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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年丄月18日课程成绩构成：平时 10 分， 期中 5 分， 实验 15分， 期末 70 分-一-二二三四五六七八九十合计复核人 签名得分签名一、填空题：（共16分，每空1分）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。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/E.i。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）。二、选择题（共15分，每题1分）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 lO10cm。处于稳态的某掺杂Si半导体中电子浓度n =1.5 1015cm"，空穴浓度为p=1.5 1012cm"，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。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AoA. 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 AoA.本征半导体B.杂质半导体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DA. 上升B. 下降C. 不变D. 经过一极值后趋近Ei9. 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1014 cm-3的P原子；b）掺入浓度1015 cm-3的P原子；c）掺入浓度2X1014 cm-3的P原子，浓度为1014 cm-3的B原子；d）掺入浓度3X1015 cm-3的P原子，浓度为2X1015 cm-3的B原子。A. abcdB. bcdaC. acbdD. dcba11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1016cm 3的B原子；b)掺入浓度1016cm 3的P原子；c)掺入浓度1016cm-3的P原子，浓度为1015 cm-3的B原子;d)纯净硅。A.abedB.cdbaC.adcbD.dabc12.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 D153A. 掺入浓度10 cm P原子的Si半导体；B. 掺入浓度1014 cm-3 B原子的Si半导体；C. 掺入浓度1015 cm-3 P原子Ge半导体；D. 掺入浓度1014 cm-3 B原子Ge半导体。（已知室温时：Si的本征载流子浓度ni =1.5 1010cm，Ge的本征载流子浓度m 二 2.4 1013cm ”)13.直接复合时，小注入的P型半导体的非平衡载流子寿命：d决定于B。1 A.5 n°B. 1rd PoC.1IPD.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)ECECECEFEi日一一一亠* EF- EVEVEV(a)(b)(c)ECEcEC_e=E 二m e eEF EFEv EV EV(d)(e)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：CV测试法：a）采用金半接触结构，测试 CV曲线，可以得到 丄UV曲线为一C2条直线，斜率为 -，因此可以求出掺杂浓度Nd或Na； b）若采用MIS结构，测试 霾Nd（Na）高频GV曲线，由CV曲线的最大值求出氧化层厚度 do,再结合最小值可以求出掺杂浓 度;（4 分）方法：霍耳效应。霍耳实验中，根据lx, 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 = ，因此求出霍耳系数Rh;再根据RH =或讯=-求出载IxBzpqnq流子浓度。（4分）4.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:gp,请说明上述等式两边各个单项所代表的物理意义。答：空一一在x处，t时刻单位时间、单位体积中空穴的增加数;（5 分）（1分）Dp ' P 由于扩散，单位时间、单位体积中空穴的积累数; :x（1 分）-p.:x由于漂移，单位时间、单位体积中空穴的积累数；（1分）X由于复合，单位时间、单位体积中空穴的消失数；（1分）pgp 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po=2.25X1O%m-3,室温时103硅的 Eg=1.12eV ni=1.5X 10 cm-, k°T=0.026eV（8 分） 计算这块半导体材料的电子浓度；判断材料的导电类型；计算费米能级的位置。解：（1）（2分）因为Po -n°,故该材料为p型半导体。（2分）（2）（ 4 分）即该p型半导体的费米能级在禁带中线下 0.37eV处。（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,山=1.5 1010cm，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 k°T=0.026eV, Si介电常数 & r=12，& 0=8.85X 10-1 乍/cm, q=1.6 10_19C）（10 分）1017解：1）费米能级：Ef = Ei -k0Tln 一 石二 Ej -0.41（eV）（2 分）1.5汇10即位于禁带中心以下0.41 eV位置 （即qVB=0.41 eV）功函数：Ws 二 E二 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二Wm -Ws二-0.22（eV）（2分）势垒宽度:Xd2 沃 12 汉 8.85汇10 * 汉 0.22 Y21917、1.6 汉 10 汉 10=5.4 10-6 (cm)(2 分)3. 假设室温下某金属与SiQ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=1.5X 1015/cm3, SiQ厚度 0.2 mm, SiQ介电常数 3.9, Si介电常数 12。1）求开启电压Vt；2）若SiQ-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(k0T=0.026eV Si:nj =1.5 1010cm=& 0=8.85X 10-14 F/cm, q=1.6 109C) (10 分)解：1）费米势：Vb二也I n（山）=0.362）（2分）q m14w 赶 V ¥表面电荷量：Qs =-qNAXdm =-qNA =-6.05汇10 （C）（1 分）、qNA 丿绝缘层电容：C0 = ；ri ；0/d0 =1.72 10*（F/cm2）（1 分）开启电压：VT =V0 Vs - -念 2vb =3.5 0.72 =4.22（V）（2 分）C。2）开启电压变化即平带电压的变化：働tfb1.62（V）（2 分）C0固定电荷量：Qfc =0tC° =2.79"0（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=E>Ef, 2） qV。,，3）忽略势垒降低时的JSt, 4）使J=2A/cm2（10 分）时的外加偏压V。解:4）24）21）Nd =Ncexp（_ E：；Ef）Nc二 k0T InNdEc - EfEc -Ef192 8"0-0.026 In 花 0.206eV102）qVD 二 ns - En =0.684eV3） Jst =AT2exp（-*）= 2.1 120 3002 exp（=3.09 10$A/cm20.026J =Jst exp（畏）1-k0 T1） =0.026 ln（81） =0.467VST3.09 10（1 分）（1 分）（2 分）（2 分）（1 分）（2 分）（1 分）4）2
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