半导体器件作业-有答案

1． 半导体硅材料的晶格结构是（ A ）

A 金刚石 B 闪锌矿 C 纤锌矿 2． 下列固体中，禁带宽度Eg最大的是（ C ） Ａ金属Ｂ半导体Ｃ绝缘体

3． 硅单晶中的层错属于（ C ）

Ａ点缺陷Ｂ线缺陷Ｃ面缺陷

4． 施主杂质电离后向半导体提供（ B ），受主杂质电离后向半导体提供（ A ），本征

激发后向半导体提供（ A B ）。 A 空穴 B 电子

5． 砷化镓中的非平衡载流子复合主要依靠（ A ）

A 直接复合 B 间接复合 C 俄歇复合 6． 衡量电子填充能级水平的是（ B ）

Ａ施主能级Ｂ费米能级Ｃ受主能级 D 缺陷能级

7． 载流子的迁移率是描述载流子( A )的一个物理量；载流子的扩散系数是描述载流子

( B ) 的一个物理量。

A 在电场作用下的运动快慢 B 在浓度梯度作用下的运动快慢

－－

8． 室温下，半导体 Si中掺硼的浓度为 1014cm3，同时掺有浓度为 1.1×1015cm3的磷，

则电子浓度约为（ B ），空穴浓度为（ D ），费米能级（ G ）；将该半导体升温至 570K，则多子浓度约为（ F ），少子浓度为（ F ），费米能级（ I ）。（已知：

－－

室温下，ni≈1.5×1010cm3，570K 时，ni≈2×1017cm3）

－－－－－

A 1014cm3 B 1015cm3 C 1.1×1015cm3 D 2.25×105cm3 E 1.2×1015cm

－3

F 2×1017cm3 G 高于Ei H 低于Ei I等于Ei

9． 载流子的扩散运动产生（ C ）电流，漂移运动产生（ A ）电流。

A 漂移 B 隧道 C 扩散

10. 下列器件属于多子器件的是（ B D ）

Ａ稳压二极管Ｂ肖特基二极管Ｃ发光二极管 D 隧道二极管

11. 平衡状态下半导体中载流子浓度 n0p0=ni2，载流子的产生率等于复合率，而当 np

Ａ大于Ｂ等于Ｃ小于

12. 实际生产中，制作欧姆接触最常用的方法是（ A ）

Ａ重掺杂的半导体与金属接触Ｂ轻掺杂的半导体与金属接触

13．在下列平面扩散型双极晶体管击穿电压中数值最小的是（ C ）

A BVCEO B BVCBO C BVEBO

14．MIS 结构半导体表面出现强反型的临界条件是（ B ）。（ VS为半导体表面电势；qVB=Ei-EF）

A VS=VB B VS=2VB C VS=0

15．晶体管中复合与基区厚薄有关，基区越厚，复合越多，因此基区应做得（ C ）

A．较厚 B．较薄 C．很薄 16．pn结反偏状态下，空间电荷层的宽度随外加电压数值增加而（ A ）。

A．展宽 B．变窄 C．不变 17．在开关器件及与之相关的电路制造中，（ C ）已作为缩短少数载流子寿命的有效手段。

A 钝化工艺 B 退火工艺 C 掺金工艺 18．在二极管中，外加反向电压超过某一数值后，反向电流突然增大，这个电压叫（ B ）。

A 饱和电压 B 击穿电压 C 开启电压

19．真空能级和费米能级的能值差称为（ A ） A 功函数 B 亲和能 C 电离电势

20. 平面扩散型双极晶体管中掺杂浓度最高的是（ A ） A 发射区 B 基区 C 集电区

21．栅电压为零，沟道不存在，加上一个负电压才能形成 P 沟道，该 MOSFET 为（ A ）

A P 沟道增强型 B P 沟道耗尽型 C N 沟道增强型 D N 沟道耗尽型 二、判断题（共 20 分，每题１分） １．（√）半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。 ２．（√）半导体中的电子浓度越大，则空穴浓度越小。 ３．（×）半导体中载流子低温下发生的散射主要是晶格振动的散射。 ４．（×）杂质半导体的电阻率随着温度的增加而下降。 ５．（√）半导体中杂质越多，晶格缺陷越多，非平衡载流子的寿命就越短。 ６．（√）非简并半导体处于热平衡状态的判据是 n0p0=ni2。 ７．（√）MOSFET 只有一种载流子（电子或空穴）传输电流。 ８．（√）反向电流和击穿电压是表征晶体管性能的主要参数。 ９．（×）同一种材料中，电子和空穴的迁移率是相同的。 10．（√）MOS 型的集成电路是当今集成电路的主流产品。 １１．（√）平衡 PN 结中费米能级处处相等。 １２．（√）能够产生隧道效应的 PN 结二极管通常结的两边掺杂都很重，杂质分布很陡。 １３．（√）位错就是由范性形变造成的，它可以使晶体内的一原子或离子脱离规则的周期

而位移一段距离。 １４．（√）在某些气体中退火可以降低硅-二氧化硅系统的固态电荷和界面态。 １５．（√）高频下，pn结失去整流特性的因素是pn结电容 １６．（×）pn结的雪崩击穿电压主要取决于高掺杂一侧的杂质浓度。 １７．（√）要提高双极晶体管的直流电流放大系数α、β值，就必须提高发射结的注入系

数和基区输运系数。 １８．（√）二氧化硅层中对器件稳定性影响最大的可动离子是钠离子。 １９．（×）制造 MOS 器件常常选用[111]晶向的硅单晶。 ２０．（√）场效应晶体管的源极和漏极可以互换，但双极型晶体管的发射极和集电极是不

可以互换的。

三、名词解释 (共 15 分，每题 5分，给出关键词得 3分) 1．雪崩击穿

随着 PN 外加反向电压不断增大，空间电荷区的电场不断增强，当超过某临界值时，载流子受电场加速获得很高的动能，与晶格点阵原子发生碰撞使之电离，产生新的电子—空穴对，再被电场加速，再产生更多的电子—空穴对，载流子数目在空间电荷区发生倍增，犹如雪崩一般，反向电流迅速增大，这种现象称之为雪崩击穿。

2．非平衡载流子

由于外界原因，迫使半导体处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态，其载流子浓度可以比平衡状态时多出了一部分，比平衡时多出了的这部分载流子称为非平衡载流子。

3．共有化运动

当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有了一定程度的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少。原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。 四、问答题（22 分）

1．简述肖特基二极管的优缺点。（6 分，每小点 1 分） 优点：（ 1 ）正向压降低 （ 2 ）温度系数小

（ 3 ）工作频率高。 （ 4 ）噪声系数小

缺点：（ 1 ）反向漏电流较大

（ 2 ）耐压低

2．MIS 结构中，以金属—绝缘体—P 型半导体为例，半导体表面在什么情况下成为积累层？什么情况下出现耗尽层和反型层？（6 分，每小点 2 分）

积累状态：当金属与半导体之间加负电压时，表面势为负值，表面处能带向上弯曲，表面层内就会出现空穴的堆积。（ 2 分）

耗尽状态：当金属与半导体之间加正电压时，表面势为正值，表面处能带向下弯曲，表面处的空穴浓度较体内的低得多，这种状态就叫做耗尽状态。（ 2 分）

反型状态：当正电压进一步增加时，能带进一步向下弯曲，使表面处的费米能级高于中央能级 E i，这意味着表面的电子浓度将超过空穴浓度，形成反型层。（ 2 分）

3．如何加电压才能使 NPN 晶体管起放大作用。请画出平衡时和放大工作时的能带图。 答：要使NPN晶体管起放大作用，发射结要加正向偏压，集电结反向偏压。放大工作时的能带图如下

五、计算题（共 13 分，其中第一小题 5分，第二小题 5 分，第三小题 3 分）

1. 计算 （1）掺入 ND 为 1×1015 个/cm3 的施主硅，在室温（300K）时的电子 n0 和空穴浓度 p0，其中本征载流子浓度 n i=2×1010 个/cm3。

（ 2）如果在（1）中掺入 NA=5×1014 个/cm3 的受主，那么电子 n0 和空穴浓度 p0 分别为多少？

（3）若在（1）中掺入 NA=1×1015 个/cm3 的受主，那 么电子 n0 和空穴浓度 p0 又为多少？

一、填空题（共25分 每空１分）

１、硼、铝、镓等三族元素掺入到硅中，所形成的能级是受主（施主能级或受主能级）；砷、

磷等五族元素掺入到硅中，所形成的能级是 施主（同上）。 ２、平衡状态下，我们用统一的费米能级ＥＦ来标志电子填充能级的水平，在非平衡状态下，

导带中的电子填充能级的水平是用 导带费米能级

（ＥＦn）来衡量，价带中电子填充能级的水平是用 价带费米能级 （ＥＦp）来衡量。

３、载流子的散射机构主要有 电离杂质散射和 晶格振动散射。 ５、ＰＮ结击穿共有三种：雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿 ６、晶体管的品种繁多，按其结构分可分为双极型、MOS晶体管。

在电子电路应用中，主要有两种接法即：共基极和共射极，其 标准偏置条件为：发射极正向偏置、 集电极反向偏置。

７、P型半导体的MIS结构外加栅压时，共有三种状态： 积累 、 耗尽、反型 。

８、真空能级和费米能级的能量差称为功函数，真空能级和半导体导带底的能量差称为亲和

能。

9、在二极管中，外加反向电压超过某一数值后，反向电流突然增大，这个电压叫击穿电压。 10、晶体管中复合与基区厚薄有关，基区越厚，复合越多，因此基区应做得

较薄（较厚或较薄）。

11、载流子的扩散运动产生扩散电流，漂移运动产生漂移电流。 12、在开关器件及与之相关的电路制造中，掺金工艺已作为缩短少数载流子寿命的有效手段。 二、判断题（共10分，每题1分）

1、位错是半导体材料中的一种常见的线缺陷。（R）

2、在高温本征激发时，本征激发所产生的载流子数将远多于杂质电离所产生的载流子数。（R）

3、电离杂质散射与半导体中杂质浓度成正比。（R）

4、由注入所引入的非平衡载流子数，一定少于平衡时的载流子数，不管是多子还是少子。（F）

5、非平衡少子浓度衰减到产生时的1/e时的时间，称为非平衡载流子的寿命。 （R）

6、俄歇复合是一种辐射复合。（ F）

7、爱因斯坦关系式表明了非简并情况下载流子的迁移率和扩散系数直接的关系。 （R）

8、在大的正向偏压时，扩散电容起主要的作用。（R） 9、齐纳击穿是一种软击穿。( F )

10、半导体的电导率随掺杂浓度的增加而增加。（R） 二、选择题：（单选多选均有 共２０分 每题２分） １．下列对纯净半导体材料特性叙述正确的是 A、D

Ａ 半导体的电阻率在导体和绝缘体之间 Ｂ 半导体的电阻率随温度的上升而升高。 Ｃ 半导体的电阻率随温度的上升而减小。 Ｄ 半导体的电阻率可以在很大范围内变化。 ２．下列器件中导电载流子是多子器件的是 B

Ａ 稳压二极管 Ｂ 肖特基二极管Ｃ 发光二极管Ｄ变容二极管

３．电子的迁移率是 A 空穴的迁移率。

Ａ 大于 Ｂ 等于 Ｃ 小于 ４．下列固体中，禁带宽度Eg最大的是 C

Ａ 金属 Ｂ 半导体 Ｃ 绝缘体 ５．半导体与金属Al形成良好的欧姆接触的结构形式有 B、D

Ａ Al-n-n+ Ｂ Al-n+-n Ｃ Al-p-p+ D Al-p+-p ６．晶体中内层电子有效质量 A 外层电子的有效质量。

Ａ 大于 Ｂ 等于 Ｃ 小于 Ｄ 不一定

７．原子构成的平面在x、y、z轴上的截距分别为－２、３、４，则其密勒指数为 A Ａ （６，４，３） Ｂ（６，４，３） C （２，３，４） D（２，３，４）

８．Pn结耗尽层中（如图所示）电场强度最大的地方是 C

Ａ pp’ Ｂ xx’ Ｃ nn’ Ｄ 一样大 P’ x’ n’

P N P x n

９．最能起到有效的复合中心作用的杂质是 A

Ａ 深能级杂质 Ｂ 浅能级杂质 Ｃ 中等能级杂质 １０．在下列半导体中，费米能级最高的是 C

A 强P型 B 弱P型 C 强N型 D 弱N型 三、名词解释(共15分 每题5分) １、准费米能级

费米能级和统计分布函数都是指的热平衡状态，而当半导体的平衡态遭到破坏而存在非平衡载流子时，可以认为分就导带和价带中的电子来讲，它们各自处于平衡态，而导带和价带之间处于不平衡态，因而费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然是适用的，可以分别引入导带费米能级和价带费米能级，它们都是局部的能级，称为“准费米能级”，分别用EFn、EFp表示。

２、直接复合、间接复合

直接复合—电子在导带和价带之间直接跃迁而引起电子和空穴的直接复合。 间接复合—电子和空穴通过禁带中的能级（复合中心）进行复合。

３、扩散电容

PN结正向偏压时，有空穴从P区注入N区。当正向偏压增加时，由P区注入到N区的空穴增加，注入的空穴一部分扩散走了，一部分则增加了N区的空穴积累，增加了载流子的浓度梯度。在外加电压变化时，N扩散区内积累的非平衡空穴也增加，与它保持电中性的电子也相应增加。这种由于扩散区积累的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为P-N结的扩散电容。用CD表示。

四、问答题（２４分）

１、画出杂质半导体电阻率与温度的关系图，并分析该图。（8分） AB：温度很低，本征激发可忽略，载流子主要上

由杂ρ质提供，它随温度增加而增加，散射主要由 C 电离杂质决定，迁移率随温度的增加而增加，

所以电阻率随温度的 A D 增加而下降。（2分）

BC：温度继续升高，杂质已全部电离，载 B 流子浓度基本不变，晶格振动散射上升为主要矛盾，迁 移率随温度的升高而下降，所以电阻率随温度的升高而 增大。（2分）

CD：温度继续升高，大量本征载流子的产生远远T

超过迁移率减小对电阻率的影响，电阻率随温度的升高而急剧下降。 ２．MOSFET与双极晶体管相比有何优点？（6分）

MOS管：多子器件，驱动能力强，易集成，功耗低，适合于大规模集成电路，现已成为超

大规模集成电路的主流形式。（3分）

双极器件：少子器件，速度较快，但集成度较低，功耗大，不适合于大规模集成电路。（3分）

３．MIS结构中，P型半导体表面在什么情况下成为积累层？什么情况下出现耗尽层和反型

层？并请画出相应的能带图。（１０分）

EFM ECECEC

EV EFM EV EFM EV

积累状态耗尽状态反型状

积累状态：当金属与半导体之间加负电压时，表面势为负值，表面处能带向上弯曲，表面层内就会出现空穴的堆积。（2分）

耗尽状态：当金属与半导体之间加正电压时，表面势为正值，表面处能带向下弯曲，表面处的空穴浓度较体内的低得多，这种状态就叫做耗尽状态。（2分）

反型状态：当正电压进一步增加时，能带进一步向下弯曲，使表面处的费米能级高于中央能级E

I，这意味着表面的电子浓度将超过空穴浓度，形成反型层。（2分）

五、计算题（6分）

１．设空穴浓度是线性分布，在3um内浓度差为1015 cm-3,Ｄp=10.8cm2/s,试计算空穴扩散电

dP-1915-4-2= —1.6×10×10.8×(10/3×10)= —5.76 (A /cm) dx流密度。 （q=1.6×10 -19 C）

J=—qDp

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