2007-半导体物理期末考试试卷

………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（22×2=44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、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。

3、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，弱束缚电子基态轨道半径为乙的3/8

4、.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

5、在Ⅱ－Ⅺ族化合物半导体如ZnO中，由于是有电负性差别较大的元素组成的晶体，其化学建主要呈（A ）的特征，

当负离子空位如O空位出现时，将产生（ D ），它起（ E ）作用。

A.离子键；

B.共价键；

C.负电中心；

D.正电中心；

E.施主；

F.受主

6、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，费米能级向( C )移动。

A.Ev ；

B.Ec ；

C.Ei；

D. E F

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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 (Wm=3.8eV) ；

B. Cr (Wm=4.6eV)；

C. Au (Wm=4.8eV)；

D. Al (Wm=4.2eV)。

12、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。

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

二、叙述题：（6+4+6+6=22分）

1、在半导体的杂质工程中，掺入不同的杂质可以在禁带中引入能级。请简述在施主和受主掺杂情况下，什么是浅能级杂质和深能级杂质？它们的物理意义是什么？（6分）

答：浅能级杂质是指施主能级离开导带很近，受主能级离开价带很近的杂质。（1分）

在室温时，它们基本都能达到饱和电离，这类杂质在半导体中的作用主要是改变半导体材料的导电类型、控制导电能力。（2分）

深能级杂质是指施主能将离开导带较远，受主能级离开价带较远的杂质。（1分）

深能级杂质在半导体中可以产生多重电离，并引入多个能级。它们在半导体中可以对浅能级杂质产生补偿，主要作用是对非平衡载流子起复合中心的作用。（2分）

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和电离杂质散射。（2分） 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 -∝（2分）

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Wm, 半导体的功函数为W s 。 当W m ＞Ws 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 ＜Ws 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 曲线为：

（1分） （1分）

4、试画出在n 型硅衬底上形成的理想MIS 结构，在高频和低频的电容－电压C-V 曲线，并在曲线上分别注明积累、平带、耗尽和反型的区域和位置。如果绝缘层中存在正电荷，在什么位置时对高频C-V 没有影响？通过什么处理可以消除可移

………密………封………线………以………内………答………题………无………效…… 动正电荷的影响？（6分） 答： C-V 曲线如下所示：

3分）

当绝缘层中存在正电荷时，会使得C-V 向负偏压方向偏移，但当正电荷处于金属和绝缘层之间时，对C-V 没有影响。（2分）

可移动正电荷的影响可以通过温度－偏压实验（B-T 实验），把可移动正电荷赶到金属和绝缘层之间。（1分） 三、证明题：（8分）

有一非简并n 型半导体，设在300K 时，施主的电离很弱，试证明：为了使得费米能级E F =(E C +E D )/2，该半导体的施主浓度为N D =2N C 。

证明：在非简并条件下：

00exp()c F c E E n N k T -=-， 其中3/203

2(2)n C m k T N h π*=

（1分）

又， （1分）

由电中性条件得到：n 0=N D + 所以有：

00exp()12exp()

c F D

c D F

E E N N E E k T k T

--

=-+- （2分）

当电离很弱时，即1,1D D

N N +

=上式右边分母中可以省略掉，则，

（1分） 低频

高频

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

000exp()exp()211

()ln 222c F D D F

c D F C D E E N E E N k T k T

N E E E k T Nc

---==

++（2分）

如果要求使得1

(),22

F C D D C E E E N N =+=，得证。

（1分）

四、计算题 （5＋5＋6＋10＝26分）

1、在硅单晶中每立方厘米掺入1016个砷原子，已知在室温300K 下, Nc=2.86×1019cm -3,本征载流子浓度ni=9.65×109cm -3，kT=0.026eV 。求在该温度下载流子浓度与费米能级。(5分)

解：在300K 下，杂质原子全部电离，故n=N D =1016 cm -3 (1分)

29333

16

(9.6510)9.31010

i D n p cm cm N --?===? (2分) 从导带底算起的费米能级得到：

1916

2.8610ln 0.026ln 0.20610c F D Nc E E kT eV eV N ????

?-=== ? ?????

(2分)

或从中间能将算起得到费米能级位置为：

16910ln ln 0.026ln 0.3609.6510D F N n E Ei kT kT eV eV ni ni ??????

-==== ? ? ????????

(2分)

2、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－空穴对为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：

292

5304

0(9.6510)9.311010

i n p cm n -?==≈? (2分) 光照后：

0135

6

1336

109.3110210210110

p p p G

cm τ---=+=?+??≈?? (3分)

3、 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)

………密………封………线………以………内………答………题………无………效…… 解：在电场下少子的漂移速率为：

4110/100cm

v cm s s

μ=

= （2分）

迁移率为：()42

10/50

v cm V s E μ=

=g （2分） 扩散系数为：220.026200/ 5.2/p

kT

D cm s cm s q

μ=

=?= （2分）

4、 有掺杂浓度为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=6.90 在室温下kT=0.026eV ,半导体介电常数εr =12, 试计算：(10分) ⑴ 半导体的功函数；

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。 解：⑴由0exp()F

D

Ec E N n Nc kT

-==-

得： （1分） 19

1610ln 0.026ln 0.1810() 4.18F D s F Nc Ec E kT eV

N Ws Ec E eV

χ-===∴=+-= （2分） （2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 =-=-= （1分）

对n 型半导体，因为W m ＞Ws ，所以此时的金半接触是阻挡层接触，半导体表面能带向上弯曲。 （2分） ⑶ 势垒的宽度为：

1/2

0141/21916

52(

)2128.8510 1.02()1.610103.710()

r D D

V d qN cm εε---=????=??=? （2分）