1、共 9 页 第 1 页 (luobin考研复习卷 ) 东南大学 考 研 复 习 卷 (A 卷 ) 课程名 称 半导体物理 929 编辑时 间 2013-1 得分 适用专 业 电子科学 与技术 考试形 式 闭卷 考试时间长 度 180 分 钟 室温下 0 0.026k T eV ， 电子 电量 -191.6 10eC 。 一、 填空题 （每 空 1 分，共 35 分） 1. 硅原子作为杂质原子掺入砷化镓样品中 ， 设杂质浓度为 15 310cm ，其中 10%硅原子取代砷， 90%硅原子取代镓， 如果 硅原子全部电离，本征激发可忽略不计 。则该半导体为 _ 型半导体， 10%硅原子取代砷 的 这
2、些硅相当于 _ 杂质 。 2. 半导体中掺杂浓度很高时，杂质电离能 _ （填“增大、减小、不变”） ； 在重掺杂的简并半导体中 ， 杂质浓度很高 ， 杂质原子相互靠近 ， 被杂质原子束缚的电子的波函数显著重叠 ， 这时电子作共有化运动 ，产生的结果是 _ 。如果掺杂浓度过高，杂质能带会进入导带或 者价带，能带状态密度发生变化，产生 _效应。 3. 间接复合作用下的 非平衡载流子的寿命 0000( ) ( )()n l p lt n pc n n n c p p pN c c n p p ，式中ln 代表 _ 。 已知半导体禁带宽度 1.35gE eV ， 小注入条件下，复合中心能级 tE 在
3、导带底下方 0.12eV ，费米能级在 价带顶上方 0.31eV ，则非平衡载流子的寿命可化简为 _ 。 4. 迁移率表示单位场强下载流子的平均漂移速度 。 影响半导体载流子迁移率主要有两大因素，一个 是 _ ，另一 个 是通过 _ 来影响平均自由时间。 5. 电中性是内建电场产生的原因。只要破坏了电中性，就会产生扩散与漂移电流并存的情形，除了载流子浓度不均匀， _ 和 _ 也会导致内建电场。 6. 影响 pn 结内建电势差的因素有 _ 、 _ 、 _ 等参数，在相同条件 下半导体材 料 Si 、 Ge 和 GaAs 中 _ 的 内建电势差 DV 最大 。 7. 制造晶体管一般是在高杂质浓度的
4、 n 型衬底上外延一层 n 型的外延层，再在外延层中扩散硼、磷而成。 n 型硅单晶衬底是掺锑的，锑的电离能为 0.039eV ，室温下时的 FE学号姓名密封线共 9 页 第 2 页 (luobin考研复习卷 ) 位于导带底下方 0.026eV 处， 半导体的状态为 _ （填“简并”，“弱简并”或“非简并”）， 判断的依据为 _ 。 8. 强电场效应会使半导体器件的载流子速度达到饱和，还可能使载流子成为热载流子，影响器件性能。半导体器件的热载流子由于具备高能量，常常会导致载流子_ ；热载流子可与晶格发生碰撞电离，利用这一原理可以制备_ 器件。 9. 早期锗硅等半导体材料常利用测其电阻率的办法来估
5、计纯度，室温下较纯 Ge 样品的电子迁移率 23900 /n cm V s ，锗原子密度 22 34.42 10 cm ，若测得室温下电阻率为 10 cm ，则 利用此方法测得 n 型锗的 掺杂浓度 为 _ ，这种测量方法来估计纯度 的局限性是 _ 。 10. 金属的费米能级位于导带之上， n 型 半导体与金属接触形成整流接触，那么半导体与金属的功函数哪个大？ _ 。 由于 半导体与金属之间存在整体载流子水平差异，所以会产生载流子（电子）的扩散，形成内建电场；内建电场几乎全部建立在半导体一侧的原因是 _ 。具有整流接触的金 -半接触称为肖特基接触，肖特基结相比普通 pn 结，在高频高速器件具有
6、更重要的作用， 其原因在于肖特基接触不存在电荷存储现象。肖特基接触不存在电荷存储现象的原因是 _ 。 制造 pn 结可选用的技术主要有合金、扩散、外延生长、 _ 等，用掺杂制作 pn 结克服了金 -半接触的一大缺点 ： _ 。 11. 下图 是 p 型 半导体的能带图。 三图中 哪些图 表明半导体 存在电流？ _ 。 图b 中电子的运动方向为 _ (填“向左”或“向右” )； 图 c 左边与右边哪边电势高？ _ ， 空穴 的 扩散 方向为 _ (填“向左”或“向右” )。 图 a 图 b 图 c 12. 非平衡载流子通过 _ 作用而消失，非平衡载流子的 _ 叫做寿命 ，寿命 与 _ 在 _ 中
7、的位置密切相关。对于 p 型 半导体， 本CE VE FE FE CE VE CE VEFE 共 9 页 第 3 页 (luobin考研复习卷 ) 征载流子浓度为 in ，电子浓度为 0n ， 复合系数为 r ， 忽略间接复合， 小注入条件下 由直接复合决定的非平衡载流子 寿命 约 为 _ 。 二、 简答题 （共 72 分） 1.(14 )分 下图分别是半导体材料 Si 、 Ge 和 GaAs 的能带结构示意图。 (1)Si 、 Ge 为间接 带隙半导体， GaAs 为 直接 带隙半导体，判断的依据是什么？ 直接 带隙半导体相对于 间 接带隙半导体具有什么优势？ (2)GaAs 导带不止一个极
8、小值 (能谷 )，在 111方向布里渊区边界 L 处还有一个极小值，有效质量为 00.55m 。 L 处的能量极小值比布里渊区中心处的仅高 0.29eV ， GaAs 这两个能量接近的能谷使其电学特性有别于 Si 和 Ge ，试 解释 说明这种区别。 (3)Si 、 Ge 和 GaAs 导带底的 电子 有效质量是张量还是标量， 判断的 依据是什么？ 共 9 页 第 4 页 (luobin考研复习卷 ) 2.(10 )分 硅 pn 结 p 区掺杂浓度远小于 n 区掺杂浓度，在 小注入 条件下 ， 分析在偏压下 电子和空穴 在 中性区、扩散区和势垒区 中的运动情况（漂移和扩散的方向及相对大小）。
9、3.(12 )分 pn 结击穿主要有哪些？说明各种击穿产生的原因和条件， 并 分析影响它们的主要因素。 4.(12 )分 半导体中有几种导电粒子，各有什么特性？何谓电中性？ 5.(10 )分 何为扩散电容和势垒电容？为什么大的正偏电压以扩散电容为主，反向偏压下以势垒电容为主？ 共 9 页 第 5 页 (luobin考研复习卷 ) 6.(14 分 )一个半导体棒，光照前处于热平衡态，光照后处于稳定态，分别 由 右图给出的能带图来描述。设室温时的本征载流子浓度 10 31 10in cm 。 (1)解释说明热平衡态、非平衡态和稳态三个概念； (2)当棒被光照 后 ，“小注入”条件成立吗？试说明理由
10、； (3)恒定光照在半导体棒上，非平衡载流子的产生率 15 3 14 10opG cm s ，求撤去光照5us 时 准费米能级之间的差 。 三、 计算 题 （ 共 43 分） 1.(13 )分 单晶硅中均匀地 掺入两种杂质：掺硼 16 31.5 10 cm ,掺磷 15 35.0 10 cm 。室温下： 221 3 5 0 / , 4 8 0 /npc m V s c m V s ， 10 31.5 10in cm ， 19 3CN 2.8 10 cm ，19 3VN 1.1 10 cm ； 600K 时： 10 36 10in cm 。 (1)求 室温下费米能级位置 及 电 导率 ； (2)
11、求 600K 下载流子浓度 ， 并分析 载流子 浓度变化的 原因 。 共 9 页 第 6 页 (luobin考研复习卷 ) 2.(15 )分 如果 稳定光照射在 一块 均匀掺杂的 n 型半导体中均匀产生非平衡载流子， 产生率为 14 3 13 10opG cm s ， 且无外场作用 ， 空穴迁移率 2430 /p cm V s ， 5p us ，半导体的长度远远大于空穴的扩散长 度， 如 图 所示。假设样品左侧存在表面复合， 表面复合 率为 1 1 2 17 .5 1 0sU cm s ，比例系数 (表面复合速度 )为 s 。 (1)求比例系数 s ； (2)什么位置时非平衡载流子的浓度为 9
12、31.25 10 cm ？ （ 提示： 非平衡载流子的复合只是在表面非常薄的一层内发生，所以 非平衡载流子的表面复合率只是以边界条件出现：0s p xdpUDdx ， 非平衡载流子的连续性方程 为22p p p ppp p d p pD p gt x d x x ） 共 9 页 第 7 页 (luobin考研复习卷 ) 3.(15 )分 下表列出了 T=300K 下 Si 和 Ge 的相关系数： 各 项 参 数 tm lm ()phm ()plm dnm dpm ()gE eV Si 00.197m 00.92m 00.49m 00.16m 00.55m 1.12 Ge 00.082m 01.
13、64m 00.28m 00.044m 00.56m 0.67 （ 1） 计算并 补充完表格； （ 2） 已知室温下（ T=300K ） Ge 的 19 3CN 1.05 10 cm 、 18 3VN 3.9 10 cm ，求室温下 Ge 的本征载流子浓度； （ 3） 解释说明有效质量、状态密度有效质量和电导有效质量这三个概念； （ 4） 证明 Si 沿 010 方向的电导有效质量 cm 满足 1 1 2 1()3c t lm m m。 共 9 页 第 8 页 (luobin考研复习卷 ) 半导体物理 考研复习 试卷（ A 卷） 简略 答案： 填空题 1. n； 受主 。 2. 减小；杂质能级扩
14、展为杂质能带；禁带变窄效应。 3. 热平衡时费米能级与复合中心能级重合时导带电子浓度；0lptnpcN 。 4. 载流子的有效质量 ；散射机制 。 5. 非平衡载流子 的注入；半导体受外界的影响程度不均等。 6. 掺杂浓度；温度；材料； GaAs 。 7. 弱简并； C F 00 E - E 2kT。 8. 进入介质层；雪崩二极管。 9. 15 31.6 10 cm ；当存在杂质补偿时，测量结果不能正确反映纯度。 10. 金属的大；金属的载流子浓度很大，相对电阻很小；肖特基接触仅用一种载流子 (电子 )输送电荷，在势垒外侧无过剩少数载流子的积累；离子注入；表面态。 11. 图 b；向左；右边；
15、 向右。 12. 复合；平均生存时间； 复合中心； 禁带； 02inrn。 简答题 1-5 略 6.(1)略 (2) 314026.0 26.0100 1020.2100 cmeenn Tk EEi iF ， 35020 1055.4 cmnnp i， 可以算出 1 0 31 1 0n p cm ，小注入 成立； (3) 1 0 31 1 0 opn p c m G 寿命 2.5us ， 51 0 9 32 . 50( ) 1 0 1 . 3 5 1 0tn p p e e c m ， 1 4 30 2 .2 0n n cm ， 931 .3 5 1 0p p cm ， 02 1 4 9 2
16、32 . 2 1 0 1 . 3 5 1 0 2 . 9 7 1 0F n F pEEkTin p n e 230 2 2 02 . 9 7 1 0l n 0 . 0 2 6 l n 0 . 2 0 810F n F p inpE E k T e Vn 。 共 9 页 第 9 页 (luobin考研复习卷 ) 计算题 1. (1) FVE = E 0.182 eV ，电导率 0.768S/ cm ； (2) 1 5 3 1 6 3002 . 8 1 0 , 1 . 2 8 1 0n c m p c m 。 2. (1)方程： 22 0pppppDgx 解得 /12() ppx L x Lo p
17、 pp x G C e C e ,其中 p p pLD ；边界条件： () op ppG ，0s p xdpUDdx 得 /()pxLspop ppULp x G eD 2 3 9 30 1 1 . 1 8 / , 7 . 4 8 1 0 (0 ) 1 0p p p p pkTD c m s L D c m p c mq 比例系数 7 5 0 /(0 )sUs cm sp； (2) 3ln 2 5 .1 8 1 0px L cm 。 3. (1) 硅的 01.087dnmm ， 锗的 00.29dpmm ； (2) 13 31.6 10in cm ； (3) 有效质量是将晶体中 内部势场 作用概括在其中，有效质量的引入，使得处理晶体中的电子在外场作用下的运动问题时忽略难以确定的晶格力，使问题简单化。 为了将多能谷、椭球等能面的半导体与单能谷、球形等能面的 能态密度公式 统一起来 引入状态密度有效质量。 引入电导有效质量是 为了将多能谷、椭球等能面的半导体与单能谷、球形等能面的 电导率 公式 统一起来 。 (4) 1 2 3 1 2 31 ()3 3 3 3n n nJ q q q n q 1 2 311( ) ( 2 )33 n n nc t l cq q qm m m 1 1 2 1()3c t lm m m。
