半导体器件物理复习题
半导体器件物理复习题
一、简介
半导体器件是现代电子技术中不可或缺的组成部分，其在各种电子设备中发挥
着重要的作用。本文将通过一系列物理复习题，帮助读者回顾和巩固半导体器
件的相关知识。
二、PN结
1. 什么是PN结？
PN结是由P型半导体和N型半导体通过扩散或外加电场形成的结，其中P型
半导体富含正电荷载流子（空穴），N型半导体富含负电荷载流子（电子）。
2. PN结的正向偏置和反向偏置有何区别？
正向偏置是将P端连接到正电压，N端连接到负电压，此时PN结变窄，载流
子扩散增加，形成电流；反向偏置是将P端连接到负电压，N端连接到正电压，此时PN结变宽，载流子扩散减少，形成很小的电流。
3. PN结的截止电压是指什么？
PN结的截止电压是指在反向偏置下，当PN结两侧的电压达到一定值时，形成
的反向电流急剧增加的电压值。
三、二极管
1. 什么是二极管？
二极管是一种基本的半导体器件，由PN结组成，具有只允许电流单向通过的
特性。
2. 二极管的正向电压降和反向电压承受能力是多少？
正向电压降一般为0.7V，反向电压承受能力则取决于二极管的材料和结构，通
常在几十伏至几百伏之间。
3. 二极管的主要应用有哪些？
二极管广泛应用于电源、整流器、信号检测等电子电路中，还可用于发光二极
管（LED）和激光二极管等光电器件中。
四、晶体管
1. 什么是晶体管？
晶体管是一种基于半导体材料的三极器件，由P型半导体、N型半导体和中间
的绝缘层构成。
2. 晶体管的工作原理是什么？
晶体管通过控制输入端的电流或电压，来控制输出端的电流。当输入端施加一
定的电压或电流，使得输入端的PN结发生正向偏置，从而形成一个电流增益。
3. 晶体管的三个电极分别是什么？
晶体管的三个电极分别是发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。
五、场效应管
1. 什么是场效应管？
场效应管是一种基于半导体材料的四极器件，由栅极（Gate）、漏极（Drain）、
源极（Source）和衬底（Substrate）构成。
2. 场效应管的工作原理是什么？
场效应管通过控制栅极电压来控制漏极和源极之间的电流。当栅极施加一定的
电压，形成电场，控制漏极和源极之间的电流。
3. 场效应管的主要类型有哪些？
场效应管主要分为MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）和JFET（结型场效应管）两种类型。
六、集成电路
1. 什么是集成电路？
集成电路是将大量的电子元器件（如晶体管、电阻、电容等）集成在一块半导体芯片上的电路。
2. 集成电路的主要分类有哪些？
集成电路主要分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路用于处理连续信号，数字集成电路用于处理离散信号。
3. 集成电路的应用领域有哪些？
集成电路广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车电子等领域，成为现代电子技术的重要支撑。
总结：
通过对半导体器件的物理复习题的回顾，我们可以加深对半导体器件的原理和应用的理解。半导体器件作为现代电子技术的核心，对于我们理解和应用电子设备都具有重要意义。希望读者通过本文的复习题，进一步巩固和提升自己的知识水平。
一．概念题 1.稳态：系统（半导体）能量处于最低，且各物理量如温度、载流子浓度等不随时间变化，则可称其处于稳态。 2.肖特基势垒：即Schottky Barrier，指一具有大的势垒高度（即势垒>>kT），以及掺杂浓度比导带或价带上态密度低的金属-半导体接触。 3.受激辐射：指处于激发态的半导体在一能量为hν的入射光照射下导带上的电子与价带上的空穴复合，发出与入射光具有相同能量、相位以及方向的光的过程。 4.自发辐射：指处于激发态的半导体，不需要外来的激发，导带中电子就与价带中的空穴复合，发出光子能量等于电子和空穴复合前所处能级能级差的光的过程。 5.非平衡状态：指系统（半导体）由于受光照、电注入等原因载流子浓度、电流密度等物理量不再稳定而随时间变化，变化最终达到稳定的状态。 6.对于共射组态双极型晶体管，理想情况下，当I b固定且V ec>0时，I c是不随变化的。但实际上当V ec变化时，集电区空间电荷区宽度会随之变化，导致基区中载流子浓度随之变化，从而Ic随之变化。具体表现为I c随V ec增加而增大，这种电流变化称为厄雷效应。 7.热电子：半导体中的电子可以吸收一定的能量（如光照射、电注入等）而被激发到更高的能级上，这些被激发到更高能级上的电子就称为热电子。 8.空穴：近满带中一些空的量子态被称为空穴。由于电子的流动会导致这些空的量子态也流动，从而从其效果上可以把它当作一带有正单位电荷的与电子类似的载流子。 9.直接复合和间接复合：半导体的热平衡状态由于超量载流子的导入而被破坏时，会出现一些使系统回复平衡的机制称为复合。在复合过程中，若电子从导带跃迁回价带过程中其动量不发生变化（即k不变）则称为直接复合，若其动量发生变化则称为间接复合。二．问答题 1.什么是欧姆接触：当一金属-半导体接触的接触电阻相对于半导体的主体电阻或串联电阻可以忽略不计时，则可被定义为欧姆接触。降低接触电阻我们可以采取以下两个措施：（1）减小势垒高度。即对于n型半导体，采用功函数小的金属；对于p型半导体，采用功函数大的金属。（2）利用隧穿效应，提高隧穿电流，减小接触电阻，做法为提高掺杂浓度。 2.激光器激射的条件：（1）分布反转。为了使受激辐射大于吸收，应当使得两准费米能级之间的载流子分布反转，即E fp到Ec之间为空状态，Ev到E fp之间都被电子填满。（2）谐振腔。为了能够得到单一频率和相位的激光，谐振腔结构是必备的。（3）使增益至少等于损耗，即电流至少大于阈值电流。辐射在谐振腔内来回反射时，由于缺陷散射、端面透射等原因会有能量损耗，为了使激光能够出射，必须使增益至少等于损耗。 三．论述题
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 ?
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)(k E c ： m k k m k k E c 2 1222)(3)(-+ = 价带极大值附近的能量为：m k m k k E v 2 22236)( -=式中m 为电子能量，A 14.3,1 == a a k π ，试求： （1）禁带宽度； （2）导带底电子的有效质量； （3）价带顶空穴的有效质量。 1–2．在一维情况下： （1）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； （2）设电子能量为* 2 22n m k E =，并考虑到电子的自旋可以有两种不同的取向，试证明在单位长度的晶体中单位能量间隔的状态数为1*2)(-=E h m E N n 。 1–3．设硅晶体电子中电子的纵向有效质量为L m ，横向有效质量为t m （1）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； （2）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。 1–4．设导带底在布里渊中心，导带底c E 附近的电子能量可以表示为* 2 22)(n c m k E k E += 式中* n m 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15 10原子3 /cm 。求室温下（300K ）的载流子浓度和费米能级。 1–6．若n 型半导体中（a ）ax N d =，式中a 为常数；（b ）ax d e N N -=0推导出其中的电场。 1–7．（1）一块硅样品的31510-=cm N d ，s p μτ1=，1 319105--⨯=s cm G L ，计算它的 电导率和准费米能级。 （2）求产生15 10个空穴3 /-cm 的L G 值，它的电导率和费米能级为若干？ 1–8． 一半导体31031610,10,10--===cm n s cm N i n a μτ，以及1 318 10--=s cm G L ，计算 300K 时（室温）的准费米能级。 1–9．（1）一块半无限的n 型硅片受到产生率为L G 的均匀光照，写出此条件下的空穴连 续方程。 （2）若在0=x 处表面复合速度为S ，解新的连续方程证明稳定态的空穴分布可用 下式表示 )1()(/0p p L x p L p n n S L Se G p x p p τττ+- +=- 1–10．由于在一般的半导体中电子和空穴的迁移率不同的，所以在电子和空穴数目恰好 相等的本征半导体中不显示最高的电阻率。在这种情况下，最高的电阻率是本征半导体电阻率的多少倍？如果p n μμ>，最高电阻率的半导体是N 型还是P 型？ 1–11．用光照射N 型半导体样品（小注入），假设光被均匀的吸收，电子-空穴对的产生 率为G ，空穴的寿命为τ，光照开始时，即0,0=∆=p t ，试求出： （1）光照开始后任意时刻t 的过剩空穴浓度)(t p ∆； （2）在光照下，达到稳定态时的过剩空穴浓度。 1–12．施主浓度3 15 10-=cm N d 的N 型硅。由于光的照射产生了非平衡载流子
半导体器件物理复习题 半导体器件物理复习题 一、简介 半导体器件是现代电子技术中不可或缺的组成部分，其在各种电子设备中发挥 着重要的作用。本文将通过一系列物理复习题，帮助读者回顾和巩固半导体器 件的相关知识。 二、PN结 1. 什么是PN结？ PN结是由P型半导体和N型半导体通过扩散或外加电场形成的结，其中P型 半导体富含正电荷载流子（空穴），N型半导体富含负电荷载流子（电子）。 2. PN结的正向偏置和反向偏置有何区别？ 正向偏置是将P端连接到正电压，N端连接到负电压，此时PN结变窄，载流 子扩散增加，形成电流；反向偏置是将P端连接到负电压，N端连接到正电压，此时PN结变宽，载流子扩散减少，形成很小的电流。 3. PN结的截止电压是指什么？ PN结的截止电压是指在反向偏置下，当PN结两侧的电压达到一定值时，形成 的反向电流急剧增加的电压值。 三、二极管 1. 什么是二极管？ 二极管是一种基本的半导体器件，由PN结组成，具有只允许电流单向通过的 特性。 2. 二极管的正向电压降和反向电压承受能力是多少？
正向电压降一般为0.7V，反向电压承受能力则取决于二极管的材料和结构，通 常在几十伏至几百伏之间。 3. 二极管的主要应用有哪些？ 二极管广泛应用于电源、整流器、信号检测等电子电路中，还可用于发光二极 管（LED）和激光二极管等光电器件中。 四、晶体管 1. 什么是晶体管？ 晶体管是一种基于半导体材料的三极器件，由P型半导体、N型半导体和中间 的绝缘层构成。 2. 晶体管的工作原理是什么？ 晶体管通过控制输入端的电流或电压，来控制输出端的电流。当输入端施加一 定的电压或电流，使得输入端的PN结发生正向偏置，从而形成一个电流增益。 3. 晶体管的三个电极分别是什么？ 晶体管的三个电极分别是发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。 五、场效应管 1. 什么是场效应管？ 场效应管是一种基于半导体材料的四极器件，由栅极（Gate）、漏极（Drain）、 源极（Source）和衬底（Substrate）构成。 2. 场效应管的工作原理是什么？ 场效应管通过控制栅极电压来控制漏极和源极之间的电流。当栅极施加一定的 电压，形成电场，控制漏极和源极之间的电流。
半导体物理与器件第三版课后练习题含答案 1. 对于p型半导体和n型半导体，请回答以下问题： a. 哪些原子的掺入能够形成p型半导体？ 掺入三价元素（如硼、铝等）能够形成p型半导体。 b. 哪些原子的掺入能够形成n型半导体？ 掺入五价元素（如磷、砷等）能够形成n型半导体。 c. 请说明掺杂浓度对于导电性有何影响？ 掺杂浓度越高，导电性越强。因为高浓度的杂质能够带来更多的杂质离子和电子，从而提高了载流子浓度，增强了半导体的导电性。 d. 在p型半导体中，哪些能级是占据态，哪些是空的？ 在p型半导体中，价带能级是占据态，而导带能级是空的。 e. 在n型半导体中，哪些能级是占据态，哪些是空的？ 在n型半导体中，导带能级是占据态，而价带能级是空的。 2. 硅p-n结的温度系数是大于零还是小于零？请解释原因。 硅p-n结的温度系数是负的。这是因为在给定的工作温度下，少子寿命的下降 速率与载流子浓度的增长速率之间存在一个平衡。当温度升高时，载流子浓度增长的速率加快，因而少子寿命下降的速率也会变大。这一现象会导致整体导电性下降，即硅p-n结中的电流减少。因此，硅p-n结的温度系数为负。
3. 在半导体器件中，为什么p-n结击穿电压很重要？请简要解释。 p-n结击穿电压是指在一个p-n结器件中施加的足以导致电流大幅增加的电压。在普通的工作条件下，p-n结是一个非导电状态，而电流仅仅是由热激发和少数载 流子扩散引起。但是，当施加的电压超过了击穿电压时，大量的载流子会被电流激 发和扩散，从而导致电流剧增，从而损坏器件或者破坏电路的运行。 因此，掌握p-n结的击穿电压非常重要，可以保证器件稳定和电路的可靠性。
如对您有帮助，欢迎下载支持，谢谢！ 半导体器件物理复习题 1．简述 Schrodinger 波动方程的物理意义及求解边界条件。 2．简述隧道效应的基本原理。 3．什么是半导体的直接带隙和间接带隙。 4．什么是 Fermi-Dirac 概率函数和 Fermi 能级，写出 n(E) 、p(E)与态密度和 Fermi 概率函数的关系。 5．什么是本征 Ferm 能级？在什么条件下，本征 Ferm 能级处于中间能带上。 6．简述硅半导体中电子漂移速度与外加电场的关系。 7．简述 Hall 效应基本原理。解释为什么 Hall 电压极性跟半导体类型(N 型或 P 型) 有关。 8．定性解释低注入下的剩余载流子寿命。 9．一个剩余电子和空穴脉冲在外加电场下会如何运动，为什么？ 10．当半导体中一种类型的剩余载流子浓度突然产生时，半导体内的净电荷密度如何变化？为什么？ 11．什么是内建电势？它是如何保持热平衡的？ 12．解释 p-n 结内空间电荷区的形成机理及空间电荷区宽度与外施电压的关系。 13．什么是突变结和线性剃度结。 14．分别写出 p-n 结内剩余少子在正偏和反偏下的边界条件。 15．简述扩散电容的物理机理。 16．叙述产生电流和复合电流产生的物理机制。 17．什么理想肖特基势垒？用能带图说明肖特基势垒降低效应。 18．画出隧道结的能带图。说明为什么是欧姆接触。 19．描述npn 三极管在前向有源模式偏置下的载流子输运过程。 20．描述双极晶体管在饱和与截止之间开关时的响应情况。 21．画出一个 n-型衬底的 MOS 电容在积聚、耗尽和反型模式下的能带图。 22．什么是平带电压和阈值电压 23．简要说明 p-沟道器件的增强和耗尽型模式。 24．概述 MESFET 的工作原理。 25．结合隧道二极管的 I-V 特性，简述其负微分电阻区的产生机理。 26．什么是短沟道效应？阐述短沟道效应产生的原因及减少短沟道效应的方法。 短沟道效应(shortchanneleffect)：当金属 -氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET) 的沟道长度 L 缩短到可与源和漏耗尽层宽度之和 (WS WD)相比拟时，器件将发生偏离长沟道(也即 L 远大于WS WD)的行为，这种因沟道长度缩短而发生的对器件特性的影响，通常称为短沟道效应。由于短沟道效应使 MOSFET 的性能变坏且工作复杂化，所以人们希望消除或减小这个效应，力图实现在物理上是短沟道的器件，而在电学上仍有长沟道器件的特性。 当器件尺寸缩减时 ,必须将短沟道效应降至最低程度 , 以确保正常的器件特性及电路工作 . 在器件按比例缩小设计时需要一些准则，一个简要维持长沟道特性的方法为将所有的尺寸及电压，除上一按比例缩小因素К (＞1)，如此内部电场将保持如同长沟道 MOSFET 一般，此方法称为定电场按比例缩小(constant-field scaling) [ 随器件尺寸的缩减，其电路性能(速度以及导通时的功率损耗)得到加强§．然而，在实际的 IC 制作中，较小器件的内部电场往往被迫增加而很难保持固定．这主要是因为一些电压因子(如电源供
2021年贵州大学半导体器件物理复习题 1. 画出n型和p型硅衬底上理想的金属-半导体接触（理想金属-半导体接触的含义：金属-半导体界面无界面态，不考虑镜像电荷的作用）的能带图，(a) ?m > ?s, (b) ?m < ?s. 分别指出该接触是欧姆接触还是整流接触? （要求画出接触前和接触后的能带图） 理想金属--n硅半导体接触前的能带图( ?m > ?s) 理想金属--n硅半导体接触平衡态能带图(?m < ?s) 理想金属--p硅半导体接触平衡态能带图( ?m > ?s ) 理想金属--p硅半导体接触平衡态能带图(?m < ?s) 2. 画出Al-SiO2-p型Si衬底组成的MOS结构平衡态的能带图，说明半导体表面状态。Al的电子亲和势?=4.1eV，Si的电子亲和势?=4.05eV。假定栅极-氧化层-衬底无界面态， 氧化层为理想的绝缘层。 半导体表面处于耗尽或反型状态。 3. 重掺杂的p+多晶硅栅极-二氧化硅-n型半导体衬底形成的MOS结构，画出MOS结 构在平衡态的能带图，说明半导体表面状态。假定栅极-氧化层-衬底无界面态，氧化层为 理想的绝缘层。
4. 重掺杂的n+多晶硅栅极-二氧化硅-p型半导体衬底形成的MOS结构，画出MOS结 构在平衡态的能带图，说明半导体表面状态。假定栅极-氧化层-衬底无界面态，氧化层为 理想的绝缘层。 5. 画出能带图，说明MOSFET的DIBL效应。 6. 从能带图的变化说明pnpn结构从正向阻断到正向导通的转换过程。 7. 画出突变pn结正偏及反偏条件下的能带图，要求画出耗尽区及少数载流子扩散区 的准费米能级，说明画法依据。 正偏pn结能带图说明1：在�Cxp处，空穴浓度等于p区空穴浓度，空穴准费米能级 等于p区平衡态费米能级。在耗尽区，空穴浓度下降，但本征费米能级下降，根据载流子 浓度计算公式，可认为空穴浓度的下降是由本征费米能级的下降引起的，而空穴准费米能 级在耗尽区近似为常数。空穴注入n区中性区后，将与电子复合，经过几个扩散长度后， 复合殆尽，最终与n区平衡态费米能级重合。因此空穴准费米能级在n区扩散区内逐渐升高，并最终与EFn合一。同理可说明电子准费米能级的变化趋势。 反偏pn结能带图说明：外加电场加强了空间电荷区的电场，空间电荷增加，空间电 荷区变宽，势垒升高，n区空间电荷区外侧的电子准费米能级的变化几乎为零，在空间电 荷区，电子浓度迅速降低，但由于本征费米能级迅速上升，按照非平衡载流子浓度公式， 电子准费米能级在空间电荷区的变化可忽略不计，在空间电荷区外的P型侧的几个扩散长 度内，电子浓度逐渐升高，最终等于P区的平衡值，因此，电子的准费米能级也逐渐上升，最终与P区的空穴准费米能级合一，同理可解释反偏PN结空穴费米能级的变化。 8. 用能带图说明ESAKI二极管工作原理。 器件工作机理和概念 1. 简述pn结突变空间电荷区近似（耗尽近似）的概念。 提要：冶金界面两边的浓度差―多数载流子扩散―界面n型侧留下不可动的带正电的 电离施主，界面p型侧留下不可动的带负电的电离受主。电离施主和电离受主形成的区域 称为空间电荷区。由电离施主指向电离受主的电场称为自建电场。自建电场对载流子有反 方向的漂移作用。当扩散作用与漂移作用达到动态平衡时，空间电荷区电荷固定，自建电 场的大小固定，接触电势差为定值。 “突变空间电荷区近似”模型认为，由于自建电场的作用，可近似认为空间电荷区内 的自由载流子―电子和空穴被完全“扫出”该区域，只剩下电离受主和电离施主原子， 空间电荷区是一个高阻区，所以空间电荷区又称为耗尽区或阻挡层。此外，空间电荷区的 边界虽然是缓变的，但计算表明过度区很窄，因此，可近似认为空间电荷区边界是突变的。
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
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
《半导体器件物理》复习思考题2012.12 （一）判断对错：(对的打“√”，错的打“×”) （1）p-n结势垒区中存在有空间电荷和强的电场。（√） （2）单边突变的p+-n结的势垒区主要是在掺杂浓度较高的p+型一边。（×） （3）热平衡、非简并p-n结（同质结）的势垒高度可以超过半导体的禁带宽度。（×）（4）突变p-n结因为是由均匀掺杂的n型半导体和p型半导体构成的，所以势垒区中的电场分布也是均匀的。（×） （5）因为在反向电压下p-n结势垒区中存在有较强的电场，所以通过p-n结的反向电流主要是多数载流子的漂移电流。（×） （6）p-n结所包含的主要区域是势垒区及其两边的少数载流子扩散区。（√） （7）p-n结两边准费米能级之差就等于p-n结上所加电压的大小。（√） （8）金属与半导体接触一般都形成具有整流特性的Schottky势垒，但如果金属与较高掺杂的半导体接触却可以实现欧姆接触。（√） （9）BJT的共基极直流电流增益α0，是除去集电极反向饱和电流之外的集电极电流与发射极电流之比。（√） （10）BJT的特征频率f T决定于发射结的充电时间、载流子渡越中性基区的时间、集电结的充电时间和载流子渡越集电结势垒区的时间。（√） （11）集电极最大允许工作电流I CM是对应于晶体管的最高结温时的集电极电流。（×）（12）使BJT由截止状态转换为临界饱和状态，是由于驱动电流I BS= I CS/β≈V CC/βR L的作用；而进一步要进入过驱动饱和状态，则还需要人为地在集电极上加正向电压。（×）（13）在过驱动饱和状态下工作的BJT，除了需要考虑基区中的少数载流子存储效应以外，还需要考虑集电区中的少数载流子存储效应。（√） （14）异质结双极型晶体管(HBT)，由于采用了宽禁带的发射区，使得注射效率与发射结两边的掺杂浓度关系不大，所以即使基区掺杂浓度较高，也可以获得很高的放大系数和很高的特征频率。（√） （15）对于耗尽型的长沟道场效应晶体管，在栅极电压一定时，提高源-漏电压总可以使沟道夹断。（√） （16）当耗尽型场效应晶体管的沟道被夹断以后，沟道就不能够再通过电流了，漏极电流将
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
T=300K Si: , GaAs: , , , Si: GaAs: , 1.试画出V G=V T时，n衬底的理想MOS二极管的能带图。 2.一N A=5×1016cm-3的金属-SiO2-Si电容器，请计算表面耗尽区的最大宽度。 3.假设氧化层中的氧化层陷阱电荷呈三角形分布，ρot(y)=q×5×1023×y（C/cm3）， 氧化层的厚度为10nm。试计算因Q ot所导致的平带电压变化。 4.一n沟道的n+多晶硅-SiO2-Si MOSFET，其N A=1017cm-3，Qf/q=5×1010cm-2， d=10nm，试计算其阈值电压。 5.针对上题中的器件，硼离子注入使阈值电压增加至+0.7V，假设注入的离子 在Si-SiO2的界面处形成一薄片负电荷，请计算注入的剂量。 6.将铜淀积于n型硅衬底上，形成一理想的肖特基二极管，若øm=4.65eV，电 子亲和力为4.01eV，N D=3×1016cm-3，而T=300K。计算出零偏压时的势垒高度、内建电势、耗尽区宽度以及最大电场。
7.若一n沟道砷化镓MESFET的势垒高度øBn=0.9eV，N D=1017cm-3，a=0.2um， L=1um，且Z=10um。此器件为增强还是耗尽模式器件？ 8.一n沟道砷化镓MESFET的沟道掺杂浓度N D=2×1015cm-3，又øBn=0.8eV， a=0.5um，L=1um，μn=4500cm2/(Vs)，且Z=50um。求出当V G=0时夹断电压、阈值电压以及饱和电流。
答案 T=300K Si: , GaAs: , , , Si: GaAs: , 9.试画出V G=V T时，n衬底的理想MOS二极管的能带图。 10.一N A=5×1016cm-3的金属-SiO2-Si电容器，请计算表面耗尽区的最大宽度。
半导体器件物理复习题 第二章： 1） 带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差，也称能隙。 物理意义：带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低 2）什么是半导体的直接带隙和间接带隙？ 其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处(p ＝0)。因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。这类半导体称为直接带隙半导体。 3）能态密度：能量介于E ～E+△E 之间的量子态数目△Z 与能量差△E 之比 4）热平衡状态：即在恒温下的稳定状态.(且无任何外来干扰,如照光、压力或电场). 在恒温下,连续的热扰动造成电子从价带激发到导带，同时在价带留下等量的空穴.半导体的电子系统有统一的费米能级,电子和空穴的激发与复合达到了动态平衡，其浓度是恒定的，载流子的数量与能量都是平衡。即热平衡状态下的载流子浓度不变。 5）费米分布函数表达式？ 物理意义：它描述了在热平衡状态下,在一个费米粒子系统（如电子系统）中属于能量E 的一个量子态被一个电子占据的概率。 6 本征半导体价带中的空穴浓度： 7）本征费米能级Ei ：本征半导体的费米能级。在什么条件下，本征Fermi 能级靠近禁带的中央：在室温下可以近似认为费米能级处于带隙中央 8） 本征载流子浓度n i : 对本征半导体而言，导带中每单位体积的电子数与价带每单位体积的空穴数相同,即浓度相同，称为本征载流子浓度，可表示为n ＝p ＝n i . 或：np=n i 2 9) 简并半导体：当杂质浓度超过一定数量后，费米能级进入了价带或导带的半导体。 10) 非简并半导体载流子浓度: 且有: n p=n i 2 其中: n 型半导体多子和少子的浓度分别为: p 型半导体多子和少子的浓度分别为: 第三章： 1）迁移率：是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大。定义为： 2）漂移电流: 载流子在热运动的同时，由于电场作用而产生的沿电场力方向的定向运动称作漂移运动。所构成的电流为漂移电流。定向运动的平均速度叫做漂移速度。在弱电场下，载流子的漂移速度v 与电场强度E 成正比, 定义为： m q c τμ=
半导体器件物理与工艺期末考试题 一、简答题 1.什么是半导体器件？半导体器件是利用半导体材料的电子特性来实现电流的控制与放大的电子元件。常见的半导体器件包括二极管、晶体管、场效应管等。 2.请简述PN结的工作原理。 PN结是由P型半导体和N型半导体连接而成的结构。当外加正向偏置时，P端为正极，N端为负极，电子从N端向P端扩散，空穴从P 端向N端扩散，形成扩散电流；当外加反向偏置时，P端为负极，N端为正极，由于能带反向弯曲，形成电势垒，电子与空穴受到电势垒的阻拦，电流几乎为零。 3.简述晶体管的工作原理。晶体管是一种三极管，由一块绝缘体将N型和P型半导体连接而成。晶体管分为三个区域：基区、发射区和集电区。在正常工作状态下，当基极与发射极之间施加一定电压时，发射极注入的电子会受到基区电流的控制，通过基区电流的调节，可以控制从集电区流出的电流，实现电流的放大作用。
4.请简述场效应管的工作原理。场效应管是利用电场的作用来控制电流的一种半导体器件。根据电场的不同作 用方式，场效应管分为增强型和耗尽型两种。在增强型场 效应管中，通过控制栅极电压，可以调节漏极与源极之间 的通导能力，实现电流的控制与放大。 5.简述MOSFET的结构和工作原理。 MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应管）是一种常用的场效应管。它由金属栅极、氧化物层和P型或N型半导体构成。MOSFET的工作原理是通过改变栅极电势来控制氧化物层下方的沟道 区域的电阻，从而控制漏极与源极之间的电流。 6.什么是集电极电流放大系数？集电极电流放大系数（β）是指集电区电流（Ic）与发射区电流（Ie）之间的比值。在晶体管中，β值越大，表示电流放大效果越好。 7.简述三极管的放大作用。三极管作为一种电子元件，具有电流放大的功能。通过控制基区电流，可以影响发射 极与集电极之间的电流，从而实现电流的放大作用。 二、计算题 1.已知一个PN结的硅材料的势垒高度为0.7V，求该PN结的电势垒宽度。
第一章 PN 结 1.1 PN 结是怎么形成的？ 1.2 PN 结的能带图（平衡和偏压）* 1.3 内建电势差计算 1.4 空间电荷区的宽度计算 n d p a x N x N = 1.5 PN 结电容的计算 第二章 PN 结二极管 2.1 理想PN 结模型是什么？ 2.2 少数载流子分布（边界条件和双极输运方程的应用） 2.3 理想PN 结电流
⎥⎦ ⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛=1exp kT eV J J a s ⎪⎪ ⎭ ⎫ ⎝ ⎛+=+= 0020 11p p d n n a i n p n p n p s D N D N en L n eD L p eD J ττ 2.4 PN 结二极管的等效电路（扩散电阻和扩散电容的概念）？ 2.5 产生-复合电流的计算 2.6 PN 结的两种击穿机制有什么不同？ 第三章 双极晶体管 3.1 双极晶体管的工作原理是什么？ 3.2 双极晶体管有几种工作模式，哪种是放大模式？ 3.3双极晶体管的少子分布（图示） 3.4双极晶体管的电流成分（图示），它们是怎样形成的？ 3.5 低频共基极电流增益的公式总结 E B E B E B E E B B E B B B E E x x D D N N L x L x L D n L D p ⋅⋅+≈ ⋅ += 11 ) /tanh()/tanh(11 00γ 2 )/(2 111 )/cosh(1B B B B T L x L x +≈ ≈ α
⎪⎭ ⎫ ⎝⎛-+≈ kT eV J J BE s r 2exp 11 00δ δγααT = ααβ-= 1 3.6 等效电路模型（Ebers-Moll 模型和Hybrid-Pi 模型）（画图和简述） 3.7双极晶体管的截止频率受哪些因素影响？ 3.8 双极晶体管的击穿有哪两种机制？ 第四章 MOS 场效应晶体管基础 4.1 MOS 结构怎么使半导体产生从堆积、耗尽到反型的变化？ 4.2 MOS 结构的平衡能带图（表面势、功函数和亲和能）及平衡能带关系 ms s OX V φφ-=+00 4.3 栅压的计算(非平衡能带关系) m s s O X G V V φφ++= 4.4 平带电压的计算 4.5 阈值电压的计算
半导体器件物理复习题 一． 平衡半导体： 概念题： 1. 平衡半导体的特征（或称谓平衡半导体的定义） 所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体，是指无外界（如电压、电场、磁场或温度梯度等）作用影响的半导体。在这种情况下，材料的所有特性均与时间和温度无关。 2. 本征半导体： 本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。 3. 受主（杂质）原子： 形成P 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅲ族元素）。 4. 施主（杂质）原子： 形成N 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅴ族元素）。 5. 杂质补偿半导体： 半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。 6. 兼并半导体： 对N 型掺杂的半导体而言，电子浓度大于导带的有效状态密度， 费米能级高于导带底（0F c E E ->）；对P 型掺杂的半导体而言，空穴浓度大于价带的有效状态密度。费米能级低于价带顶（0F v E E -<）。 7. 有效状态密度： 穴的有效状态密度。 8. 以导带底能量c E 为参考，导带中的平衡电子浓度：
其含义是：导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘以能量为导带低能量时的玻尔兹曼分布函数。 9. 以价带顶能量v E 为参考，价带中的平衡空穴浓度： 其含义是：价带中的平衡空穴浓度等于价带中的有效状态密度乘 11.12. 13. 14. 本征费米能级Fi E ： g c E E E =-。？ 15. 本征载流子浓度i n ： 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度00i n p n ==。硅半导体，在 300T K =时，1031.510i n cm -=⨯。 16. 杂质完全电离状态： 当温度高于某个温度时，掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质；掺杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质，称谓杂质完全电离状态。 17. 束缚态： 在绝对零度时，半导体内的施主杂质与受主杂质成电中性状态称谓束缚态。束缚态时，半导体内的电子、空穴浓度非常小。 18. 本征半导体的能带特征：