扩散，形成了电子和空穴的聚集区域，称为耗尽区。
耗尽区中存在电场，阻止了电子和空穴的进一步扩散。
4. 什么是二极管？二极管是一种最简单的半导体器件，由P型半导体和N型半导体组成。
它具有只允许电流在一个方向流动的特性。
当正向偏置（P端连接正电压，N端连接负电压）时，二极管导通；当反向偏置时，二极管截止。
5. 什么是晶体管？晶体管是一种三极管，由P型半导体、N型半导体和P型半导体组成。
它可以用作放大器和开关。
当基极电流较小时，晶体管处于截止状态；当基极电流较大时，晶体管处于饱和状态。
6. 什么是场效应管？场效应管是一种三极管，由P型或N型半导体和金属栅极组成。
它的导电性能是通过改变栅极电场来控制的。
当栅极电压为零或负电压时，场效应管截止；当栅极电压为正电压时，场效应管导通。
7. 什么是集成电路？集成电路是将大量的电子元件集成在一块半导体芯片上的电路。
根据集成度的不同，可以分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。
半导体器件工艺与物理期末必考题材料汇总
半导体器件⼯艺与物理期末必考题材料汇总半导体期末复习补充材料⼀、名词解释１、准费⽶能级费⽶能级和统计分布函数都是指的热平衡状态，⽽当半导体的平衡态遭到破坏⽽存在⾮平衡载流⼦时，可以认为分就导带和价带中的电⼦来讲，它们各⾃处于平衡态，⽽导带和价带之间处于不平衡态，因⽽费⽶能级和统计分布函数对导带和价带各⾃仍然是适⽤的，可以分别引⼊导带费⽶能级和价带费⽶能级，它们都是局部的能级，称为“准费⽶能级”，分别⽤E F n、E F p表⽰。
２、直接复合、间接复合直接复合—电⼦在导带和价带之间直接跃迁⽽引起电⼦和空⽳的直接复合。
间接复合—电⼦和空⽳通过禁带中的能级（复合中⼼）进⾏复合。
３、扩散电容PN结正向偏压时，有空⽳从P区注⼊N区。
当正向偏压增加时，由P区注⼊到N区的空⽳增加，注⼊的空⽳⼀部分扩散⾛了，⼀部分则增加了N区的空⽳积累，增加了载流⼦的浓度梯度。
在外加电压变化时，N扩散区内积累的⾮平衡空⽳也增加，与它保持电中性的电⼦也相应增加。
这种由于扩散区积累的电荷数量随外加电压的变化所产⽣的电容效应，称为P-N结的扩散电容。
⽤CD表⽰。
4、雪崩击穿随着PN外加反向电压不断增⼤，空间电荷区的电场不断增强，当超过某临界值时，载流⼦受电场加速获得很⾼的动能，与晶格点阵原⼦发⽣碰撞使之电离，产⽣新的电⼦—空⽳对，再被电场加速，再产⽣更多的电⼦—空⽳对，载流⼦数⽬在空间电荷区发⽣倍增，犹如雪崩⼀般，反向电流迅速增⼤，这种现象称之为雪崩击穿。
1、PN结电容可分为扩散电容和过渡区电容两种，它们之间的主要区别在于扩散电容产⽣于过渡区外的⼀个扩散长度范围内，其机理为少⼦的充放电，⽽过渡区电容产⽣于空间电荷区，其机理为多⼦的注⼊和耗尽。
2、当MOSFET器件尺⼨缩⼩时会对其阈值电压V T产⽣影响，具体地，对于短沟道器件对V T的影响为下降，对于窄沟道器件对V T的影响为上升。
3、在NPN型BJT中其集电极电流I C受V BE电压控制，其基极电流I B受V BE电压控制。
半导体器件物理试题库
题库(一) 半导体物理基础部分1、计算分析题已知：在室温（T = 300K ）时，硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C µn =1350 2cm /V s × µp =500 2cm /V s × 半导体硅材料在室温的条件下，测得 n0 = 4.5×104/cm 3，N D =5×=5×101015/cm 3 问：⑴问：⑴ 该半导体是n 型还是p 型？型？⑵ 分别求出多子和少子的浓度分别求出多子和少子的浓度⑶ 样品的电导率是多少？样品的电导率是多少？⑷ 分析该半导体的是否在强电离区，为什么0D n N ¹？2、说明元素半导体Si 、Ge 中的主要掺杂杂质及其作用？中的主要掺杂杂质及其作用？3、什么叫金属-半导体的整流接触和欧姆接触，形成欧姆接触的主要方法有那些？半导体的整流接触和欧姆接触，形成欧姆接触的主要方法有那些？4、为什么金属与重掺杂半导体接触可以形成欧姆接触？、为什么金属与重掺杂半导体接触可以形成欧姆接触？P-N 部分5、什么叫pn 结的势垒电容？分析势垒电容的主要的影响因素及各因素导致垒电容大小变化的趋势。
的趋势。
6、什么是pn 结的正向注入和反向抽取？结的正向注入和反向抽取？7、pn 结在正向和反向偏置的情况下，势垒区和载流子运动是如何变化的？结在正向和反向偏置的情况下，势垒区和载流子运动是如何变化的？8、简述pn 结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的机理．结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的机理．9、什么叫二极管的反向恢复时间，提高二极管开关速度的主要途径有那些？、什么叫二极管的反向恢复时间，提高二极管开关速度的主要途径有那些？ 10、如图1所示，请问本PN 结的偏压为正向，还是反向？准费米能级形成的主要原因? PN 结空间电荷区宽度取决的什么因素，对本PN 结那边空间电荷区更宽？结那边空间电荷区更宽？图1 pn 结的少子分布和准费米能级结的少子分布和准费米能级三极管部分1111、何谓基区宽变效应？、何谓基区宽变效应？1212、晶体管具有放大能力需具备哪些条件？、晶体管具有放大能力需具备哪些条件？1313、怎样提高双极型晶体管的开关速度？、怎样提高双极型晶体管的开关速度？1414、双极型晶体管的二次击穿机理是什么？、双极型晶体管的二次击穿机理是什么？1515、如何扩大晶体管的安全工作区范围？、如何扩大晶体管的安全工作区范围？16、详细分析PN 结的自建电场、缓变基区自建电场和大注入自建电场的异同点。
半导体器件物理试题及答案(2)
《半导体器件物理》试卷（二）标准答案及评分细则一、填空（共24分，每空2分）1、PN 结电击穿的产生机构两种；答案：雪崩击穿、隧道击穿或齐纳击穿。
2、双极型晶体管中重掺杂发射区目的；答案：发射区重掺杂会导致禁带变窄及俄歇复合，这将影响电流传输，目的为提高发射效率，以获取高的电流增益。
3、晶体管特征频率定义；答案：随着工作频率f 的上升，晶体管共射极电流放大系数β下降为1=β时所对应的频率T f ，称作特征频率。
4、P 沟道耗尽型MOSFET 阈值电压符号；答案：0>T V 。
5、MOS 管饱和区漏极电流不饱和原因；答案：沟道长度调制效应和漏沟静电反馈效应。
6、BV CEO 含义；答案：基极开路时发射极与集电极之间的击穿电压。
7、MOSFET 短沟道效应种类；答案：短窄沟道效应、迁移率调制效应、漏场感应势垒下降效应。
8、扩散电容与过渡区电容区别。
答案：扩散电容产生于过渡区外的一个扩散长度范围内，其机理为少子的充放电，而过渡区电容产生于空间电荷区，其机理为多子的注入和耗尽。
二、简述（共20分，每小题5分）1、内建电场；答案：P 型材料和N 型材料接触后形成PN 结，由于存在浓度差，N 区的电子会扩散到P 区，P 区的空穴会扩散到N 区，而在N 区的施主正离子中心固定不动，出现净的正电荷，同样P 区的受主负离子中心也固定不动，出现净的负电荷，于是就会产生空间电荷区。
在空间电荷区内，电子和空穴又会发生漂移运动，它的方向正好与各自扩散运动的方向相反，在无外界干扰的情况下，最后将达到动态平衡，至此形成内建电场，方向由N 区指向P 区。
2、发射极电流集边效应；答案：在大电流下，基极的串联电阻上产生一个大的压降，使得发射极由边缘到中心的电场减小，从而电流密度从中心到边缘逐步增大，出现了发射极电流在靠近基区的边缘逐渐增大，此现象称为发射极电流集边效应，或基区电阻自偏压效应。
3、MOSFET 本征电容；答案：即交流小信号或大信号工作时电路的等效电容，它包括栅漏电容和栅源电容，栅漏电容是栅源电压不变、漏源电压变化引起沟道电荷的变化与漏源电压变化量之间的比值，而栅源电容是指栅压变化引起沟道电荷与栅源电压变化量之间的比值。
半导体器件物理试卷及答案2套
《半导体器件物理》试卷（一）一、填空（共32分，每空2分）1、PN结电容可分为和两种，它们之间的主要区别。
2、当MOSFET器件尺寸缩小时会对其阈值电压VT产生影响，具体地，对于短沟道器件对VT的影响为，对于窄沟道器件对VT的影响为。
3、在NPN型BJT中其集电极电流IC受电压控制，其基极电流IB受电压控制。
4、硅-绝缘体SOI器件可用标准的MOS工艺制备，该类器件显著的优点是。
5、PN结击穿的机制主要有等几种，其中发生雪崩击穿的条件为。
6、当MOSFET进入饱和区之后，漏电流发生不饱和现象，其中主要的原因有，和。
二、简述（共18分，每小题6分）1、Early电压V A。
2、截止频率f T。
3、耗尽层宽度W。
三、分析（共20分，每小题10分）1、对于PNP型BJT工作在正向有源区时载流子的输运情况；2、热平衡时突变PN结的能带图、电场分布，以及反向偏置后的能带图和相应的I-V特性曲线。
（每个图2分）四、计算推导（共30分，每小题15分）1、MOSFET工作在非饱和区时的Sah方程推导，并求解跨导g m和沟道电导g D，说明提高gm的具体措施；（每步2分，电导计算4分，措施3分）2、在NPN双极型晶体管正向有源区工作时，，，试求该器件正向电流增益，并说明提高的几种途径。
其中，，。
（计算推导9分，措施6分）《半导体器件物理》试卷（二）一、填空（共24分，每空2分）1、PN结电击穿的产生机构两种；2、双极型晶体管中重掺杂发射区目的；3、晶体管特征频率定义；4、P沟道耗尽型MOSFET阈值电压符号；5、MOS管饱和区漏极电流不饱和原因；6、BV CEO含义；7、MOSFET短沟道效应种类；8、扩散电容与过渡区电容区别。
二、简述（共20分，每小题5分）1、内建电场；2、发射极电流集边效应；3、MOSFET本征电容；4、截止频率。
三、论述（共24分，每小题8分）1、如何提高晶体管的开关速度？2、BJT共基极与共射极输出特性曲线的比较。
半导体物理期末试卷(含部分答案
一、填空题1．纯净半导体Si 中掺V 族元素的杂质，当杂质电离时释放 电子 。
这种杂质称 施主 杂质；相应的半导体称 N 型半导体。
2．当半导体中载流子浓度的分布不均匀时，载流子将做 扩散 运动；在半导体存在外加电压情况下，载流子将做 漂移 运动。
3．n o p o =n i 2标志着半导体处于 平衡 状态，当半导体掺入的杂质含量改变时，乘积n o p o 改变否？不变 ；当温度变化时，n o p o 改变否？ 改变 。
4．非平衡载流子通过 复合作用 而消失， 非平衡载流子的平均生存时间 叫做寿命τ，寿命τ与 复合中心 在 禁带 中的位置密切相关，对于强p 型和 强n 型材料，小注入时寿命τn 为 ，寿命τp 为 .5． 迁移率 是反映载流子在电场作用下运动难易程度的物理量， 扩散系数 是反映有浓度梯度时载 qn n 0=μ ，称为 爱因斯坦 关系式。
6．半导体中的载流子主要受到两种散射，它们分别是电离杂质散射 和 晶格振动散射 。
前者在 电离施主或电离受主形成的库伦势场 下起主要作用，后者在 温度高 下起主要作用。
7．半导体中浅能级杂质的主要作用是 影响半导体中载流子浓度和导电类型 ；深能级杂质所起的主要作用 对载流子进行复合作用 。
8、有3个硅样品，其掺杂情况分别是：甲 含铝1015cm -3 乙. 含硼和磷各1017 cm -3 丙 含镓1017 cm -3 室温下，这些样品的电阻率由高到低的顺序是 乙 甲 丙 。
样品的电子迁移率由高到低的顺序是甲丙乙 。
费米能级由高到低的顺序是 乙> 甲> 丙 。
9．对n 型半导体，如果以E F 和E C 的相对位置作为衡量简并化与非简并化的标准，那么 T k E E F C 02>- 为非简并条件； T k E E F C 020≤-< 为弱简并条件； 0≤-F C E E 为简并条件。
10．当P-N 结施加反向偏压增大到某一数值时，反向电流密度突然开始迅速增大的现象称为 PN 结击穿 ，其种类为： 雪崩击穿 、和 齐纳击穿（或隧道击穿） 。
（完整版）半导体器件物理试题库
（完整版）半导体器件物理试题库半导体器件试题库常⽤单位：在室温（T = 300K ）时，硅本征载流⼦的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3电荷的电量q= 1.6×10-19C µn =1350 2cm /V s ? µp =500 2cm /V s ?ε0=8.854×10-12 F/m ⼀、半导体物理基础部分（⼀）名词解释题杂质补偿：半导体内同时含有施主杂质和受主杂质时，施主和受主在导电性能上有互相抵消的作⽤，通常称为杂质的补偿作⽤。
⾮平衡载流⼦：半导体处于⾮平衡态时，附加的产⽣率使载流⼦浓度超过热平衡载流⼦浓度，额外产⽣的这部分载流⼦就是⾮平衡载流⼦。
迁移率：载流⼦在单位外电场作⽤下运动能⼒的强弱标志，即单位电场下的漂移速度。
晶向：晶⾯：（⼆）填空题1．根据半导体材料内部原⼦排列的有序程度，可将固体材料分为、多晶和三种。
2．根据杂质原⼦在半导体晶格中所处位置，可分为杂质和杂质两种。
3．点缺陷主要分为、和反肖特基缺陷。
4．线缺陷，也称位错，包括、两种。
5．根据能带理论，当半导体获得电⼦时，能带向弯曲，获得空⽳时，能带向弯曲。
6．能向半导体基体提供电⼦的杂质称为杂质；能向半导体基体提供空⽳的杂质称为杂质。
7．对于N 型半导体，根据导带低E C 和E F 的相对位置，半导体可分为、弱简并和三种。
8．载流⼦产⽣定向运动形成电流的两⼤动⼒是、。
9．在Si-SiO 2系统中，存在、固定电荷、和辐射电离缺陷4种基本形式的电荷或能态。
10．对于N 型半导体，当掺杂浓度提⾼时，费⽶能级分别向移动；对于P 型半导体，当温度升⾼时，费⽶能级向移动。
（三）简答题1．什么是有效质量，引⼊有效质量的意义何在？有效质量与惯性质量的区别是什么？2．说明元素半导体Si 、Ge 中主要掺杂杂质及其作⽤？3．说明费⽶分布函数和玻⽿兹曼分布函数的实⽤范围？4．什么是杂质的补偿，补偿的意义是什么？（四）问答题1．说明为什么不同的半导体材料制成的半导体器件或集成电路其最⾼⼯作温度各不相同？要获得在较⾼温度下能够正常⼯作的半导体器件的主要途径是什么？（五）计算题1．⾦刚⽯结构晶胞的晶格常数为a ，计算晶⾯（100）、（110）的⾯间距和原⼦⾯密度。
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半导体器件物理复习题第二章：1） 带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差，也称能隙。
物理意义：带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低2）什么是半导体的直接带隙和间接带隙？其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处(p ＝0)。
因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。
这类半导体称为直接带隙半导体。
3）能态密度：能量介于E ～E+△E 之间的量子态数目△Z 与能量差△E 之比4）热平衡状态：即在恒温下的稳定状态.(且无任何外来干扰,如照光、压力或电场). 在恒温下,连续的热扰动造成电子从价带激发到导带，同时在价带留下等量的空穴.半导体的电子系统有统一的费米能级,电子和空穴的激发与复合达到了动态平衡，其浓度是恒定的，载流子的数量与能量都是平衡。
即热平衡状态下的载流子浓度不变。
5）费米分布函数表达式？物理意义：它描述了在热平衡状态下,在一个费米粒子系统（如电子系统）中属于能量E 的一个量子态被一个电子占据的概率。
6本征半导体价带中的空穴浓度：7）本征费米能级Ei ：本征半导体的费米能级。
在什么条件下，本征Fermi 能级靠近禁带的中央：在室温下可以近似认为费米能级处于带隙中央8）本征载流子浓度n i : 对本征半导体而言，导带中每单位体积的电子数与价带每单位体积的空穴数相同,即浓度相同，称为本征载流子浓度，可表示为n ＝p ＝n i . 或：np=n i 29) 简并半导体：当杂质浓度超过一定数量后，费米能级进入了价带或导带的半导体。
10) 非简并半导体载流子浓度:且有: n p=n i2 其中: n 型半导体多子和少子的浓度分别为:p 型半导体多子和少子的浓度分别为:第三章：1）迁移率：是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大。
定义为：2）漂移电流: 载流子在热运动的同时，由于电场作用而产生的沿电场力方向的定向运动称作漂移运动。
所构成的电流为漂移电流。
定向运动的平均速度叫做漂移速度。
在弱电场下，载流子的漂移速度v 与电场强度E 成正比, 定义为：3）扩散电流：在半导体物质中，若载流子的浓度有一个空间上的变化，则这些载流子倾向于从高浓度的区域移往低浓度的区域，这个电流成分即为扩散电流。
定义为：4）非平衡载流子：处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0（此处0是下标），可以比他们多出一部分。
比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
非平衡载流子多半是少数载流子。
5）复合中心：半导体中对电子和空穴起复合作用的杂质或缺陷。
6）间接复合：通过禁带复合中心进行的复合,通常在间接禁带半导体中较为显著，如硅晶.7）亲和力，功函数？8）隧穿效应：能量比势垒低的粒子，具有一定的概率穿透势垒的现象。
9）强电场效应：当半导体施加大电场时,σ成为电场的函数, 出现非线性传导现象,即偏离欧姆定律的强电场效应。
10）雪崩过程（现象）：在强电场的加速下,载流子将得到足够的动能,这些有较高能量的载流子与晶格中性原子相遇发生碰撞产生电离，产生新的电子-空穴对。
这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下，重新获得能量，碰撞其它的中性原子使之电离，再产生更多的电子-空穴对。
这种连锁反应继续下去，使空间的载流子数量剧增，就像雪崩一样.第四章：1) 异质结：由不同种半导体构成的pn 结（如硅-锗）2) 单边突变结: 在交界面处，杂质浓度会产生突变，称为突变结。
实际的突变结，两边的杂质浓度相差很多，称为单边突变结mq c τμ=3) 什么是内建电势？它是如何保持热平衡的？4) 单边突变结耗尽区宽度与偏压的关系:5) 小注入: 注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的少子浓度，远小于平衡时的多子浓度，称为小注入.n型：p0<∆p<<n0，或p型：n0<∆n<<p0 , 且: ∆n=∆p6) 在热平衡时,当加上偏压V后,在耗尽区边界上电子的浓度为其中: n n和n p分别表示?7) 扩散长度?8)其中: J s为饱和电流密度9) 三种复合机制: 直接复合,通过复合中心复合和表面复合.通过复合中心间接复合包括四种情况：电子从导带落入到复合中心称电子俘获；电子从复合中心落入价带称空穴俘获；电子从复合中心被激发到导带称电子发射；电子从价带被激发到复合中心称空穴发射。
10) p-n结产生电流的物理机制: p-n结在反向偏压下，势垒区处于载流子严重欠缺的非平衡状态，为了恢复平衡，其中的复合中心就表现为产生载流子的产生中心（电子发射和空穴发射），产生出大量的电子和空穴；并且电子被电场拉向n型半导体一边、空穴被电场拉向p型半导体一边，从而就形成了反向电流。
第五章：1) 双极型三极管: 空穴和电子两种载流子参与导电. 浓度最高的p＋区域称为发射区；中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基区，基区的宽度需远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集电区。
2) 双极型晶体管有哪四种工作模式? 各模式射-基结和集-基结的偏压如何? 其中,放大模式下,射基3) 共射电流增益定义为: ,其中α0为共基电流增益,定义为4) 简述扩散电容的物理机理: 对于正偏p-n结，当外加偏压增大时，注入n区的空穴增加，在n区的空穴扩散区内形成空穴积累，为保持电中性条件，扩散区内电子浓度也相应增加（外电路提供）。
电子注入p 区情形类似，这种扩散区中电荷随外加偏压变化而变化所产生的电荷存储效应等效为电容，称扩散电容。
(即: 非平衡少数载流子在p-n 结两边的中性区内的电荷存储所造成的 )5) 势垒电容: 在p-n 结势垒区，当外加电压变化时，引起积累在势垒区的空间电荷的变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充、放电过程相同。
耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。
6) 共射截止频率: 是BJT 使得电流放大系数下降为0.707倍时的信号频率，其值决定于管子的结构.与是共基截止频率f α的关系为:第六章：1) 当理想MOS 二极管偏压为正或负时,半导体表面可能会出现3种状况: 积累现象, 耗尽现象和反型现象.2) 反型现象: 当MOS 二极管外加一很大的正电压时, 在半导体表面的电子(少数载流子)数目大于空穴(多数载流子)，表面载流子呈现反型，称为反型现象．画出在强反型情况下,半导体表面附近的能带示意图.3) 阈值电压: 在正常情况下，栅极电压产生的电场控制着源漏间沟道内载流子的产生。
在强反型刚发生时的栅极电压称为阈值电压.4) 平带电压: 对于实际的MOS 系统，由于金属-半导体功函数差φms 和Si-SiO2系统中电荷Q f 的影响, 在外加栅极电压为0 时，半导体表面的能带即发生了弯曲，从而这时需要另外再加上一定的电压才能使能带拉平，这个额外所加的电压就称为平带电压.5) 沟道: 半导体中由于外加电场引起的沿长度方向的导电层。
如MOS 结构中当在栅极和源极之间施加外部电压时在半导体表面形成的积累层及反型层。
P 沟道和N 沟道场效应管，区别是它们的导电沟道区是P 型半导体还是N 型半导体.n 沟道增强型管必须在栅极上施加正向偏压,且只有栅源电压大于阈值电压V T 时才有导电沟道产生．6) 增强型管导电沟道的形成机制: 当栅源电压V GS 数值较小，吸引电子的能力不强，漏─源极之间仍无导电沟道出现。
V GS 增加时，吸引到P 衬底表面层的电子就增多，当V GS 达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P 衬底表面便形成一个N 型薄层，且与两个N +区相连通，在漏─源极间形成N 型导电沟道。
V GS 越大，作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P 衬底表面的电子就越多,导电沟道越厚，沟道电阻越小。
7) 什么是短沟道效应: 沟道长度减小到一定程度后出现的一系列二级物理效应统称为短沟道效应.包括: 影响阈值电压, 迁移率场相关效应及载流子速度饱和效应, 影响器件寿命和亚阈特性退化，器件夹不断.其中影响阈值电压的原因: 对于短沟道 MOSFET 器件，随着漏电压的增大，源漏空间电荷区会严重的延伸到沟道区，致使有效沟道长度变短，栅压控制的体电荷减少，从而造成阈值电压的偏移。
)40()1(0αβαf f -=第七章：1) 肖特基接触: 具有整流特性的金属-半导体接触.指金属和半导体材料相接触的时候，在界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒。
势垒的存在才导致了大的界面电阻2) 肖特基势垒二极管与p-n 结的比较：相同点: 单向导电性.不同点: pn 结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流,有显著的电荷存储效应；肖特基势垒二极管的正向电流主要是半导体多数载流子进入金属形成的，是多子器件，无积累，因此高频特性更好.3) 在热电子发射的情形下，金属-半导体接触的电流-电压特性可以表示为其中Js 为饱和电流密度:4) 增强型和耗尽型场效应晶体管区别：场效应晶体管可区分为耗尽型和增强型两种。
耗尽型场效应晶体管(D-FET)就是在0栅偏压时存在沟道、能够导电的FET; 增强型场效应晶体管(E-FET)就是在0栅偏压时不存在沟道、不能够导电的FET 。
5)肖特基栅控制原理：是通过栅极Schottky 势垒下面耗尽层厚度的变化来控制导电沟道宽度、并从而控制输出源-漏电流的。
6) 概述MESFET 的工作原理: N 沟道MESFET 工作时，需要在栅-源极间加一负电压(V GS <0)，使栅-源极间的P +-N 结反偏，栅极电流I G ≈0，场效应管呈现很高的输入电阻。
在漏-源极间加一正电压(V DS >0)，使N 沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流I D 。
I D 的大小主要受栅-源电压V GS 控制，同时也受漏-源电压V DS 的影响。
因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压V GS 对漏极电流I D （或沟道电阻）的控制作用，以及漏-源电压V DS 对漏极电流I D 的影响。
综合问题:电荷贮存效应:当pn 结外加正偏电压时，载流子向空间电荷区注入，致使p 区和n 区内均存在过剩少数载流子，空间电荷区边缘处的过剩少子浓度由正偏pn 结电压维持。
当外加电压由正偏变为反偏时，空间电荷区边缘处的过剩少子浓度开始衰减，pn 结内存储的过剩少数载流子被移走，即电容放电，这种效应叫电荷贮存效应。
MOSFET 的工作原理:MOSFET 中的电流是由反型层载流子在源漏之间的流动形成的。
通过调节栅源电压来控制反型层厚度，进而调节反型层电荷密度和沟道电导，当晶体管偏置在非饱和区时，漏电流是栅源电压和漏源电压)17(ex p n 2s a kT q T A J B ⎪⎭⎫⎝⎛-=*φ的函数；当晶体管偏置在饱和区时，漏电流仅受栅源电压影响。