半导体器件物理课后作业
第二章
对发光二极管（LED）、光电二极管（PD）、隧道二极管、齐纳二极管、变容管、快恢复二极管和电荷存储二极管这7个二端器件，请选择其中的4个器件，简述它们的工作原理和应用场合。
解：
发光二极管
它是半导体二极管的一种，是一种固态的半导体器件，可以把电能转化成光能；常简写为LED。
工作原理：发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少是不同的，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短；反之，则发出的光的波长越长。
应用场合：常用的是发红光、绿光或黄光的二极管，它们主要用于各种LED显示屏、彩灯、工作（交通）指示灯以及居家LED节能灯。
光电二极管
光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性，但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。
工作原理：普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光，而电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子—空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流迅速增大到几十微安，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
光电二极管有多种类型，用途也不尽相同，主要有以下几种：
PN型特性：优点是暗电流小，一般情况下，响应速度较低。
用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。
PIN型特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应
用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真
发射键型特性：使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体
用途：主要用于紫外线等短波光的检测
雪崩型特性：响应速度非常快，因具有倍速做用，故可检测微弱光
用途：高速光通信、高速光检测
隧道二极管
隧道二极管（Tunnel Diode）又称为江崎二极管，它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。隧道二极管是采用砷化镓（GaAs）和锑化镓（GaSb）等材料混合制成的半
导体二极管，其优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。
工作原理：隧道二极管的工作符合发生隧道效应具备的三个条件：①费米能级位于导带和满带内；②空间电荷层宽度必须很窄（0.01微米以下）；③简并半导体P型区和N型区中的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。隧道二极管的工作原理是量子力学领域的隧道效应。所谓“遂道效应”就是指粒子通过一个势能大于总能量的有限区域。这是一种量子力学现象，按照经典力学是不可能出现的。
应用场合：隧道二极管可以被应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中（其工作频率可达毫米波段），也可以被应用于高速开关电路中。
齐纳二极管
工作原理：齐纳二极管主要工作于逆向偏压区，在二极管工作于逆向偏压区时，当电压未达崩溃电压以前，反向偏置的PN结中只有一个很小的电流，这个漏电流一直保持一个常数，直到反向电压超过某个特定的值，即当逆向电压达到崩溃电压时，每一微小电压的增加就会产生相当大的电流，此时二极管两端的电压就会保持于一个变化量相当微小的电压值(几乎等于崩溃电压)，下图为齐纳二极管之电压电流曲线。如果没有一些外在的措施来限制电流的话，它可能导致器件的损坏。反向击穿通常设置了固态器件的最大工作电压。然而，如果采取适当的预防措施来限制电流的话，反向击穿的结可以作为一个非常稳定的参考电压。
图一齐纳二极管的反向击穿电流电压曲线
导致反向击穿的一个机制是avalanche multiplication。考虑一个反向偏置的PN结。耗尽区随着偏置上升而加宽，但还不够快到阻止电场的加强。强大的电场加速了一些载流子以非常高的速度穿过耗尽区。当这些载流子碰撞到晶体中的原子时，他们撞击松的价电子且产生了额外的载流子。因为一个载流子能通过撞击来产生额外的成千上外的载流子就好像一个雪球能产生一场雪崩一样，所以这个过程叫avalanche multiplication。
反向击穿的另一个机制是Tunneling。Tunneling是一种量子机制过程，它能使粒子在不管有任何障碍存在时都能移动一小段距离。如果耗尽区足够薄，那么载流子就能靠Tunneling 跳跃过去。Tunneling电流主要取决于耗尽区宽度和结上的电压差。Tunneling引起的反向击穿称为齐纳击穿。
应用场合：齐纳二极管多被应用于稳压以及静电防治的场合。当用作稳压管时通常需串联一降压电阻( R )后才接至电源，但电压源(E)一定要高于期纳二极管的崩溃电压，否则就无法发挥齐纳二极管的稳压作用。
变容二极管
变容二极管(Varactor Diodes)为特殊二极管的一种，也称为压控变容器，是根据所提供的电压变化而改变结电容的半导体。
工作原理：我们可以把它看成一个PN结，当外加正向偏压时，有大量电流产生，PN （正负极）结的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；如果在PN结上加一个反向电压V（变容二极管是反向来用的），则N型半导体内的电子被引向正极，P型半导体内的空穴被引向负极，然后形成既没有电子也没有空穴的耗尽层，该耗尽层的宽度我们设为d，随着反向电压V的变化而变化。如此一来，反向电压V增大，则耗尽层d变宽，二极管的电容量C就减少（根据C=kS/d），而耗尽层宽d变窄，二极管的电容量变变大。反向电压V 的改变引起耗尽层的变化，从而改变了压控变容器的结容量C并达到了目的。
应用场合：作为可变电容器，可以被应用于FM调谐器及TV调谐器等谐振电路和FM 调制电路中。
快恢复二极管
快恢复二极管（FRD）是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，它的最主要特点是它的反向恢复时间（trr)在几百纳秒（ns)以下，超快恢复二极管甚至能达到几十纳秒。所谓反向恢复时间（trr)，它的定义是：电流通过零点由正向转换成反向，再由反向转换到规定低值的时间间隔。它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。反向恢复电流的波形如图2所示。
图中IF为正向电流，IRM为最大反向恢复电流，Irr为反向恢复电流，通常规定Irr=0.1IRM。当t≤t0时，正向电流I=IF。当t＞t0时，由于整流管上的正向电压突然变成反向电压，因此，正向电流迅速减小，在t=t1时刻，I=0。然后整流管上的反向电流IR逐渐增大；在t=t2时刻达到最大反向恢复电流IRM值。此后受正向电压的作用，反向电流逐渐减小，并且在t=t3时刻达到规定值Irr。从t2到t3的反向恢复过程与电容器放电过程有相似之处。由t1到t3的时间间隔即为反向恢复时间trr。
应用场合：用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。
5V 图示TTL 电路，当输入V i 分别为3.6V 和0.3V 时，试定性分析电路中各晶
体管的工作状态（四种工作模式之一），说明该电路的逻辑功能。设晶体管发射结的导通压降为0.7V 。
定性分析该电路的动态特性：输入电压V i 波形如图所示，试画出输出电压
V 0波形，解释原因。
解：
当输入V i 为3.6V 时，T 1管和T 2管都同时导通，T 1管工作在放大状态，T 2管工作在深度饱和状态；若不考虑T 2的存在，T 1的基极电压V B ≈V IH +V ON =3.6V ，但当T2存在的情况下，T 2的发射结必然会导通，此时T 1的基极电压被钳制在了1.4V ，所以T 1的基极电压实际上不可能是3.6V ，只能是1.4V 左右，T 2管导通后处于深度饱和状态，它的集电极和发射极之间的饱和压降V CE （sat ）≈0，故输出V 0=0。
当输入V i 为0.3V 时，T 1管导通T 2管截止，T 1管工作在深度饱和状态，T 2管工作在截止状态；此时T 1管的发射结必然导通，导通后T 1管的基极电压被钳制在V B ≈V IH +V ON =1.0V ，由于T 1管的集电极回路电阻是R C 和T 2管的b-c 结反向电阻之和，阻值非常大，因而T 1管工作在深度饱和状态，使集电极和发射极之间的饱和压降V CE （sat ）≈0，因此T 2管的发射结不会导通，故T 2管工作在截止状态，R C 上几乎无电流通过，故输出V 0=+5V 。
由以上分析可知，当输入为高电平是输出为低电平，而输入为低电平时输出为高电平，因此输入与输出之间是反相关系，所以该电路的逻辑功能就是一个反相器（非门）。 在动态情况下，亦即三极管在截止与饱和导通两种状态间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间，因而集电极电流i C 的变化将滞后于输入电压V i 的变化。在接成三极管电路以后，电路的输出电压V 0的变化也必然滞后于输入电压V i 的变化，故输出波形如图3：
3.6V
0.3V V i
V 0 +V CC (+5V)
R B R C T 1 T 2 V i
3.6V
t 0
V 0
0 t V i
3.6V
t 0 V 0 0 t
图3
说明HEMT （高电子迁移率晶体管）相对于MESFET （金属—半导体场效应晶体管）的主要优点，解释原因。
解：
砷化嫁（GaAs ）晶体是一种电学性能优越的III —V 族化合物半导体材料，以其为衬底制作的半导体器件及其集成电路由于具有信息处理速度快、超高频、低功耗、低噪声等突出的优点而得到广泛应用。HEMT （高电子迁移率晶体管）和MESFET （金属—半导体场效应晶体管）是GaAs 电路中最常用，也是最成熟的器件。
HEMT 的主要优点是：①有优良的迁移率 →可使电路实现超高频、超高速而且噪音低。
②在极低温度下都不会“冻结”→不会复合消失。
③沟道中的电子集中在紧靠界面的很小(10~20nm) 范围内→短
沟道效应很弱，有利于缩短沟道。
④低压工作。
图4 异质结能带图
由图4可以看出：当势阱较深时，电子基本上被限制在势阱宽度所决定的薄层内，电子（或空穴）在平行于界面的平面内可自由运动，而在垂直于界面的方向受到限制，有量子化的能级。以上异质结，重掺杂的n ＋AlGaAs 区提供电子，而电子的输运过程可以在不掺杂的GaAs 二维电子气势阱中进行。由于两者在空间中是分开的，就可以消除电子在输运过程中所受到的电离杂质散射作用，从而大大提高电子的迁移率。
图5比较了调制掺杂沟道与体材料的迁移率，从图中可以看出，既然在MESFET 和JFET 中，沟道必须掺杂到适当的水平（>1017cm -3），因此在所有有的温度下，调制掺杂沟道的迁移率都高得多。
E C1
E C2 E V1 E V2 E
F n +-AlGaAs
GaAs
0 V(z)
E F E 0 E 1 图5 在不同掺杂水平下，调制掺杂沟
道与体材料的迁移率的比较
调制掺杂异质结中的二维电子气除了具有非常高的迁移率以外，还具有一种独特的性质就是：即使在极低温度下都不会“冻结”——不会复合消失。因为提供这些二维电子气的电离杂质中心都是处在异质结的另一侧的，即在空间上自由电子与电离杂质中心是分离开来的，所以，当温度降低时，这些电子也无法回到杂质中心上去，从而在极低温度下它们也不会消失，能够正常工作。
相比MESFET，HEMT增加了一层AlGaAs势垒，因而它能够承受更高的栅压，既然HEMT 对沟道厚度没有限制（L/a≥π），那么它也具有更好的按比例缩小能力。
HEMT的另一个优点是低压工作，这是因为驱动器件进入速度饱和需要的εc小。
第五章
试论述非挥发性存储器的类型和工作原理。
非挥发半导体存储器有如下几种类型：
掩膜编程ROM——存储器的内容由制造商灌入，在制造好后，内容不能再编程，掩膜编程ROM有时被简单的称为ROM。
PROM（可编程ROM）——可编程ROM有时被称为场可编程ROM或可熔连接ROM，阵列的连通性由用户通过烧断或反烧断技术来编程，在编程以后，PROM可以像ROM一样工作。
EPROM（可擦除可编程ROM）——在电可编程ROM中，编程是由将热电子注入或遂穿到浮栅上实现的，他需要对源和控制栅进行偏置，用紫外线或X射线曝光可以实现整体擦除，他不能有选择的擦除。
Flash EEPROM（闪存电可擦除编程ROM）——Flash EEPROM能用电擦除，但只能大块单元同时擦除，它没有字选择线，一个单元只有一个晶体管，因此，它是EPROM和EEPROM的折衷。
EEPROM（电可擦除可编程ROM）——在电可擦除编程ROM中，不仅可以电擦除，而且有字选择线，为了实现选择性擦除，每一个单元需要一支选择晶体管，这样一个单元有两支晶体管。
非挥发RAM——该存储器可以看成具有很短编程时间和高保存时间的非挥发SRAM 或EEPROM。
对常规MOSFET的栅极加以改动，使得栅叠层内有可能存储半永久电荷时，新的结构就成为非挥发存储器。非挥发存储器有两大类：一类为浮栅器件，另一类为电荷陷阱器件。在两类器件中，电荷均从硅衬底通过第一绝缘体注入并存储于浮栅内或存储于氮化物界面，存储的电荷引起阈值电压移动，器件处于高阈值电压状态（可编程），为了使器件返回到低阈值电压状态（被擦除），可以施加栅电压或采取其他措施（例如紫外光）来擦除存储电荷。
浮栅器件工作原理：在浮栅器件中，电荷被注入到浮栅中以改变阈值电压，有两种编程的方式：一是热电子注入，另一个是Fowler—Nordheim遂穿。在漏端附近，横向电场达到最大值，载流子（电子）从电场获得能量，变成热电子，当热电子的能量大于Si/SiO2界面的势垒时，它们就能越过势垒注入到浮栅上。在常规的MOSFET中，热电子注入电流会引起等值的栅电流。
除了热载流子注入外，电子也可以通过遂穿注入，在这种编程方式中，底部氧化层的电场更关键，当正电压Vg加到控制栅时，在两种绝缘体的每一种内均建立起电场。
编程的机理无论是热电子注入还是遂穿，在充电后，因为栅是浮的，所以总的存储电荷Q等于注入电流的积分。
为了擦除存储的电荷，可在控制栅上加上负电压，或在源/漏加正电压，擦除过程与上
面所描述的遂穿过程相反，存储的电荷通过遂穿离开浮栅到达衬底。
电荷陷阱器件工作原理：在编程开始时，修正的Fowler—Nordheim遂穿可以产生较大电流，电流传导受限于氮化硅膜中Frenkel-Pool输运，当负电荷开始建立时，氧化层电场减小，电流开始受限于修正的Fowler—Nordheim遂穿，氧化层的厚度选择对编程速度影响很大，氧化层越薄，编程时间越短，因为氧化层太薄将导致已俘获的电荷通过遂穿返回硅衬底，所以需要在编程时间与电荷保持时间之间平衡。
在擦除动作中，在栅上加大的负偏压，通常认为，放电过程是由于被俘获的电子通过遂穿返回到衬底。
半导体器件物理课后作业 第二章 对发光二极管（LED）、光电二极管（PD）、隧道二极管、齐纳二极管、变容管、快恢复二极管和电荷存储二极管这7个二端器件，请选择其中的4个器件，简述它们的工作原理和应用场合。 解： 发光二极管 它是半导体二极管的一种，是一种固态的半导体器件，可以把电能转化成光能；常简写为LED。 工作原理：发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少是不同的，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短；反之，则发出的光的波长越长。 应用场合：常用的是发红光、绿光或黄光的二极管，它们主要用于各种LED显示屏、彩灯、工作（交通）指示灯以及居家LED节能灯。 光电二极管 光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性，但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。 工作原理：普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光，而电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子—空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流迅速增大到几十微安，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 光电二极管有多种类型，用途也不尽相同，主要有以下几种： PN型特性：优点是暗电流小，一般情况下，响应速度较低。 用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。 PIN型特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应 用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真 发射键型特性：使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体 用途：主要用于紫外线等短波光的检测 雪崩型特性：响应速度非常快，因具有倍速做用，故可检测微弱光 用途：高速光通信、高速光检测 隧道二极管 隧道二极管（Tunnel Diode）又称为江崎二极管，它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。隧道二极管是采用砷化镓（GaAs）和锑化镓（GaSb）等材料混合制成的半
半导体器件物理习题与参考文献 第一章习题1–1．设晶格常数为a的一维晶体，导带极小值附近能量为Ec(k)：?2k2?2(k?k1)2 Ec(k)??3mm?2k23?2k2?价带极大值附近的能量为：Ev(k)?式中m为电子能量，6mmk1??a?，试求：,a?禁带宽度；导带底电子的有效质量；价带顶空穴的有效质量。1–2．在一维情况下：利用周期性边界条件证明：表示独立状态的k值数目等于晶体的原胞数；?2k2设电子能量为E?，并考虑到电子的自旋可以有两种不同的取向，试*2mn*2mn证明在单位长度的晶体中单位能量间隔的状态数为N(E)?E?12。h1–3．设硅晶体电子中电子的纵向有效质量为mL，横向有效质量为mt 如果外加电场沿[100]方向，试分别写出在[100]和[001]方向能谷中电子的加速度；如果外加电场沿
[110]方向，试求出[100]方向能谷中电子的加速度和电场之间的夹角。?2k21–4．设导带底在布里渊中心，导带底Ec附近的电子能量可以表示为E(k)?Ec? *2mn*式中mn是电子的有效质量。试在二维和三维两种情况下，分别求出导带附近的状态密度。1–5．一块硅片掺磷10原子/cm。求室温下的载流子浓度和费米能级。1–6．若n 型半导体中Nd?ax，式中a为常数；Nd?N0e?ax推导出其中的电场。1–7．一块硅样品的Nd?1015cm?3，?p?1?s，GL?5?10cms，计算它的电导率和准费米能级。求产生10个空穴/cm的GL值，它的电导率和费米能级为若干？1–8．一半导体Na?1016cm?3,?n?10?s,ni?1010cm?3，以及GL?10cms，计算300K 时的准费米能级。1–9．一块半无限的n 型硅片受到产生率为GL的均匀光照，写出此条件下的空穴连续方程。若在x?0处表面复合速度为S，解新的连
半导体器件物理及工艺办法+施敏++答 案 半导体器件物理及工艺是半导体科学与工程领域的重要分支，涉及半导体器件的基本原理、结构和制造工艺等方面。本文将介绍施敏的《半导体器件物理及工艺》一书，并给出相应的答案。 一、半导体器件物理及工艺概述 半导体器件物理及工艺是研究半导体器件的基本原理、结构和制造工艺的学科。半导体器件具有高灵敏度、高可靠性、高速度等优点，在电子、通信、自动化等领域得到广泛应用。半导体器件物理及工艺的主要研究对象包括半导体材料、半导体器件的原理和结构、制造工艺等。 二、施敏《半导体器件物理及工艺》简介 施敏的《半导体器件物理及工艺》是一本经典的教材，系统地介绍了半导体器件的基本原理、结构和制造工艺。全书分为十章，包括半导体材料、半导体器件的基本原理、PN结二极管、双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、光电器件、半导体集成电路等。 三、施敏《半导体器件物理及工艺》答案 1.什么是半导体？请列举出三种常见的半导体材料。 答：半导体是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。常见的半导体材料包括硅、锗、砷化镓等。 2.简述PN结的形成及其基本性质。 答：PN结是由P型半导体和N型半导体相互接触形成的势垒区。PN结的基本性质包括单向导电性、电容效应和光电效应等。 3.解释双极晶体管的工作原理。
答：双极晶体管是由P型半导体和N型半导体组成的三明治结构，通过控制基极电流来控制集电极和发射极之间的电流，实现放大作用。 4.什么是金属氧化物半导体场效应晶体管？请简述其工作原理。 答：金属氧化物半导体场效应晶体管是一种电压控制型器件，通过改变栅极电压来控制源极和漏极之间的电流，实现放大作用。其工作原理是基于MOS结构的电容效应和隧道效应。 5.光电器件的基本原理是什么？请举例说明其应用。 答：光电器件的基本原理是光电效应，即光照射在物质表面上时，物质会吸收光能并释放电子，产生电流。光电器件的应用包括太阳能电池、光电传感器等。 6.请简述半导体的基本制备工艺流程。 答：半导体的基本制备工艺流程包括晶体制备、外延生长、薄膜制备、掺杂和刻蚀等步骤。其中，晶体制备是基础，外延生长和薄膜制备是关键步骤，掺杂和刻蚀是实现器件功能的重要手段。 7.请举例说明集成电路在现实生活中的应用。 答：集成电路在现实生活中的应用非常广泛，包括手机、电脑、电视等电子产品中的处理器、存储器、显示器等组件，以及医疗设备、交通工具等领域的控制电路和传感器等。
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 6-3．在受主浓度为3 16 10-cm 的P 型硅衬底上的理想MOS 电容具有0.1um 厚度的氧化层， 40=K ，在下列条件下电容值为若干？（a ）V V G 2+=和Hz f 1=，（b ） V V G 20=和Hz f 1=，（c ）V V G 20+=和MHz f 1=。 解答： （1）V V G 2+=，Hz f 1= 由 si B TH C Q V ψ+- =0 14 830004 048.8510 3.5410(/)0.110K C F cm x ε----??===?? )(70.010 5.110ln 02 6.02ln 2210 16 V n N V i a T f si =??===φψ si a s dm a B qN k x qN Q ψε02-=-= 7.010106.110854.8122161914???????-=-- )/(1088.42 8 cm C -?-= 则 )(08.270.01054.31088.48 8 0V C Q V si B TH =+??=+-=--ψ TH G V V < ，则 2 10 2 00 00) 21(εs a G s S k qN V C C C C C C C + = += 2 114 1619168 )1085.81210106.12 1054.321(1054.3---????????+?= )/(1078.128cm F -?= b) V V G 20=，Hz f 1= G TH V V >，低频
)/(1054.32 80cm F C C -?==∴ c) V V G 20+=,MHz f 1= G TH V V >，因为高频，总电容为0C 与S C 串联 820 min 3.4810(/)s s s dm k C C F cm x ε-== == =? 则 )/(1075.1280 cm F C C C C C s s -?=+= 6-4．采用叠加法证明当氧化层中电荷分布为)(x ρ时，相应的平带电压变化可用下式表示： () x FB q x x V dx C x ρ?=- ? 解答：如右图所示， 消除电荷电荷片dx x q )(ρ的影响所需平带电压： 000 000)()()()(C x dx x xq x x x k dx x q x C dx x q dV FB ρερρ-=-=-= 由 00x →积分： () x FB q x x V dx C x ρ?=- ? 6-6．利用习题6-3中的结果对下列情形进行比较。 (a) 在MOS 结构的氧化层中均匀分布着2 12 105.1-?cm 的正电荷，若氧化层的厚度为150nm ，计算出这种电荷引起的平带电压。 (b) 若全部电荷都位于硅-氧化硅的界面上，重复(a)。 (c) 若电荷成三角分布，它的峰值在0=x ，在0x x =处为零，重复(a)。 解答：（1) 电荷分布 00 )(Q dx x x =? ρ， 因为电荷均匀分布，所以 FB V ?
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 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E F n 、E F p 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。 装 订 班级 姓名 学号 成绩 常 州信息职业技术学院 2009 －2010 业技术学院 2009 －2010 学年第 一 2009 －2010 学年第 一
简答题答案： 1.空间电荷区是怎样形成的。画出零偏与反偏状态下pn结的能带图。 答：当p型半导体和n型半导体紧密结合时，在其交界面附近存在载流子的浓度梯度，它将引起p区空穴向n区扩散，n区电子向p区扩散。因此在交界面附近，p区留下了不能移动的带负电的电离受主，n区留下了不能移动的带正电的电离施主，形成所谓空间电荷区。 PN结零偏时的能带图： PN结反偏时的能带图： 2.为什么反偏状态下的pn结存在电容？为什么随着反偏电压的增加，势垒电容反而下降？答：①由于空间电荷区宽度是反偏电压的函数，其随反偏电压的增加而增加。空间电荷区内的正电荷与负电荷在空间上又是分离的，当外加反偏电压时，空间电荷区内的正负电荷数会跟随其发生相应的变化，这样PN结就有了电容的充放电效应。对于大的正向偏压，有大量载流子通过空间电荷区, 耗尽层近似不再成立，势垒电容效应不凸显。所以，只有在反偏状态下的PN结存在电容。 ②由于反偏电压越大，空间电荷区的宽度越大。势垒电容相当于极板间距为耗尽层宽度的平板电容，电容的大小又与宽度成反比。所以随着反偏电压的增加，势垒电容反而下降。 3.什么是单边突变结？为什么pn结低掺杂一侧的空间电荷区较宽？ 答：①对于一个半导体，当其P区的掺杂浓度远大于N区（即N d>>Na）时，我们称这种结为P+N；当其N区的掺杂浓度远大于N区（即Na >> N d）时，我们称这种结为N+P。这两类特殊的结就是单边突变结。 ②由于PN结空间电荷区内Ｐ区的受主离子所带负电荷量与Ｎ区的施主离子所带正电荷的量是相等的，而这两种带电离子是不能自由移动的。所以，对于空间电荷区内的低掺杂一侧，其带电离子的浓度相对较低，为了与高掺杂一侧的带电离子的数量进行匹配，只有增加低掺杂一侧的宽度。因此，ＰＮ结低掺杂一侧的空间电荷区较宽。 4.对于突变p+-n结，分别示意地画出其中的电场分布曲线和能带图： 答：①热平衡状态时： 突变p+-n结的电场分布曲线：
半导体器件物理施敏课后答案
1．半导体的晶格结构：金刚石型结构；闪锌矿型结构；纤锌矿型结构 2．原子的能级和晶体的能带 3．半导体中电子的状态和能带（重点，难点） 4．导体、半导体和绝缘体的能带（重点） 研究晶体中电子状态的理论称为能带论，在前一学期的《固体物理》课程中已经比较完整地介绍了，本节把重要的内容和思想做简要的回顾。 本授课单元教学手段与方法： 采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授 本授课单元思考题、讨论题、作业： 作业题：44页1题 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出） 1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005? 2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》?电子工业 出版社2005 3. 施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002 4. 方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社 5．曾谨言，《量子力学》科学出版社 注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案； 3. “重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体； 4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。
授课类型：理论课授课时间：2节 授课题目（教学章节或主题）： 第一章半导体的电子状态 1.3半导体中的电子运动——有效质量 1.4本征半导体的导电机构——空穴 本授课单元教学目标或要求： 理解有效质量和空穴的物理意义，已知e（k）表达式，能求电子和空穴的有效质量，速度和加速度 本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）： 1．半导体中e（k）与k的关系（重点，难点） 2．半导体中电子的平均速度 3．半导体中电子的加速度 4．有效质量的物理意义（重点，难点） 【篇二：《半导体器件物理》理论课程教学大纲】 =txt>课程编码：01222316 课程模块：专业方向课修读方式：限选开课学期：5 课程学分：2.5课程总学时：51 理论学时：36实践学时：15 一、课程性质、内容与目标 本课程是高等学校本科集成电路设计与集成系统、微电子技术专业必修的一门专业主干课，是研究集成电路设计和微电子技术的基础课程。本课程是本专业微电子技术方向限选课。
西安电子科技大学 考试时间120 分钟 《半导体物理2》试题 考试形式：闭卷；考试日期：年月日本试卷共二大题，满分100分。 班级学号姓名任课教师 一、问答题（80分） 1.什么是N型半导体？什么是P型半导体？如何获得？ 答：①依靠导带电子导电的半导体叫N型半导体，主要通过掺诸如P、Sb等施主杂质获得；②依靠价带空穴导电的半导体叫P型半导体，主要通过掺诸如B、In等受主杂质获得；③掺杂方式主要有扩散和离子注入两种；经杂质补偿半导体的导电类型取决于其掺杂浓度高者。 2.简述晶体管的直流工作原理（以NPN晶体管为例） 答：根据晶体管的两个PN结的偏置情况晶体管可工作在正向放大、饱和、截止和反向放大模式。实际运用中主要是正向放大模式，此时发射结正偏，集电结反偏，以NPN晶体管为例说明载流子运动过程； ①射区向基区注入电子；正偏的发射结上以多子扩散为主，发射区向基区注入电子，基区向发射区注入空穴，电子流远大于空穴流； ②基区中自由电子边扩散边复合。电子注入基区后成为非平衡少子，故存在载流子复合，但因基区很薄且不是重掺杂，所以大部分电子能到达集电结边缘； ③集电区收集自由电子：由于集电结反偏，从而将基区扩散来的电子扫入集电区形成电子电流，另外还存在反向饱和电流，主要由集电区空穴组成，但很小，可以忽略。 第1页共6页
3.简述MOS场效应管的工作特性（以N沟增强型MOS为例） 答：把MOS管的源漏和衬底接地，在栅极上加一足够高的正电压，从静电学的观点来看，这一正的栅极电压将要排斥栅下的P 型衬底中的可动的空穴电荷而吸引电子。电子在表面聚集到一定浓度时，栅下的P 型层将变成N 型层，即呈现反型。N 反型层与源漏两端的N 型扩散层连通，就形成以电子为载流子的导电沟道。如果漏源之间有电位差，将有电流流过。而且外加在栅极上的正电压越高，沟道区的电子浓度也越高，导电情况也越好。如果加在栅极上的正电压比较小，不足以引起沟道区反型，则器件仍处在不导通状态。引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为阀值电压。 4.画出MOS场效应管的工作曲线，并用文字说明各区域（以N沟增强型MOS为例） 线性区：V GS取一定的正电压，形成导电沟道。此时I DS与 V DS成正比，对应曲线OA范围，即线性区。 过渡区：V DS增大到一定程度时，沟道变窄，沟道电阻增大， I DS随V DS增加趋势变缓，对应曲线BC范围。 饱和区：V DS继续增大到一定值使沟道夹断，此时V DS继续 增大I DS基本保持不变，即达到饱和。 击穿区：如果V DS再继续增加，使漏端PN结反偏电压过大， 导致PN结击穿，使MOS晶体管进入击穿区。 5.晶体管的基极宽度会影响那些参数？为什么？ 答：①影响电流增益，定性分析W b越小，基区输运系数越大，从而电流增益越大； ②影响基区穿通电压，W b越小，越容易发生基区穿通现象；③影响特征频率f T，W b 越小，基区渡越时间越小，从而可提高特征频率；④影响基区串联电阻R b，W b越小， 基区串联电阻R b越大，另外宽基区晶体管不易引起电流集边效应。 第2页共6页
半导体物理与器件课后练习题含答案 1. 简答题 1.1 什么是p型半导体？ 答案： p型半导体是指通过加入掺杂物（如硼、铝等）使得原本的n型半导体中含有空穴，从而形成的半导体材料。具有p型性质的半导体材料被称为p型半导体。 1.2 什么是n型半导体？ 答案： n型半导体是指通过加入掺杂物（如磷、锑等）使得原本的p型半导体中含有更多的自由电子，从而形成的半导体材料。具有n型性质的半导体材料被称为n型半导体。 1.3 什么是pn结？ 答案： pn结是指将p型半导体和n型半导体直接接触形成的结构。在pn结的界面处，p型半导体中的空穴和n型半导体中的自由电子会相互扩散，形成空间电 荷区，从而形成一定的电场。当外加正向电压时，电子和空穴在空间电荷区中相遇，从而发生复合并产生少量电流；而当外加反向电压时，电场反向，空间电荷区扩大，从而形成一个高电阻的结，电流几乎无法通过。 2. 计算题 2.1 若硅片的掺杂浓度为1e16/cm³，电子迁移率为1350 cm²/Vs，电离能为1.12 eV，则硅片的载流子浓度为多少？ 解题过程：
根据硅片的掺杂浓度为1e16/cm³，可以判断硅片的类型为n型半导体。因此易知载流子为自由电子。 根据电离能为1.12 eV，可以推算出自由电子的有效密度为： n = N * exp(-Eg / (2kT)) = 6.23e9/cm³ 其中，N为硅的密度，k为玻尔兹曼常数（1.38e-23 J/K），T为温度（假定为室温300K），Eg为硅的带隙（1.12 eV）。 因此，载流子浓度为1e16 + 6.23e9 ≈ 1e16 /cm³。 2.2 假设有一n+/p结的二极管，其中n+区的掺杂浓度为1e19/cm³，p区的掺杂浓度为1e16/cm³，假设该二极管在正向电压下的漏电流为1nA，求该二极管的有效面积。 解题过程： 由于该二极管的正向电压下漏电流为1nA，因此可以利用肖特基方程计算出它的开启电压： I = I0 * (exp(qV / (nkT)) - 1) 其中，I0为饱和漏电流（假定为0），q为电子电荷量，V为电压，n为调制系数（一般为1），k为玻尔兹曼常数，T为温度。根据该方程可以计算出当电压为0.7V时，漏电流为1nA。 因此，该二极管的面积为： A = I / (q * n+ * exp(qV / (nkT))) 其中，n+为n+区的有效密度。 代入数据可得，该二极管的面积为： A = 0.107 mm²
施敏 半导体器件物理英文版 第一章习题 1. （a ）求用完全相同的硬球填满金刚石晶格常规单位元胞的最大体积分数。 （b ）求硅中（111）平面内在300K 温度下的每平方厘米的原子数。 2. 计算四面体的键角，即，四个键的任意一对键对之间的夹角。（提示：绘出四 个等长度的向量作为键。四个向量和必须等于多少？沿这些向量之一的方向 取这些向量的合成。） 3. 对于面心立方，常规的晶胞体积是a 3，求具有三个基矢：（0,0,0→a/2,0,a/2）， (0,0,0→a/2,a/2,0),和(0,0,0→0,a/2,a/2)的fcc 元胞的体积。 4. （a ）推导金刚石晶格的键长d 以晶格常数a 的表达式。 （b ）在硅晶体中，如果与某平面沿三个笛卡尔坐标的截距是10.86A ，16.29A ， 和21.72A ，求该平面的密勒指数。 5. 指出（a ）倒晶格的每一个矢量与正晶格的一组平面正交，以及 （b ）倒晶格的单位晶胞的体积反比于正晶格单位晶胞的体积。 6. 指出具有晶格常数a 的体心立方（bcc ）的倒晶格是具有立方晶格边为4π/a 的面心立方（fcc ）晶格。[提示：用bcc 矢量组的对称性： )(2x z y a a -+=，)(2y x z a b -+=，)(2 z y x a c -+= 这里a 是常规元胞的晶格常数，而x ，y ，z 是fcc 笛卡尔坐标的单位矢量： )(2z y a a +=，)(2x z a b +=，)(2 y x a c +=。] 7. 靠近导带最小值处的能量可表达为 .2*2*2*22 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=z z y y x x m k m k m k E 在Si 中沿[100]有6个雪茄形状的极小值。如果能量椭球轴的比例为5:1是常数，求纵向有效质量m*l 与横向有效质量m*t 的比值。 8. 在半导体的导带中，有一个较低的能谷在布里渊区的中心，和6个较高的能 谷在沿[100] 布里渊区的边界，如果对于较低能谷的有效质量是0.1m0而对 于较高能谷的有效质量是1.0m0，求较高能谷对较低能谷态密度的比值。 9. 推导由式（14）给出的导带中的态密度表达式。（提示：驻波波长λ与半导体
2006级《现代半导体器件》期末考试试卷A 标准答案 1. (1)对于P －Si 为衬底时：V n N q kT i A FP 29.010 5.110ln 02 6.0ln 10 15 =⨯⨯==ϕ，而氧化层电容：2 87 140/109.210 1209 .31085.8----⨯=⨯⨯⨯== cm F t C ox ox ox εε则 阈 值 电 压 () V C Q n N q kT C qN V ox ox ms i A ox FP D s TN 41.1109.2106.11038.029.02109.258.09.11106.1101085.82ln 222819 112 1 281915142 120-=⨯⨯⨯⨯--⨯+⎥⎥⎦ ⎤⎢⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯= -++⎥⎦ ⎤⎢⎣⎡=-----φϕεε (2)对于N －Si 衬底：V n N q kT i D FN 29.010 5.110ln 02 6.0ln 10 15-=⨯⨯-=-=ϕ () V C Q n N q kT C V ox ox ms i D ox FP s TP 53.2109.2106.11032.029.02109.258.0106.1109.111085.82ln 222819 112 1 2201915142 120-=⨯⨯⨯⨯-+⨯-⎥⎥⎦ ⎤⎢⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-= -+-⎥⎦ ⎤⎢⎣⎡-=---φϕεε 结果表明对于NMOS ，在考虑界面电荷影响的前提下，在V GS ＝0时即可实现正常工作，而对于PMOS 阈值电压为负，室温下处于截止状态，所以平带电压对于MOSFET 的阈值电压的影响很大。 2. 解：(1)双极晶体管的开关过程可分为四个阶段：a.延迟阶段；b.上升阶段；c.储存阶 段；d.下降阶段。其中储存过程所需要的时间最长，所以储存时间是影响开关时间的关键。 (2)储存过程是指从t 3外加脉冲信号去掉(V I =0)到t 4电流I C ＝0.9I CS 的过程。当外加脉冲电压突然去掉时，I C 不会立刻减小，超量存储电荷不会立刻消失。此时基极电流成为反向抽出电流I B2，与原来基极电流方向相反，其作用就是释放基区和集电区中的超量存储电荷Q BS 和Q CS 。在Q BS 和Q CS 消失之前，基区电荷密度梯度保持不变，集电极电流I CS 也保持不变，只有当超量存储电荷完全消失后，发射结和集电结的电压才发生变化，势垒电容开始放电，集电极电流才开始下降。
半导体器件物理习题答案 1、简要的回答并说明理由：①p+-n结的势垒宽度主要决定于n 型一边、还是p型一边的掺杂浓度？②p+-n结的势垒宽度与温度的关系怎样？③p+-n结的势垒宽度与外加电压的关系怎样？④Schottky 势垒的宽度与半导体掺杂浓度和温度分别有关吗？ 【解答】①p+-n结是单边突变结，其势垒厚度主要是在n型半导体一边，所以p+-n结的势垒宽度主要决定于n型一边的掺杂浓度；而与p型一边的掺杂浓度关系不大。因为势垒区中的空间电荷主要是电离杂质中心所提供的电荷（耗尽层近似），则掺杂浓度越大，空间电荷的密度就越大，所以势垒厚度就越薄。②因为在掺杂浓度一定时，势垒宽度与势垒高度成正比，而势垒高度随着温度的升高是降低的，所以p+-n结的势垒宽度将随着温度的升高而减薄；当温度升高到本征激发起作用时，p-n结即不复存在，则势垒高度和势垒宽度就都将变为0。③外加正向电压时，势垒区中的电场减弱，则势垒高度降低，相应地势垒宽度也减薄；外加反向电压时，势垒区中的电场增强，则势垒高度升高，相应地势垒宽度也增大。 ④Schottky势垒区主要是在半导体一边，所以其势垒宽度与半导体掺杂浓度和温度都有关（掺杂浓度越大，势垒宽度越小；温度越高，势垒宽度也越小）。 2、简要的回答并说明理由：①p-n结的势垒高度与掺杂浓度的关系怎样？②p-n结的势垒高度与温度的关系怎样？③p-n结的势垒高度与外加电压的关系怎样？ 【解答】①因为平衡时p-n结势垒（内建电场区）是起着阻挡多数载流子往对方扩散的作用，势垒高度就反映了这种阻挡作用的强弱，即势垒高度表征着内建电场的大小；当掺杂浓度提高时，多数载流子浓度增大，则往对方扩散的作用增强，从而为了达到平衡，就需要更强的内建电场、即需要更高的势垒，所以势垒高度随着掺杂浓度的提高而升高（从Fermi 能级的概念出发也可说明这种关系：因为平衡时p-n结的势垒高度等于两边半导体的Fermi 能级的差，当掺杂浓度提
半导体器件物理施敏答案 【篇一：施敏院士北京交通大学讲学】t>——《半导体器件物理》 施敏 s.m.sze,男，美国籍，1936年出生。台湾交通大学电子工程 学系毫微米元件实验室教授，美国工程院院士，台湾中研院院士， 中国工程院外籍院士，三次获诺贝尔奖提名。 学历：美国史坦福大学电机系博士（1963），美国华盛顿大学电机 系硕士（1960），台湾大学电机系学士（1957）。 经历：美国贝尔实验室研究（1963-1989），交通大学电子工程系 教授（1990-），交通大学电子与资讯研究中心主任（1990-1996），国科会国家毫微米元件实验室主任（1998-），中山学术奖（1969），ieee j.j.ebers奖（1993），美国国家工程院院士（1995）, 中国工 程院外籍院士 (1998)。 现崩溃电压与能隙的关系，建立了微电子元件最高电场的指标等。 施敏院士在微电子科学技术方面的著作举世闻名，对半导体元件的 发展和人才培养方面作出了重要贡献。他的三本专著已在我国翻译 出版，其中《physics of semiconductor devices》已翻译成六国 文字，发行量逾百万册；他的著作广泛用作教科书与参考书。由于 他在微电子器件及在人才培养方面的杰出成就,1991年他得到了ieee 电子器件的最高荣誉奖（ebers奖），称他在电子元件领域做出了基础性及前瞻性贡献。施敏院士多次来国内讲学，参加我国微电子器 件研讨会；他对台湾微电子产业的发展，曾提出过有份量的建议。 主要论著： 1. physics of semiconductor devices, 812 pages, wiley interscience, new york, 1969. 2. physics of semiconductor devices, 2nd ed., 868 pages, wiley interscience, new york, 1981. 3. semiconductor devices: physics and technology, 523 pages, wiley, new york, 1985. 4. semiconductor devices: physics and technology, 2nd ed., 564 pages, wiley, new york, 2002. 5. fundamentals of semiconductor fabrication, with g. may, 305 pages, wiley, new york, 2003
1．在半导体材料中， Si 、Ge 属于第一代半导体材料的，它们的晶格结构是典型的 金刚 石 结构，能带结构属于 间接 带隙型的； GaAs 属于第二代半导体材料的，它们的晶格 结构是典型的 闪锌矿 结构，能带结构属于 直接 带隙型的（直接或间接）。 2．一般情况下，在纯净的半导体中掺 磷 使它成为Ｎ型半导体，在纯净的半导体中掺 硼 ，使它形成Ｐ型半导体。通常把形成Ｎ型半导体的杂质称为 施主杂质 ，把形成Ｐ型半导体的杂质称为 受主杂质 。 3． 费米能级 是衡量电子填充能级的水平，平衡ＰＮ结的标志是有统一的费米能 级 。 4．ＰＮ结击穿共有三种： 雪崩击穿 、 隧道击穿 、 热击穿 ，击穿现象中，电流增大的基本原因不是由于迁移率增大，而是由于载流子浓度增加，一般掺杂浓度下， 雪 崩 击穿机构是主要的，当杂质浓度较高，且反向电压不高时，易发生 隧道 击穿。 5．MIS 结构外加栅压时，半导体表面共有三种状态： 积累 、 耗尽 、 反 型 。 二、 选择题：（共20分 每空1分） 1．硅单晶中的空位属于（ A ） Ａ 点缺陷 Ｂ 线缺陷 Ｃ 面缺陷 2．半导体晶体中原子结合的性质主要是（ A ）。 A 共价键结合 B 金属键结合 C 离子键结合 3．下列能起有效复合中心作用的物质是（ B ） A 硼（ B ） B 金（Au ） C 磷（P ） D 铝（Al ） 4．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 5．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 6．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 7．MIS 结构半导体表面出现强反型的临界条件是（ B ）。（V S 为半导体表面电势；qV B =E i -E F ） A V S =V B B V S =2V B C V S =0 8．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 9．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 10．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 11．平面扩散型双极晶体管中掺杂浓度最低的是（ C ） A 发射区 B 基区 C 集电区 12．下列对钠离子有阻挡作用的钝化膜为（ B ） A 二氧化硅 B 氮化硅 13．室温下，半导体Si 中掺硼的浓度为1014cm －3，同时掺有浓度为1.1×1015cm － 3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 ≈ 1.5×1010cm －3，570K 时，ni ≈2×1017cm － 3） A 1014cm －3 B 1015cm －3 C 1.1×1015cm － 3 D 2.25×105cm －3 E 1.2×1015cm －3 F 2×1017cm － 3 G 高于Ei H 低于Ei I 等于Ei 三、 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. （ × ）晶体中内层电子有效质量小于外层电子的有效质量。 3. （ √ ）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。 4. （ √ ）半导体中的电子浓度越大，则空穴浓度越小。 5. （ × ）同一种材料中，电子和空穴的迁移率是相同的。 6. （ × ）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。 7. （ √ ）非平衡载流子的注入方式有电注入和光注入两种，ＰＮ结在外加正向偏压的作用下发生的非平衡载流子的注入是电注入。 8. （ √ ）MOSFET 只有一种载流子（电子或空穴）传输电流。 9. （ √ ）反向电流和击穿电压是表征晶体管性能的主要参数。 10. （ √ ）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。 11. （ √ ）高频下，pn 结失去整流特性的因素是pn 结电容 12. （ × ）pn 结的雪崩击穿电压主要取决于高掺杂一侧的杂质浓度。 13. （ √ ）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。 14. （ √ ）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。 15. （ √ ）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。 16. （ √ ）强n 型半导体的费米能级位置最高，强p 型半导体的费米能级位置最低。 17. （ √ ）金是硅中的深能级杂质，在硅中能形成双重能级（受主和施主能级），所以金是有效的复合中心。 18. （ × ）PN 结势垒区主要向杂质浓度高一侧扩展。 19. （ × ）制造MOS 器件常常选用[110]晶向的硅单晶。 20. （ √ ）金属与半导体接触可形成肖特基接触和欧姆接触。 四、名词解释 (共12分 每题3分) 1．平衡状态、非平衡状态 常州信息职业技术学院 2009 －2010 学年第 一 学期 半导体器件物理 课程期末试卷 班级 姓名 学号 成绩 装 订 线
光电信息物理基础答案 【篇一：半导体器件物理课后习题解答】 >第二章 对发光二极管（led）、光电二极管（pd）、隧道二极管、齐纳二极管、变容管、快恢复二极管和电荷存储二极管这7个二端器件，请选择其中的4个器件，简述它们的工作原理和应用场合。 解： 发光二极管 它是半导体二极管的一种，是一种固态的半导体器件，可以把电能转化成光能；常简写为led。 工作原理：发光二极管与普通二极管一样是由一个pn结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从p区注入到n 区的空穴和由n区注入到p区的电子，在pn结附近数微米内分别与n区的电子和p区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少是不同的，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短；反之，则发出的光的波长越长。应用场合：常用的是发红光、绿光或黄光的二极管，它们主要用于各种led显示屏、彩灯、工作（交通）指示灯以及居家led节能灯。 光电二极管 光电二极管（photo-diode）和普通二极管一样，也是由一个pn结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性，但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。 工作原理：普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使pn结的面积相对较大，以便接收入射光，而电极面积尽量小些，而且pn结的结深很浅，一般小于1微米。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；当有光照时，携带能量的光子进入pn结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子—空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流迅速增大到几十微安，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外
半导体物理习题解答 （河北大学电子信息工程学院 席砺莼） 1－1．（P 32）设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c （k ）和价带极大值附近能量E v （k ）分别为： E c (k)=0223m k h +022)1(m k k h -和E v (k)= 0226m k h －0 2 23m k h ； m 0为电子惯性质量，k 1＝1/2a ；a ＝0.314nm 。试求： ①禁带宽度； ②导带底电子有效质量； ③价带顶电子有效质量； ④价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。 [解] ①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝0232m k h ＋0 12)(2m k k h -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝ 14 3 k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min = 2 10 4k m h ； 由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0； 并且E min ＝E V (k)|k=k max ＝02126m k h ；∴Eg ＝E min －E max ＝021212m k h ＝2 02 48a m h ＝11 28282 27106.1)1014.3(101.948)1062.6(----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＝0.64eV ②导带底电子有效质量m n 0202022382322 m h m h m h dk E d C =+=；∴ m n ＝022 283/m dk E d h C = ③价带顶电子有效质量m ’ 022 26m h dk E d V -=，∴022 2'61/m dk E d h m V n -== ④准动量的改变量 h △k ＝h (k min -k max )= a h k h 83431= [毕] 1－2．（P 33）晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107V/m 的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。 [解] 设电场强度为E ，∵F =h dt dk =q E （取绝对值） ∴dt =qE h dk