电子科技大学半导体物理期末考试试卷试题答案

电子科技大学二零零六至二零零七学年第一学期期末考试

半导体物理课程考试题卷(1２0分钟) 考试形式：闭卷考试日期2007年1 月14日

注:1、本试卷满分70分,平时成绩满分１5分,实验成绩满分1５分;

2.、本课程总成绩＝试卷分数+平时成绩+实验成绩。

课程成绩构成:平时分，期中分, 实验分, 期末分

一、选择填空(含多选题)(2×20＝4０分）

1、锗的晶格结构和能带结构分别是（ C ）。

A. 金刚石型和直接禁带型Ｂ．闪锌矿型和直接禁带型

Ｃ. 金刚石型和间接禁带型D．闪锌矿型和间接禁带型

2、简并半导体是指( A ）的半导体。

Ａ、（E C-EＦ)或(EＦ-E V)≤0

B、(E C-E F)或（ＥＦ－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

3、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）。

A.本征，

B. ｎ型，Ｃ．ｐ型, D.１.１×１0１5cm-3, E．９×10１4cm-3

4、当半导体材料处于热平衡时,其电子浓度与空穴浓度的乘积为( B ）,并且该乘积和（Ｅ、

F )有关,而与（C、D )无关。

A、变化量；

B、常数; Ｃ、杂质浓度；D、杂质类型；Ｅ、禁带宽度; Ｆ、温度

５、在一定温度下,对一非简并n型半导体材料，减少掺杂浓度,会使得( C ）靠近中间能级E i；如果增加掺杂浓度，有可能使得（C ）进入( A),实现重掺杂成为简并半导体。Ａ、E c; B、Eｖ；C、E F；D、E g; E、Eｉ。

67、如果温度升高，半导体中的电离杂质散射概率和晶格振动散射概率的变化分别是（C）。Ａ、变大,变大B、变小，变小

C、变小,变大

D、变大,变小

8、最有效的复合中心能级的位置在（D )附近,最有利于陷阱作用的能级位置位于(Ｃ）附近，并且常见的是（ E ）陷阱。

Ａ、E A；B、E B; C、ＥＦ；D、Ｅi；E、少子; F、多子。

9、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／e2Ｄ、1/2

10、半导体中载流子的扩散系数决定于该材料中的( Ａ)。

A、散射机构； B 、复合机构；

C、杂质浓度梯度; C、表面复合速度。

11、下图是金属和n型半导体接触能带图,图中半导体靠近金属的表面形成了（D )。

A、n型阻挡层Ｂ、p型阻挡层Ｃ、p型反阻挡层Ｄ、n型反阻挡层

12、欧姆接触是指（ D )的金属－半导体接触。

A、Ｗms＝0

B、Ｗｍs<0

C、W m s>0

D、阻值较小并且有对称而线性的伏－安特性

１3、MＯS器件中SｉO2层中的固定表面电荷主要是( B )，它能引起半导体表面层中的能带( C ）弯曲，要恢复平带，必须在金属与半导体间加( F ）。

A．钠离子；B硅离子．;C.向下;D．向上；E. 正电压；Ｆ. 负电压

二、证明题：（8分)

由金属－SiO2-Ｐ型硅组成的ＭOS结构，当外加的电压使得半导体表面载流子浓度n s与内部多数载流子浓度P

相等时作为临界强反型层条件,试证明:此时半导体的表面势为:

ｐ０

22ln ,A

F s B B i N Ei E kT V V V q n q

-==

=其中 证明：设半导体的表面势为V Ｓ，则表面的电子浓度为:

200exp()exp()S i S s p p qV n qV

n n KT p KT

== (2分)

当ｎｓ=p p0时,有：20exp(

),S

p i qV p n KT

= （1分）

0exp(

)2S

p i qV P n KT = (１分)

另外：0

exp()exp()exp()F V i F B p V i i E E E E qV

p N n n KT KT KT

--=-=-= (2分)

比较上面两个式子，可知V S =2V Ｂ

饱和电离时，Ｐp0=ＮA ,即:

exp()2S A i qV

N n KT

= （1分)

故:22ln A

s B i

N KT V V q n ==

（1分）

三、简答题(32分）

1、解释什么是Ｓｃhott ｋｙ接触和欧姆接触,并画出它们相应的Ｉ-Ｖ曲线?（8分)

答:金属与中、低掺杂的半导体材料接触，在半导体表面形成多子的势垒即阻挡层,其厚度并随加在金属上的电压改变而变化,这样的金属和半导体的接触称为Sch ｏtt ｋy 接触。（2分）

金属和中、低掺杂的半导体材料接触，在半导体表面形成多子的势阱即反阻挡层，或金属和重掺杂的半导体接触,半导体表面形成极薄的多子势垒,载流子可以隧穿过该势阱，形成隧穿电流，其电流－电压特性满足欧姆定律。（2分)

S ｃho ｔtky 势垒接触的I-Ｖ特性 欧姆接触的I －Ｖ特性

(２分) （2分）

2、试画出ｎ型半导体构成的理想的ＭIS 结构半导体表面为积累、耗尽、反型时能带图和对

应的的电荷分布图?(3×3分=9分)

解：对n 型半导体的理想ＭIS 结构的在不同的栅极电压下,当电压从正向偏置到负电压是，在半导体表面会出现积累、耗尽、反型现象,其对应的能带和电荷分布图如下:

E

v

E i

E F (a )堆积

E i

E F

3、 试画出中等掺杂的Ｓｉ的电阻率随温度变化的曲线,并分析解释各段对应的原因和特点

(8分) 解:

D

（2分) 电阻率随温度的变化分三个阶段：

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;（２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

(c)反型

E F

E i

迁移率下降，故电阻率ρ随温度T 升高上升；(2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;（2分)

4、试比较半导体中浅能级杂质和深能级杂质对其电学参数的影响,并说明它们在实践中的

不同应用。(7分）

答：在常温下浅能级杂质可全部电离，可显著地改变载流子的浓度，从而影响半导体材料的电导率。深能级杂质在常温下,较难电离，并且和浅能级杂质相比,掺杂浓度不高，故对载流子的浓度影响不大,但在半导体中可以起有效的复合中心或陷阱作业，对载流子的复合作用很强。(４分)

所以,在实际的应用中,通过浅能级杂质调节载流子的浓度、电阻率,改变材料的导电类型；而通过深能级杂质提供有效的复合中心，提高器件的开关速度。(3分）

四、计算题 （２×１0分）

1、设p 型硅能带图如下所示,其受主浓度N A ＝10１7／ｃm 3,已知:ＷAg =4.1８eV ，ＷP ｔ=５.3６eV ，N V =10１9／ｃｍ3，E g =1.12ｅV ，硅电子亲和能χ=4.0５e Ｖ，试求:(10分） (1)室温下费米能级E F 的位置和功函数W S ;

(２）不计表面态的影响,该p 型硅分别与Pt 和Ag 接触后是否形成阻挡层? (3)若能形成阻挡层,求半导体一边的势垒高度。

（已知ＷA ｇ＝４.81ｅV , W Pt =5.36ｅV , N ｖ=1０19ｃm -３， E g =1．12eV , S ｉ的电子亲和能Χ＝4.05eV)

解:（１）室温下,杂质全部电离，本征激发可以忽略，则：

?0exp()F V

A v E E p N N kT

-==- (1分)

19

1710ln 0.026ln 0.1210

V F V V V A N E E kT E E eV N =+===+ (2分)

∴ 0.12 1.120.12 1.0n g E E eV =-=-= (1分)

所以,功函数为: 1.0 4.05 5.05()s n W E eV χ=+=+= （１分)

(2) 不计表面态的影响，对P 型硅,当W s >W m 时,金属中的电子流向半导体,使得表面势V s ＞0，

空穴附加能量为ｑＶs ,能带向下弯,形成空穴势垒。故p 型硅和Ag 接触后半导体表面形成空穴势垒,即空穴的阻挡层;而Wpt=5.36e Ｖ大于W ｓ=５.０５eV , 所以p 型硅和Pt 接触后不能形成阻挡层。 (3分)

(3) Ag 和p-Si 接触后形成的阻挡层的势垒高度为：

4.81

5.060.24()D m s qV W W eV =-=-=- （2分）

5、一个理想的MOS 电容器结构,半导体衬底是掺杂浓度N A =1．5×1015cm －3的p 型硅。如氧

化层SiO 2的厚度是0.１μm 时，阈值电压V T 为1.１V ，问氧化物层的厚度为０．1μm 时,其V T 是多少?（10分) 解: 0000

2S S T S B r Q d Q

V V V C εε=-

+=-+ （2分) ∴100

012S

T B

r Q V V d εε--

=

10100

()2S T B r Q V d V εε=-+ （1分） ∴100

01

2S

T B

r Q V V d εε--

=

代入 20200

(

)2S

T B r Q V d V εε=-+ (1分）

可得：022111010.2(2)2(2)2220.1T T B B T B B T B d m V V V V V V V V V d m

μμ=-+=-+=- （2分）

因为：200exp()exp()S i S s p p qV n qV n n KT p KT

==0exp(

)exp()F B A i i Ei E qV

P N n n KT KT -=== （２分） 所以，15

10

1.510ln 0.026ln 0.30()1.510A B i F i N kT V E E V q n ?=-==?=? (1分）

故22 1.120.3 1.6()T V V =?-?= (1分)

朱俊

20０6-１2－28