电子科技大学2008半导体物理期末考试试卷A试题答案

………密………封………线………以………内………答………题………无………效……

电子科技大学二零零七至二零零八学年第一学期期末考试

一、选择填空(22分)

1、在硅和锗的能带结构中,在布里渊中心存在两个极大值重合的价带,外面的能带( B ),

对应的有效质量( C ),称该能带中的空穴为( E )。

A. 曲率大;

B. 曲率小;

C. 大;

D. 小;

E. 重空穴;

F. 轻空穴

2、如果杂质既有施主的作用又有受主的作用,则这种杂质称为(F )。

A. 施主

B. 受主

C.复合中心

D.陷阱 F. 两性杂质

3、在通常情况下,GaN呈( A )型结构,具有( C ),它是(F )半导体材料。

A. 纤锌矿型;

B. 闪锌矿型;

C. 六方对称性;

D. 立方对称性;

E.间接带隙;

F. 直接带隙。

4、同一种施主杂质掺入甲、乙两种半导体,如果甲的相对介电常数εr是乙的3/4,m n*/m0值是乙的2

倍,那么用类氢模型计算结果是( D )。

A.甲的施主杂质电离能是乙的8/3,弱束缚电子基态轨道半径为乙的3/4

B.甲的施主杂质电离能是乙的3/2,弱束缚电子基态轨道半径为乙的32/9

C.甲的施主杂质电离能是乙的16/3,弱束缚电子基态轨道半径为乙的8/3

D.甲的施主杂质电离能是乙的32/9,的弱束缚电子基态轨道半径为乙的3/8

5、.一块半导体寿命τ=15μs,光照在材料中会产生非平衡载流子,光照突然停止30μs后,其中非平衡载

流子将衰减到原来的(C )。 A.1/4 ; B.1/e ; C.1/e2; D.1/2

6、对于同时存在一种施主杂质和一种受主杂质的均匀掺杂的非简并半导体,在温度足够高、n i>> /N D-N A/ 时,半导体具有( B )半导体的导电特性。 A. 非本征 B.本征

7、在室温下,非简并Si中电子扩散系数Dn与ND有如下图(C )所示的最恰当的依赖关系:

DnDnDnDn

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………密………封………线………以………内………答………题………无………效……

8、在纯的半导体硅中掺入硼,在一定的温度下,当掺入的浓度增加时,费米能级向(A )移动;当掺

杂浓度一定时,温度从室温逐步增加,费米能级向( C )移动。A.Ev ; B.Ec ; C.Ei; D. E F

9、把磷化镓在氮气氛中退火,会有氮取代部分的磷,这会在磷化镓中出现(D )。

A.改变禁带宽度;

B.产生复合中心;

C.产生空穴陷阱;

D.产生等电子陷阱。

10、对于大注入下的直接复合,非平衡载流子的寿命不再是个常数,它与(C )。

A.非平衡载流子浓度成正比;

B.平衡载流子浓度成正比;

C.非平衡载流子浓度成反比;

D.平衡载流子浓度成反比。

11、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。

12、如在半导体的禁带中有一个深杂质能级位于禁带中央,则它对电子的俘获率(B )空穴的俘获率,

它是(D )。 A.大于; B.等于; C.小于;D.有效的复合中心;E. 有效陷阱。

13、在磷掺杂浓度为2×1016cm-3的硅衬底(功函数约为4.25eV)上要做出欧姆接触,下面四种金属最适

合的是( A )。A. In (W m=3.8eV) ;B. Cr (W m=4.6eV);C. Au (W m=4.8eV);D. Al (W m=4.2eV)。14、在硅基MOS器件中,硅衬底和SiO2界面处的固定电荷是(B ),它的存在使得半导体表面的能带

( C )弯曲,在C-V曲线上造成平带电压(F )偏移。

A.钠离子;

B.过剩的硅离子;

C.向下;

D.向上;

E. 向正向电压方向;

F. 向负向电压方向。

二、简答题:(5+4+6=15分)

1、用能带图分别描述直接复合、间接复合过程。(4分)

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Ec (0.5分)

跃迁过程1 (0.5分)

Ec (0.5分)

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2、对于掺杂的元素半导体Si 、Ge 中,一般情形下对载流子的主要散射机构是什么?写出其主要散射机构所决定的散射几率和温度的关系。(4分)

答:对掺杂的元素半导体材料Si 、Ge ,其主要的散射机构为长声学波散射(1分)和电离杂质散射 其散射几率和温度的关系为:

声学波散射:3/2s p T ∝,电离杂质散射:3/2i i p N T -∝(根据题意,未含Ni 也可)

3、如金属和一n 型半导体形成金属-半导体接触,请简述在什么条件下,形成的哪两种不同电学特性的接触,说明半导体表面的能带情况,并画出对应的I-V 曲线。(忽略表面态的影响)(6分) 答:在金属和n 型半导体接触时,如金属的功函数为W m , 半导体的功函数为W s 。 当W m >W s 时,在半导体表面形成阻挡层接触,是个高阻区,能带向上弯曲;(2分) 当W m <W s 时,在半导体表面形成反阻挡层接触,是个高电导区,能带向下弯曲;(2分) 对应的 I-V 曲线分别为:

………密………封………线………以………内………答………题………无………效……

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(1分) (1分)

三、在300K时,某Si器件显示出如下的能带图:(6+4+4=14分)

(1)平衡条件成立吗?试证明之。(6分)

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答:成立。(4分)

因为费米能级处处相等的半导体处于热平衡态(即 0 dx

dE F

)(2分) 或 E Fn =E Fp =E F (2分)

………密………封………线………以………内………答………题………无………效……

或 np=n i 2 (2分) 或 J=0 (2分)

(2)在何处附近半导体是简并的?(4分)

答:在靠近x=L 附近 (4分)或 分为三个区域,每个区各为 2分

或 2L/3

(3)试推导流过x=x 1处的电子的电流密度表达式?(4分) 答: 0==+=dx

dE dx dn

qD E nq J F n n n μμ

四、一束恒定光源照在n 型硅单晶样品上,其平衡载流子浓度n 0=1014cm -3,且每微秒产生电子-空穴为1013cm -3。如τn =τp =2μs ,试求光照后少数载流子浓度。(已知本征载流子浓度n i =9.65×109cm -3)(5分) 解:在光照前:

光照后:

02

0135

6

133

6

22109.3110210210110p i p p p G n G n cm

ττ---=+=+=?+??≈??分

五、在一个均匀的n 型半导体的表面的一点注入少数载流子空穴。在样品上施加一个50V/cm 的电场,在电场力的作用下这些少数载流子在100μs 的时间内移动了1cm ,求少数载流子的漂移速率、迁移率和

扩散系数。(kT=0.026eV )(6分)

解:在电场下少子的漂移速率为:4110/100cm

v cm s s

μ=

=

………密………封………线………以………内………答………题………无………效……

迁移率为:()42

10/50

v cm V s E μ==

扩散系数为:220.026200/ 5.2/p kT

D cm s cm s q

μ==?=

六、 掺杂浓度为N D =1016cm -3的n 型单晶硅材料和金属Au 接触,忽略表面态的影响,已知:W Au =5.20eV,

χn =4.0eV, Nc=1019cm -3,ln103=6.9 在室温下kT=0.026eV, 半导体介电常数εr =12, ε0=8.854×10-12 F/m ,q=1.6×10-19 库,试计算:(4+4+4=12分) ⑴ 半导体的功函数;(4分)

⑵ 在零偏压时,半导体表面的势垒高度,并说明是哪种形式的金半接触,半导体表面能带的状态; ⑶ 半导体表面的势垒宽度。(4分) 解:⑴由0exp()F

D Ec

E N n Nc kT

-==-

得: (1分) 19

16010ln 0.026ln .184.0181()F D s F Nc Ec E kT eV

N Ws Ec E eV

χ-===∴=+-= (1分) ⑵ 在零偏压下,半导体表面的势垒高度为:

5.20 4.18 1.02D qV Wm Ws eV =-=-=

对n 型半导体,因为W m >Ws ,所以此时的金半接触是阻挡层(或整流)接触(1分),半导体表面能带向上弯曲(或:直接用能带图正确表示出能带弯曲情况)(1分)。 ⑶ 势垒的宽度为:

1/2

0141/21916

512(

)2128.8510()1.610103.710()

.02r D D

V d qN cm εε---=????=??=?

(2分)

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七、T=300 K 下,理想MOS 电容,其能带图如下图所示。所施加的栅极偏压使得能带弯曲,在Si-SiO 2界面E F =E i 。Si

分)

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1.

半导体中达到了平衡吗?为什么?(5分)

答:达到了平衡。因为半导体中E F 处处相等(或E Fn =E Fp =E F ,或np=n i 2, 或J=0 )。 2.

求出半导体Si-SiO 2界面E F =E i 处的电子浓度?同时绘出与该能带图对应的定性电荷块图。

()

39026

.059.019

01038.110--

--

?===cm e

e

N n kT

E Ec c F

(1分) (0.5分) (0.5分)

()

10

3

1.510

FS i

s i E E n n cm -=∴==?

电荷块图见上图(评分标准在电荷块图下方)

3. 求出N D ?(5分)

()()

1.18(0.290.59)

19

1330.026

109.6810g Fs v c F E E E E E kT

kT

D c c N N e

N e

e

cm ----+-

-

-

-≈==≈?

………密………封………线………以………内………答………题………无………效……

4. 写出V G 详细表达式?(5分)

???

?

??+

=+=i D

B G n N q kT V V V V ln 00 或B G V V V +=0 如果两个n 型半导体构成的MOS 结构除了器件1是Al 栅,器件2是Au 栅,其它参数都相同,将导致这两个MOS 结构的高、低频C-V 特性曲线发生什么定性变化?试绘出定性高、低频C-V 特性曲线。已知W Al =4.25 eV ,W Au =4.75 eV 。(6分) (1)V FB (Al)<0, V FB (Au)>0

或:直接在C-V 图中V G 坐标上明确标出V FB (Al)位于V G 坐标轴负方向(1分),V FB (Au) 位于V G 坐标轴正方向(1分)

(2)判题时请注意,如果考生将两个C-V 曲线分别绘在两个坐标图中,注意V FB (Al)是否位于V G 坐标轴负方向(1分)、V FB (Au) 是否位于V G 坐标轴正方向

Al 栅C-V :2分(高频C-V 1分+低频C-V 1分) Au 栅C-V :2分(高频C-V 1分+低频C-V 1分)

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V FB (Au)

V FB (Al)

V G

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