电子科技大学2006半导体物理A考试试题与参考答案

B. 闪锌矿型和直接禁带型 D. 闪锌矿型和间接禁带型 C ） 。
3、电子在晶体中的共有化运动指的是电子在晶体（ A、各处出现的几率相同 C、各元胞对应点出现的几率相同 4、本征半导体是指（ A、不含杂质与缺陷； C、电阻率最高； 5、简并半导体是指（ A、(E C -E F)或(E F-E V )≤0 B、(E C -E F )或(E F -E V )≥0 C、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
所以 n0 = N D − N A = 1014 cm −3 导带电子浓度为： = n0 N C exp(−
EC − EF ) k0T
NC 2.9 ×1019 所以， EF = EC − k0T ln = EC − (0.026eV ) ln = EC − 0.327eV 1014 n0
样品的费米能级位于导带底E c 下方 0.327eV。 3、施主浓度为 N D =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. N c =2.5×1019cm-3， Al的功函数为 4.30eV。 解：室温下杂质全部电离 n 0 = N D =N c exp( −
二 0 0 五 至 二 0 0 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 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（ A. 金刚石型和直接禁带型 C. 金刚石型和间接禁带型 C ）
∂ E ∆p ∂p ∂2 p ∂p 为： = D p 2 − µ p E − µp p − + g p ，请说明上述等式两边各个单项 ∂t ∂x ∂x ∂x τ p
所代表的物理意义。 （5 分） ∂p ――在 x 处，t 时刻单位时间、单位体积中空穴的增加数； （1 分） 答： ∂t
Dp
∂2 p ――由于扩散，单位时间、单位体积中空穴的积累数； （1 分） ∂x 2 ∂E ∂p ――由于漂移，单位时间、单位体积中空穴的积累数； − µp p ∂x ∂x
甲．含镓 1×1017cm-3；乙.含硼和磷各 1×1017cm-3；丙.含铝 1×1015cm-3 这三种样品在室温下的费米能级由低到高（以E V 为基准）的顺序是 ( B ) B.甲丙乙； C.乙丙甲； D.丙甲乙
A.甲乙丙；
9、以长声学波为主要散射机构时，电子的迁移率μ n 与温度的 （ B ） 。 B、3/2 次方成反比； D、1/2 次方成正比； C ） 。
AB：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ρ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ρ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ρ随温度 T 升高而下降； （1 分）
B、各处的相位相同 D、各元胞对应点的相位相同
A ）的半导体。 B、电子密度与空穴密度相等； C、电子密度与本征载流子密度相等。 A ）的半导体
1
6、当 Au 掺入 Si 中时，它引入的杂质能级是（ 导体中起的是（ 级是（ A、施主 B C
A ）能级，在半
）的作用；当 B 掺入 Si 中时，它引入的杂质能 D ）的作用。
2、有一硅样品在温度为 300k时，施主与受主的浓度差N D -N A =1014cm-3,设杂质全 19 -3 部电离， 已知该温度下导带底的有效状态密度N C =2.9×10 cm ， 硅的本征载流子 10 -3 浓度n i =1.5×10 cm ,求样品的费米能级位于哪里？（8 分） 解：由电中性条件可得: n0 = ( N D − N A ) + p0 由题意可知， n i =1.5×1010cm-3, N D -N A =1014cm-3 故有： N D − N A ni p0 ，可忽略 p 0 ,
−µ p E
（1 分）
−
∆p
τp
――由于复合，单位时间、单位体积中空穴的消失数； （1 分）
g p ――由于其他原因，单位时间、单位体积中空穴的产生数。 （1 分）
6．以中等掺杂 n 型硅为例定性阐述电阻率ρ随温度 T 变化的三个阶段的特点。
ρ
C
5
D A B T 答：设半导体为 n 型，有
ρ=
1 nqµ n
j漂 = q µ p p0 E
稳定时两者之和为零，即：
−qD p
而E = −
dp0 + q µ p p0 E = 0 dx
dV ，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。 dx 在x处的价带顶为： E V (x)=E V -qV(x)，则x处的空穴浓度为：
3
= p0 ( x) NV exp(−
A、平方成正比； C、平方成反比；
10、公式 µ = qτ / m* 中的τ 是载流子的（ A、散射时间； C、平均自由时间； B 、寿命； 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。
∆p = Gτ p = 1018 ×10 ×10−6 = 1013 (cm −3 )
也即光照停止后光生空穴密度衰减过程中的初始浓度 ∆p (0) 。
来自百度文库
∆p (t ) = ∆p (0) exp(−
光停止 20μ S 后的非子空穴密度为：
t
τp
)
1013 e ∆p (20) =
−
20 10
1013 1.35 ×1012 (cm −3 ) = 2 = e
）能级，在半导体中起的是（ B、受主 C、深 D、浅
7、在某半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 ） 。 E. 9×1014cm-3
A. 本征， B. n型， C. p型， D. 1.1×1015cm-3, 8、3 个硅样品的掺杂情况如下：
4
牵引长度是指非平衡载流子在电场 E 的作用下，在寿命 τ 时间内所漂移的距离， 即 L( E ) = E µτ ，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Ⅲ－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
Dp
µp
=
k0T 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 = Dτ 。 （2 分）
EC − E F ) kT
E F =E c +kTln(N D /N c )= E c +0.026ln E c -E F =0.147eV 所以 该硅的功函数为 Vs =
1017 2.5 × 1019
W s = χ + E n = χ +( E c -E F )=4.05+0.147=4.197eV
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：
Dp
µp
=
koT q
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： dp j p = − qD p 0 dx 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 方向的自建电场 E, 产生漂移电流：
2
A、W ms =0 C、W ms ＞0
B、W ms ＜0 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 ）
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G＝1018/(cm3 .s)属于小注入水平，已知非子空穴的寿命 τ p = 10 µ s ，求光照停止 。 （8 分） 20 µ s 后的非子空穴密度（已知自然对数的底e≈2.7） 解：稳定光照式的非子空穴浓度为：
W s − Wm = -0.103≈ -0.10V q
4、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 1012 cm-2，氧化层的厚度为 0.2µm，ε r0 =3.9。求氧化层内电荷 引起的平带电压变化Δ V （已知ε 0 =8.85×10-12F/m） 解、电荷分布方程及边界条件为 ρ(x)| x=d0 =ρ 0 ρ(x)= (ρ 0 /d 0 )x 1 ∴ Q= ρ 0 d 0 2
EF − EV + qV ( x) ) k0T
则：
dp0 E − EV + qV ( x) q dV NV exp(− F )(− ) = dx k0T k0T dx = − p0 ( x) q dV k0T dx q dV dV − q µ p p0 = 0 k0T dx dx
故： qD p p0