(完整word版)电子科技大学2009半导体物理期末考试试卷B试题答案

电子科技大学二零 九 至二零 一零 学年第 一 学期期 末 考试

半导体物理 课程考试题 B卷 （ 120分钟） 考试形式： 闭卷 考试日期 2010年 元月 18日

课程成绩构成：平时 10 分， 期中 5 分， 实验 15 分, 期末 70 分

一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 合计 复核人签名 得分 签名 得 分 一、填空题: （共16分，每空1 分）

1. 简并半导体一般是 重 掺杂半导体，这时 电离杂质 对载流子的散射作用不可忽略.

2. 处在饱和电离区的N型Si半导体在温度升高后，电子迁移率会 下降/减小 ,电阻率会 上升/增大 。 3. 电子陷阱存在于 P/空穴 型半导体中。

4. 随温度的增加，P型半导体的霍尔系数的符号 由正变为负 . 5. 在半导体中同时掺入施主杂质和受主杂质，它们具有 杂质补偿 的作用,在制造各种

半导体器件时，往往利用这种作用改变半导体的导电性能.

6. ZnO是一种宽禁带半导体，真空制备过程中通常会导致材料缺氧形成氧空位，存在氧空

位的ZnO半导体为 N/电子 型半导体.

7. 相对Si而言，InSb是制作霍尔器件的较好材料，是因为其电子迁移率较 高/大 。 8. 掺金工艺通常用于制造高频器件。金掺入半导体Si中是一种 深能级 杂质,通常起 复合 中心的作用，使得载流子寿命减小。 第 1 页 共 11页

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9. 有效质量 概括了晶体内部势场对载流子的作用，可通过回旋共振实验来测量。 10. 某N型Si半导体的功函数WS 是4。3eV，金属Al的功函数Wm是4。2 eV， 该半导体和

金属接触时的界面将会形成 反阻挡层接触/欧姆接触 。

11. 有效复合中心的能级位置靠近 禁带中心能级/本征费米能级/Ei 。

12. MIS结构中半导体表面处于临界强反型时，表面少子浓度等于内部多子浓度，表面反型

少子的导电能力已经足够强，称此时金属板上所加电压为 开启电压/阈值电压 . 13. 金属和n型半导体接触形成肖特基势垒，若外加正向偏压于金属，则半导体表面电子势

垒高度将降低,空间电荷区宽度将相应地(减少/变窄/变薄）。 得 分 二、选择题（共15分，每题1 分)

1. 如果对半导体进行重掺杂,会出现的现象是 D 。

A. 禁带变宽 B. 少子迁移率增大 C. 多子浓度减小 D. 简并化

2. 已知室温下Si的本征载流子浓度为ni1.51010cm3.处于稳态的某掺杂Si半导体中电子

浓度n1.51015cm3，空穴浓度为p1.51012cm3，则该半导体 A .

A. 存在小注入的非平衡载流子 B. 存在大注入的非平衡载流子 C. 处于热平衡态 D. 是简并半导体

3. 下面说法错误的是 D 。

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A. 若半导体导带中发现电子的几率为0,则该半导体必定处于绝对零度 B. 计算简并半导体载流子浓度时不能用波尔兹曼统计代替费米统计 C. 处于低温弱电离区的半导体,其迁移率和电导率都随温度升高而增大 D. 半导体中，导带电子都处于导带底Ec能级位置 4. 下面说法正确的是 D 。

A. 空穴是一种真实存在的微观粒子

B. MIS结构电容可等效为绝缘层电容与半导体表面电容的的并联 C. 稳态和热平衡态的物理含义是一样的

D. 同一种半导体材料中,电子迁移率比空穴迁移率高

5. 空间实验室中失重状态下生长的GaAs与地面生长的GaAs相比，载流子迁移率要高,这是

因为 B 。 A. 无杂质污染 B. 晶体生长更完整 C. 化学配比更合理 D. 宇宙射线的照射作用

6. 半导体中少数载流子寿命的大小主要决定于 A . A. 复合机构 B. 散射机构 C. 禁带宽度 D. 晶体结构

7. 若某材料电阻率随温度升高而单调下降,该材料是 A .

A. 本征半导体 B. 杂质半导体

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C. 金属导体 D. 简并半导体

8. 对于只含一种杂质的非简并ｐ型半导体，费米能级随温度上升而 D 。 A. 上升 B. 下降 C. 不变

D. 经过一极值后趋近Ei

9. GaAs具有微分负电导现象,原因在于在强电场作用下， A 。

A. 载流子发生能谷间散射 B. 载流子迁移率增大 C. 载流子寿命变大 D. 载流子浓度变小

10. 以下4种不同掺杂情况的N型Ge半导体中,室温下电子迁移率由大到小的顺序是

C 。 a) 掺入浓度10 cm的P原子； b) 掺入浓度10 cm的P原子；

c) 掺入浓度2×10 cm的P原子，浓度为10 cm的B原子； d) 掺入浓度3×10 cm的P原子，浓度为2×10 cm的B原子。 A. abcd B. bcda C. acbd D. dcba

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15

—3

15

-3

14

—3

14

—3

15

-3

14

—3

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11. 以下4种Si半导体，室温下功函数由大到小的顺序是 C .

a) 掺入浓度10 cm的B原子； b) 掺入浓度10 cm的P原子;

c) 掺入浓度10 cm的P原子，浓度为10 cm的B原子； d) 纯净硅。 A. abcd B. cdba C. adcb D. dabc

12. 以下4种不同掺杂情况的半导体,热平衡时室温下少子浓度最高的是 D 。

A. 掺入浓度10 cm P原子的Si半导体; B. 掺入浓度10 cm B原子的Si半导体； C. 掺入浓度10 cm P原子Ge半导体; D. 掺入浓度10 cm B原子Ge半导体。

14

—3

15

—3

14

—3

15

—3

16

—3

15

-3

16

-3

16

—3

（已知室温时：Si的本征载流子浓度ni1.51010cm3，Ge的本征载流子浓度

ni2.41013cm3）

13. 直接复合时，小注入的P型半导体的非平衡载流子寿命

A.

1 rdn01 rdpd

决定于 B .

B.

1 rdp0C. D. 其它

14. 在金属-SiO2—p型Si构成的MIS结构中，SiO2中分布的可动正电荷不会影响

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C . A. 半导体表面势 B. 平带电压 C. 平带电容 D. 器件的稳定性

15. 不考虑表面态的影响，如需在n型硅上做欧姆电极,以下四种金属中最适合的是

A 。

A. In (Wm=3。8 eV） B. Cr (Wm=4.6 eV） C. Au (Wm=4.8 eV) D. Al (Wm=4.2 eV）

得 分 三、 问答题(共31分，共四题， 6 分＋10分＋10分＋5分)

1. 写出下面能带图代表的半导体类型,掺杂程度. （6分）

ECEF

i

(a)

E E

V

EC

i

(b)

E E E

FV

(c)

E E

EC

FV

EC

i

E E E

FV

ECEFEi

E

V E E E

EC

iFV

(d) (e) (f)

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答：(a) 强n型 (b) 弱p型 (c） 本征型或高度补偿型

(d） 简并、p型 （e） 弱n型 (f) 强p型

2. 型半导体衬底形成的MIS结构，画出外加不同偏压下积累、平带、耗尽、反型四种状态的能带图。画出理想的低频和高频电容—电压曲线。解释平带电压。 （10分) 答： 图略（各2分，共8分）

平带电压：功函数或者绝缘层电荷等因素引起半导体内能带发生弯曲，为了恢复平带状态所需加的外加栅偏压。或者使半导体内没有能带弯曲时所加的栅电压。 (2分）

3. 写出至少两种测试载流子浓度的实验方法，并说明实验测试原理。 （10分） 答：可以采用C-V测试以及霍耳效应来测试载流子浓度；(2分）

方法⑴： C—V测试法：a)采用金半接触结构，测试C—V曲线，可以得到直线，斜率为2qsND(NA)1C2V曲线为一条,因此可以求出掺杂浓度ND或NA；b)若采用MIS结构，测试高频C-V曲线,由C-V曲线的最大值求出氧化层厚度d0，再结合最小值可以求出掺杂浓度；（4分） 方法⑵：霍耳效应。霍耳实验中,根据Ix，Bz，d，测出霍耳电压VH，由霍耳电压正负判断导电类型，因为 RH分)

VHd11,因此求出霍耳系数RH；再根据RH或RH求出载流子浓度。 （4pqnqIxBz4. 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为：

Epp2ppDp2pEppgp，请说明上述等式两边各个单项所代表的物理意义。 txxxp(5分) 答：

p――在x处,t时刻单位时间、单位体积中空穴的增加数；（1分） t2pDp2――由于扩散，单位时间、单位体积中空穴的积累数;（1分) x第 7 页 共 11页

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pEEppp――由于漂移,单位时间、单位体积中空穴的积累数；（1分） xxpp――由于复合，单位时间、单位体积中空穴的消失数；（1分）

gp――由于其他原因,单位时间、单位体积中空穴的产生数。(1分）

得 分 四、 计算题（共38分，8＋10＋10＋10,共4题)

1. 有一块半导体硅材料，已知在室温下（300K）它的空穴浓度为p0=2.25×1016cm—3，室温时硅的Eg=1.12eV,ni=1。5×1010cm—3，k0T=0。026eV。 （8分） ⑴ 计算这块半导体材料的电子浓度；判断材料的导电类型; ⑵ 计算费米能级的位置。

解：（1）

n0p0ni22 ni1.5101043n0110(cm)p2.2510162（2分)

因为p0n0，故该材料为p型半导体。 (2分) （2) （4分）

EEFp0niexp(i)k0TEiEFk0Tlnp0ni

2.2510160.026ln1.510100.37eV即该p型半导体的费米能级在禁带中线下0。37eV处.

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(1分＋2分＋1分)

2. 某p型Si半导体中受主杂质浓度为 NA=1017cm-3且在室温下完全电离, Si的电子亲和能为4。05eV，禁带宽度为1。12eV，ni1.51010cm3,试求:

1) Si半导体费米能级位置及功函数；

2) 若不计表面态的影响，该p型Si半导体与银接触后是否能够形成阻挡层？已知

银的功函数为WAg=4.81eV。

3) 若能形成阻挡层，求半导体一侧的势垒高度和势垒宽度。

（室温下k0T=0.026eV，Si介电常数εr=12，ε0=8.85×10-14F/cm，q1.61019C） (10

分)

1017Ei0.41(eV) （2分） 解：1） 费米能级:EFEik0Tln101.510即位于禁带中心以下0。41 eV位置 （即qVB=0。41 eV）

功函数：WsEnEg/2qVB5.03(eV) (2分)

2) 对于p型Si,因为WsWm能够形成空穴阻挡层 (2 分） 3） 半导体一侧的势垒高度:qVDWmWs0.22(eV) （2分）

122r0VD势垒宽度:xdqNA2128.85100.2219171.6101014125.4106(cm) （2分）

3. 假设室温下某金属与SiO2及p型Si构成理想MIS结构,设Si半导体中受主杂质浓度为NA=1.5×1015/cm3， SiO2厚度0。2 mm，SiO2介电常数3。9，Si介电常数12。

1) 求开启电压VT；

2) 若SiO2—Si界面处存在固定的正电荷,实验测得VT=2。6eV, 求固定正电荷的电

荷量。

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（k0T=0.026eV，Si:ni1.51010cm3，ε0=8。85×10 F/cm,q1.61019C）(10分) 解：1） 费米势：VBk0TNln(A)0.36(V) （2分） qni-14

表面电荷量:QsqNAxdmqNA4rs0VB86.0510(C) （1分） qNA12绝缘层电容：C0ri0/d01.72108(F/cm2) （1分) 开启电压：VTV0VsQs2VB3.50.724.22(V) （2分) C02） 开启电压变化即平带电压的变化：VTVFBQfcC01.62(V) （2分） 固定电荷量：QfcVTC02.79108(C) （2分）

4．Pt/Si肖特基二极管在T=300K时生长在掺杂浓度为ND=1016cm-3的n型<100〉Si上。肖特基势垒高度为0.89eV。计算1）En=EC—EF,2)qVD，，3）忽略势垒降低时的JST,4)使J=2A/cm2时的外加偏压V. （10分） 解：

1)NDNcexp(EcEF)k0T

EcEFk0TlnNcND （1分）

2.81019EcEF0.026ln0.206eV1610 （1分）

2)3)qVDnsEn0.684eV （2分） JSTAT2exp(qns)k0T （2分)

0.89)3.09108A/cm20.026 （1分）

2.11203002exp(4)qVJJSTexp()1k0T （2分）

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V

k0TJ2ln(1)0.026ln(1)0.467V8qJST3.0910 （1分）

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