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：
电子的有效状态密度。
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以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。
10.
11.
12. 13. 14.
本征费米能级Fi E ：
是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近，
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：
本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近，且跟温度有关。如果电子和空穴的有效质量严格相等，那么本征半导体费米能级的位置严格位于禁带中央。在该书的其后章节中，都假设：本征半导体费米能级的位置严格位于禁带中央。（画出本征半导体的能带图）。 19. 非本征半导体：
进行了定量的施主或受主掺杂，从而使电子浓度或空穴浓度偏离了本征载流子浓度，产生多子电子（N 型）或多子空穴（P 型）的半导体。 20. 本征半导体平衡时载流子浓度之间的关系：
本征载流子浓度强烈依赖与温度。
以本征费米能级为参考描述的电子浓度和空穴浓度：
从上式可以看出：如果F Fi E E =，可以得出20000i
i n p n n p n ===，此时的半导体具有
本征半导体的特征。上式的载流子浓度表达式既可以描述非本征半导体，又可以描述本征半导体的载流子浓度。
21. 非本征半导体平衡时载流子浓度之间的关系：
200i n p n =，22. 补偿半导体的电中性条件：
()001a d
n N p N -+
+=+ 其中：
0n 是热平衡时，导带中总的电子浓度； 0p 是热平衡时，价带中总的空穴浓度；
a a a N N p -
=-是热平衡时，受主能级上已经电离的受主杂质； d d d N N n +=-是热平衡时，施主能级上已经电离的施主杂质；
a N 是受主掺杂浓度；d N 是施主掺杂浓度；a p 是占据受主能级的空穴浓度；d n 是占据施主
能级的电子浓度。也可以将（1）写成：
()
()00()2a a d d n N p p N n +-=+-
在完全电离时的电中性条件：
完全电离时，0,0d a n p ==，有()003a d n N p N +=+
对净杂质浓度是
N 型时，热平衡时的电子浓度是
对净杂质浓度是
P 型时，热平衡时的空穴浓度是
理解题：
23.结合下图，分别用语言描述N 型半导体、P 型半导体的费米能级在能带中的位置：
24.费米能级随掺杂浓度是如何变化的 利用00exp exp F Fi F Fi i i E E E E n n p n kT kT --??
??
==-?
?
?????
?可分别求出： ()00ln ;ln 6F Fi Fi F i i n p E E kT E E kT n n ??
??
-=-= ?
?
????
如果掺杂浓度a i N n >>，且a d N N >>利用（5）式得到，0a p N ≈； 如果掺杂浓度d i N n >>，且d a N N >>利用（4）式得到，0d n N ≈； 带入（6）式得：
()ln ;ln 7d a F Fi Fi F i i N N E E kT E E kT n n ??
??
-=-= ?
?
????
所以，随着施主掺杂浓度d N 的增大，N 型半导体的费米能级F E 远离本征费米能级Fi E 向导带靠近（为什么会向导带靠近）；同样，随着受主掺杂浓度a N 的增大，P 型半导体的费米能级F E 远离本征费米能级Fi E 向价带靠近（为什么会向价带靠近）。 25.费米能级在能带中随温度的变化 由于，()ln ;ln 8d a F Fi Fi F i i N N E E kT E E kT n n ??
??
-=-=
? ?
????
温度升高时，本征载流子浓度i n 增大，N 型和P 型半导体的费米能级都向本征费米能级靠近。为什么
26.硅的特性参数：
在室温（300T K =时，）硅的
导带有效状态密度1932.810,c N cm -=? 价带的有效状态密度193
1.0410v N cm -=?； 本征载流子浓度：103
1.510i n cm -=?
禁带宽度（或称带隙能量） 1.12g E eV = 27. 常用物理量转换单位
1478103191101010101011025.5125.41 1.610A nm m mm cm m mil in m in cm eV J
μμ-------=========?
28.常用物理常数：
,235193107014012tan 1.3810/8.6210/arg 1.6109.1110410/8.8510/8.8510/Boltzmann s cons t k J K eV K Electronic ch e e C Free electron rest mass m kg
Permeability of free space H m Permittivity of free space F cm F μπε-------=?=?=?=?=?=?=?,3415342710tan 6.625104.135101.054102Pr 1.67102.99810/(300)0.02590.0259t m Planck s cons t
h J s eV s h J s oton rest mass M kg
Speed of light in vacuum
c cm s
kT
Thermal voltage T K V V
e
kT eV
π
----=?-=?-==?-=?=?====
2141422
(300)tan 11.78.8510/tan 3.98.8510/1.121350/si ox g n Silicon and SiO properties T K Silicon Dieelectric cons t F cm SiO Dieelectric cons t F cm
Silicon Bandgap energey E eV
Silicon Mobility of eletron cm V s Silico εεμ--==??=??==-2103
480/4.01int 1.510p i n Mobility of Hole cm V s Silicon electron affinity
V
Silicon rnsic carrier condentration n cm μχ-=-==?
2342
3400Pr (300)
9 4.7tan 3.97.5int
17001900operties of SiO and Si N T K SiO Si N Energy gap
eV eV Dielectric cons t Melting po C
C
=≈≈ 29.电离能的概念：
受主能级与价带能量的差值称谓受主杂质电离能,即a v E E -； 导带能量与施主能级的差值称谓施主杂质电离能,即c d E E -； 问：
受主能级a E 在能带中的什么位置 施主能级d E 在能带中的什么位置 结合下图用语言描述。
计算能使玻尔兹曼近似成立的最大掺杂浓度及费米能级的位置。
解：考虑300T K =时对硅进行了硼掺杂，假设玻尔兹曼近似成立的条件是3F a E E kT -=，已知硼在硅中的电离能是0.045a v E E eV -=，假设本征费米能级严格等于禁带中央。在
300T K =时，P 型半导体的费米能级在Fi E 与a E 之间，所以
()()()()()10173
22
ln 21.12
0.04530.02590.0259ln 20.4370.0259ln
0.4370.437exp 1.510exp 3.2100.02590.02590.437c v c v
Fi F F a v F a g a a v F a i a i a
i
a i Fi F E E E E E E E E E E E E N E E E E kT n N n N n N n cm
E E eV
-+--=
-=----??=----= ???--==????==?=? ? ?????
-=
玻尔兹曼近似成立的最大掺杂浓度是173
3.210a N cm -=?
费米能级高于本征费米能级0.437Fi F E E eV -=。 二． 半导体中的载流子输运现象与过剩载流子： 概念题：
30.半导体中存在两种基本的电荷输运机理，一种称谓载流子的漂移，漂移引起的载流子流动与外加电场有关；另一种电荷输运现象称谓载流子的扩散，它是由杂质浓度梯度引起的（或理解为有“扩散力”存在引起的电荷输运）。
31.给半导体施加电场，载流子的漂移速度不会无限增大，而是在散射作用下，载流子会达到平均漂移速度。半导体内主要存在着两种散射现象：晶格散射和电离杂质散射。 32.载流子迁移率定义为载流子的平均漂移速度与所加电场的比值,dp dn
p n v v E
E
μμ=
=
。电子迁移率n μ和空穴迁移率p μ既是温度的函数，也是电离杂质浓度的函数。
33.当所加的电场很小时，载流子的平均漂移速度与电场成线性关系；当电场强度达到
4110Vcm -时，载流子的漂移速度达到饱和值7110cms -。
34.载流子的漂移电流等于电导率与电场强度的乘积（drf j E σ=）电导率与载流子浓度、迁移率成正比；电阻率是电导率的倒数。
35.载流子的扩散电流密度正比于扩散系数,n p D D 和载流子浓度梯度。
非均匀杂质掺杂的半导体，在热平衡时，会在半导体内产生感应电场。载流子的扩散系数与迁移率的关系称谓爱因斯坦关系：
p
n
t n
p
D D kT
V q
μμ=
=
=。 练习题：
36. Calculate the intrinsic concentration in silicon at 350T K =and at 400T K =. The values of c N and v N vary as 3/2
T
.As a first approxi
-mation, neglect any variation of bandgap energy temperature. Assume that the bandgap energy of silicon is 1.12eV .the value of at 350T K = is
3500.02590.0302300kT eV ??==????
the value of at 400T K = is
4000.02590.0345300kT eV ??==????
We find for 350T K =,
()()3
21919226113
350 1.12exp 2.810 1.0410exp 3.62103000.0302(350) 1.910g i
c v i E n N N cm kT n K cm ---??-????==??=? ? ?
????????
=?For 400T K =,We find
()()3
21919246
123
400 1.12exp 2.810 1.0410exp 5.5103000.0345(400) 2.3410g i c v i E n N N cm kT n K cm ---??-????==??=? ? ???
??????
=? the thermal equilibrium electron and hole concentration in GaAs at T= 300K for the case when the Fermi energy level is above the valence-band energy E v . Assume the bandgap energy is E g =.
(Ans. p 0=,n 0= T= 300K ，N c =, N v =7X1018
cm -3
)
the intrinsic carrier concentration in silicon at (a)T=200K and at (b)T=400K < Ans.(a),(b) .
a compensated germanium semiconductor at T=300K doped at concentration of N a =5x1013
cm -3
and N d = the thermal equilibrium electron and hole concentrations.<=, n 0=,n i =>.
2261313300/ 5.7610/5.1210 1.12510i n n p cm -==??=?
40. Consider a compensated GeAs semiconductor at T=300K doped at concentration of N d =5x1015
cm -3
and N a = the thermal equilibrium electron and hole concentrations. <=, n 0=>.(n i =
41. Consider n-type Silicon at T=300K doped with phosphorus. Determine the doping concentration such that E d -E F = =.(E c -E d =
42. Calculate the position of the Fermi energy level in n-type silicon at T=300K with respect to the intrinsic energy level. The doping concentration are N d =2x1017
cm -3
and
N d =3x1016
cm -3
. =.
半导体器件物理复习题
三． P-N 结： 概念题：
23. 什么是均匀掺杂P-N 结
半导体的一个区域均匀掺杂了受主杂质，而相邻的区域均匀掺杂了施主杂质。值得注意这种结称谓同质结。
24.冶金结
P-N结交接面称谓冶金结。
25.空间电荷区或称耗尽区
冶金结的两边的P区和N区，由于存在载流子浓度梯度而形成了空间电荷区或耗尽区。该区内不存在任何可移动的电子或空穴。N区内的空间电荷区由于存在着施主电离杂质而带正电，P区内的空间电荷区由于存在着受主电离杂质而带负电。
26.空间电荷区的内建电场
空间电荷区的内建电场方向由N型空间电荷区指向P型空间电荷区。
27.空间电荷区的内建电势差
空间电荷区两端的内建电势差维持着热平衡状态，阻止着N区的多子电子向P区扩散的同时，也阻止着P区的多子空穴向N区扩散。
28.P-N的反偏状态
P-N结外加电压（N区相对于P区为正，也即N区的电位高于P区的电位）时，称P-N结处于反偏状态。外加反偏电压时，会增加P-N的势垒高度，也会增大空间电荷区的宽度，并且增大了空间电荷区的电场。
29.理解P-N结的势垒电容
随着反偏电压的改变，耗尽区中的电荷数量也会改变，随电压改变的电荷量可以用P-N结的势垒电容描述。
8.何谓P-N结正偏并叙述P-N结外加正偏电压时，会出现何种情况
9.单边突变结
冶金结一侧的掺杂浓度远大于另一侧的掺杂浓度的P-N结。
10.空间电荷区的宽度
从冶金结延伸到N区的距离与延伸到P区的距离之和。
练习题：
11.画出零偏与反偏状态下，P-N结的能带图。根据能带图写出内建电势的表达式。
12.导出单边突变结空间电荷区内电场的表达式，并根据导出的表达式描述最大电场的表达式，解释反偏电压时空间电荷区的参数如势垒电容，空间电荷区宽度，电场强度如何随反偏电压变化。
13.若固定N D =1015
cm -3
,分别计算（1）N A =1015
cm -3
；（2）N A =1016
cm -3
； （3）N A =1017
cm -3
；（4）N A =1018
cm -3
；T=300K 时的内建电势值。
2
ln
A D
bi T i N N V V n = 14.假如硅半导体突变结的掺杂浓度为N A =2X1016
cm -3
，N D =2X1015
cm -3
， T=300K 。计算（1）V bi ；（2）V R =0与V R =8V 时的空间电荷区宽度W ，（3）V R =0与V R =8V 时的空间电荷区中的最大电场强度。
()1/2
2s bi R a d a d V V N N W q N N ε??+??+=?? ????
?
()()1/2
max max
22bi R a d s a d bi R q V V N N E N N V V E W
ε??+??=-??
?+????+=-
15.在无外加电压的情况下，利用p-n 结空间电荷区中的电场分布图推导出：
（1）内建电势?bi
V =
（2）总空间电荷区宽度W= （3）N 型一侧的耗尽区宽度?n x =
（4）P 型一侧的耗尽区宽度?p
x =
（5）冶金结处的最大电场max
2bi V E W
=
解：
()()
()()
max max 1112211222A
bi n p p s D bi n p n s
qN V x x E W x qN V x x E W x εε=
+==
+=
解：由（1）、（2）两方程得：
()
()
2324s bi
p A s bi n D V x qN W V x qN W
εε=
=
（3）＋（4）得：
222112(5)s bi s bi s bi s bi
p n A D A D eff V V V V W x x qN W qN W qW N N qWN εεεε??=+=+=+=
???
111(6)
:
eff A D
W Where N N N =
=+
解：将W =
3）和（4）得：
(
)
()
2728s bi p A s bi n D V x qN W V x qN W εε==
====
解：由方程（1）得：
()max max max
11222(9)
bi n p bi
V x x E WE V E W
=+==
当外加反向电压等于R V 时：
()
()
()
2102()11s bi R p A s bi R n D V V x qN W V V x qN W εε+==
+==
(12)W =
()max
2(13)bi R V V E W
+=
N 型耗尽区上的压降：
()2
11142D n
s
qN V x ε=
N 型耗尽区上的压降：
()2
21152A p
s
qN V x ε=
内建电势：
()22
12111622D A bi n p
s s
qN qN V V V x x εε=+=+
半导体器件物理复习题
四．P-N 结二极管
1．在P-N 结外加正偏V a 时，利用V bi =V T ln(N A N D /n i 2
) 导出N 区和P 区空间电荷区边缘处的少子浓度相关的边界条件是：()()00exp
,exp ,a a n n n p p p T T
V V
p x p n x n V V =-= 2.画出正偏电压下空间电荷区边缘附近过剩少数载流子分布图，指出少子浓度是按何种关系分布的。
3. 假如硅P-N 结，其掺杂浓度是N A =2X1016
cm -3
，N D =5X1015
cm -3
，当T=300K 时，外加正偏电压V a =。计算空间电荷区边缘处的少子浓度()()
??n n p p p x n x =-= 4. 少子空穴扩散电流密度的表达式是少子电子扩散电流密度的表达式是 5. 写出理想二极管电压－电流关系方程。
6．当二极管正偏时，在T=300K 。分别计算电流变为原来的10倍、100倍时，正向电压的改变量是（记住ln10=，T=300K 时的V T ＝26mV ）。 一． 理解MOS 场效应晶体管的电流－电压方程：
当器件工作在线性区时（即DS GS tn V V V <-时），NMOS 器件漏极电流与电压的关系是：
()()()2
1210;2D n ox GS TN DS DS GS TN DS GS TN W I C V V V V V V V V V L
μ??=
---><-??
其中TN V 是MOS 器件的阈值电压；DS V 是漏－源电压；GS V 是栅－源电压，W 是器件宽度；L 是沟道长度（严格讲L 是沟道反型层的长度）；W
L
有时称MOS 器件的宽长比；ox
ox ox C t ε=是单位面积氧化层电容。
当DS GS TN V V V <<-时，器件工作在深线性区。此时NMOS 器件漏极电流与电压的关系是：
()()()20;D n ox GS TN DS GS TN DS GS TN W
I C V V V V V V V V L
μ=
--><<-
在工程上常利用方程（2）测量MOS 器件的沟道载流子迁移率n μ和阈值电压的大小。只要固
定DS V 不变，给器件施加两个不同的GS V 测出所对应的漏极电流可得到方程组，即可求出所测器件的n μ和TN V 。 例如：
假设被测器件参数为：
8230, 6.910/4ox W m C F cm L m
μμ-==?。保持0.1DS V V =不变，当1 1.5GS V V =时，135D I A μ=；2 2.5GS V V =时，275D I A μ=。求n μ和TN V
解法1：
()()()()()()()()()()2121686628
8
1
1111130
753510 6.910 2.5 1.50.1
4
75351044010773/303 6.9106.910 2.5 1.50.14 1.5D D n ox GS GS DS n n D D n ox GS TN DS GS TN n ox DS
D TN GS n ox DS W
I I C V V V L
cm V s W I I C V V V V V W L C V L
I V V W C V L μμμμμμ-------=
--?=?-?-???===????-?=-?=-=-=-6
8
3510 1.50.8750.62530773 6.9100.14V
--?=-=???? 解法2：
()()()()()()()222112212111212112212112211
16
875 1.535 2.5
0.6257535
351030
6.910 1.54
GS TN D D GS TN D GS TN D GS D TN D GS TN D GS D TN
D GS D GS D D TN
D GS D GS TN D D D n ox GS TN DS V V I I V V I V V I V I V I V V I V I V I V I V I I V I V I V V V
I I I W
C V V V L
μ---=?-=-?--=--=--?-?=
==--=
-?=
?-()()()2
23510773/30
0.6250.01 6.9 1.50.6250.14
cm V s
?=
=?-
单位面积电容82
6.910/ox C F cm -=?时，该器件的栅氧化层厚度是多少：
解：
146
82
8 3.98.8510/ 5.0106.910/5.01050500ox
ox
ox ox ox ox F cm C t cm t C F cm cm nm A
εε----??=
?===??=?==
当器件工作在放大区时（或饱和区时，即DS GS TN V V V ≥-），NMOS 器件漏极电流与电压的关系是：
()()()2
130;2D n ox GS TN GS TN DS GS TN W I C V V V V V V V L
μ=
-->≥-
方程（3）在模拟电路设计中常会用到，用于放大器。
方程（1）（2）在数字电路设计中常会用到，用于开关或“0”、“1”信号的传输。
二．练习题 1.
求300T K =时，NMOS 器件沟道处于耗尽状态时的最大耗尽区宽度?dT x m μ=。假定P 型
衬底的掺杂浓度1531.510a N cm -=?；硅的介电常数14
11.78.8510/si F cm ε-=??；电子
电量19
1.610q C -=?。（保留2位小数）
2.
原始P 型硅均匀掺杂浓度为14310a N cm -=，又进行了均匀的N 型补偿掺杂153
10d N cm -=。在300T K =时电子迁移率是2
1350/n cm V s μ=。若外加电场35/E V cm =，求漂移电
流密度。（保留两位小数） 3.
一个理想N 沟MOS 器件参数如下：()2
/20;450/;350;0.8n ox TN W L cm V s t A V V μ====。
当器件偏置在饱和区时，计算：GS V 加多电压才能保证漏极电流大于3mA 。(提示：氧化物
的介电常数14
3.98.8510/ox F cm ε-=??，保留2位小数)
4.
一个理想的NMOS 器件，反型层表面电子迁移率2
500/n cm V s μ=，阈值电压0.75TN V V =，
氧化层厚度400ox t A =。当偏置在饱和区时，5GS V V =，漏极电流10D I mA =。求器件的
W L =（保留3位小数，14
3.98.8510/
ox
F cm
ε-
=??）
宽长比?
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
半导体器件试题库 常用单位： 在室温（T = 300K ）时，硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C μn =1350 2cm /V s ? μp =500 2 cm /V s ? ε0=8.854×10-12 F/m 一、半导体物理基础部分 （一）名词解释题 杂质补偿：半导体内同时含有施主杂质和受主杂质时，施主和受主在导电性能上有互相抵消 的作用，通常称为杂质的补偿作用。 非平衡载流子：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度， 额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。 迁移率：载流子在单位外电场作用下运动能力的强弱标志，即单位电场下的漂移速度。 晶向： 晶面： （二）填空题 1．根据半导体材料内部原子排列的有序程度，可将固体材料分为 、多晶和 三种。 2．根据杂质原子在半导体晶格中所处位置，可分为 杂质和 杂质两种。 3．点缺陷主要分为 、 和反肖特基缺陷。 4．线缺陷，也称位错，包括 、 两种。 5．根据能带理论，当半导体获得电子时，能带向 弯曲，获得空穴时，能带 向 弯曲。 6．能向半导体基体提供电子的杂质称为 杂质；能向半导体基体提供空穴的杂 质称为 杂质。 7．对于N 型半导体，根据导带低E C 和E F 的相对位置，半导体可分为 、弱简 并和 三种。 8．载流子产生定向运动形成电流的两大动力是 、 。
9．在Si-SiO 2系统中，存在 、固定电荷、 和辐射电离缺陷4种基 本形式的电荷或能态。 10．对于N 型半导体，当掺杂浓度提高时，费米能级分别向 移动；对于P 型半 导体，当温度升高时，费米能级向 移动。 （三）简答题 1．什么是有效质量，引入有效质量的意义何在？有效质量与惯性质量的区别是什么？ 2．说明元素半导体Si 、Ge 中主要掺杂杂质及其作用？ 3．说明费米分布函数和玻耳兹曼分布函数的实用范围？ 4．什么是杂质的补偿，补偿的意义是什么？ （四）问答题 1．说明为什么不同的半导体材料制成的半导体器件或集成电路其最高工作温度各不相同？ 要获得在较高温度下能够正常工作的半导体器件的主要途径是什么？ （五）计算题 1．金刚石结构晶胞的晶格常数为a ，计算晶面（100）、（110）的面间距和原子面密度。 2．掺有单一施主杂质的N 型半导体Si ，已知室温下其施主能级D E 与费米能级F E 之差为 1.5B k T ，而测出该样品的电子浓度为 2.0×1016cm -3，由此计算： （a ）该样品的离化杂质浓度是多少？ （b ）该样品的少子浓度是多少？ （c ）未离化杂质浓度是多少？ （d ）施主杂质浓度是多少？ 3．室温下的Si ，实验测得430 4.510 cm n -=?，153510 cm D N -=?， （a ）该半导体是N 型还是P 型的？ （b ）分别求出其多子浓度和少子浓度。 （c ）样品的电导率是多少？ （d ）计算该样品以本征费米能级i E 为参考的费米能级位置。 4．室温下硅的有效态密度1932.810 cm c N -=?，1931.110 cm v N -=?，0.026 eV B k T =，禁带 宽度 1.12 eV g E =，如果忽略禁带宽度随温度的变化
《半导体器件物理》试卷（二）标准答案及评分细则 一、填空（共24分，每空2分） 1、PN结电击穿的产生机构两种； 答案：雪崩击穿、隧道击穿或齐纳击穿。 2、双极型晶体管中重掺杂发射区目的； 答案：发射区重掺杂会导致禁带变窄及俄歇复合，这将影响电流传输，目的为提高发射效率，以获取高的电流增益。 3、晶体管特征频率定义； β时答案：随着工作频率f的上升，晶体管共射极电流放大系数β下降为1 =所对应的频率 f，称作特征频率。 T 4、P沟道耗尽型MOSFET阈值电压符号； 答案：0 V。 > T 5、MOS管饱和区漏极电流不饱和原因； 答案：沟道长度调制效应和漏沟静电反馈效应。 6、BV CEO含义； 答案：基极开路时发射极与集电极之间的击穿电压。 7、MOSFET短沟道效应种类； 答案：短窄沟道效应、迁移率调制效应、漏场感应势垒下降效应。 8、扩散电容与过渡区电容区别。 答案：扩散电容产生于过渡区外的一个扩散长度范围内，其机理为少子的充放电，而过渡区电容产生于空间电荷区，其机理为多子的注入和耗尽。 二、简述（共20分，每小题5分） 1、内建电场； 答案：P型材料和N型材料接触后形成PN结，由于存在浓度差，N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，而在N区的施主正离子中心固定不动，出现净的正电荷，同样P区的受主负离子中心也固定不动，出现净的负电荷，于是就会产生空间电荷区。在空间电荷区内，电子和空穴又会发生漂移运动，它的方向正好与各自扩散运动的方向相反，在无外界干扰的情况下，最后将达到动态平衡，至此形成内建电场，方向由N区指向P区。 2、发射极电流集边效应； 答案：在大电流下，基极的串联电阻上产生一个大的压降，使得发射极由边缘到中心的电场减小，从而电流密度从中心到边缘逐步增大，出现了发射极电流在靠近基区的边缘逐渐增大，此现象称为发射极电流集边效应，或基区
1.P-N结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的原理 2.简述晶体管开关的原理 3.简述晶体管4个频率参数的定义并讨论它们之间的大小关系 4.简述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、共同点和关系 5.以NPN型晶体管为例，试论述晶体管在不同工作模式下基区少数载流子分 布特征及与晶体管输出特性间的关系 6.请阐述MOSFET的基本结构并结合示意图说明在不同外置电压情况下其工 作状态和输出特性 7.叙述非平衡载流子的产生和复合过程，并描述影响非平衡载流子寿命的因素 8.论述在外加直流电压下P-N结势垒的变化、载流子运动以及能带特征 9.试叙述P-N结的形成过程以及P-N结外加电压时其单向导电特征 10.何谓截止频率、特征频率及振荡频率，请叙述共发射极短路电流放大系数与 频率间的关系 11.请叙述晶体管四种工作模式并分析不同模式下基区少数载流子的分布特征 12.请画出P型半导体理想MOS的C-V曲线，并叙述曲线在不同外加电信号作 用下的曲线特征及原因 13.影响MOS的C-V特性的因素有哪些？它们是如何影响C-V曲线的 14.MOS中硅-二氧化硅，二氧化硅层中有哪些影响器件性能的不利因素 15.介绍MIS结构及其特点，并结合能带变化论述理想MIS结构在加不同偏压 时半导体表面特征 16.晶体管具备放大能力须具备哪些条件 17.饱和开关电路和非饱和开关电路的区别（各自有缺点）是什么 18.简述势垒区正负空间电荷区的宽度和该区杂质浓度的关系 19.结合能带图简述绝缘体、半导体及导体的导电能力 20.说明晶体管具有电信号放大能力的条件并画出不同情况下晶体管的输入输 出曲线并描述其特征 21.请画图并叙述晶体管电流放大系数与频率间的关系 22.请画出MOSFET器件工作中的输出特性及转移特性曲线并描述其特征 23.请叙述双极型晶体管和场效应晶体管的工作原理及区别 24.画出CMOS倒相器的工作图并叙述其工作原理 25.提高双极型晶体管功率增益的途径有哪些 26.请描述双极型晶体管大电流特性下的三个效应 27.画出共基极组态下的晶体管输入及输出特性曲线
一、 选择题：（含多项选择， 共30分，每空1分，错选、漏选、多选均不得分） 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 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n 0p 0=n i 2，载流子的产生率等于复合率，而当np 赣 南 师 范 学 院 2010–2011学年第一学期期末考试试卷（A 卷） 开课学院：物电学院 课程名称：半导体物理学 考试形式：闭卷，所需时间：120分钟 注意事项：1、教师出题时请勿超出边界虚线； 2、学生答题前将密封线外的内容填写清楚，答题不得超出密封线； 3、答题请用蓝、黑钢笔或圆珠笔。 一、填空题（共30分，每空1分） 1、半导体中有 电子 和 空穴 两种载流子，而金属中只有 电子 一种载流子。 2、杂质原子进入材料体内有很多情况，常见的有两种，它们是 替代式 杂质和间隙式 杂质。 1、 3、根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电子遵从费米统计率，对于能量为E 的一个量子态，被一个电子占据的概率为()f E ，表达式为 ， ()f E 称为电子的费米分布函数，它是描写 在热平衡状态下，电子在允许 的量子态上如何分布 的一个统计分布函数。当0F E E k T ->>时，费米分布函数转化为 ()B f E ，表达式为 ，()B f E 称为电子的玻尔兹曼分布函数。在 0F E E k T ->>时，量子态被电子占据的概率很小，这正是玻尔兹曼分布函数适用的范 围。费米统计率与玻尔兹曼统计率的主要差别在于 前者受泡利不相容原理的限制 ，而在0F E E k T ->>的条件下，该原理失去作用，因而两种统计的 结果变成一样了。 4、在一定温度下，当没有光照时，一块n 型半导体中， 电子 为多数载流子， 空穴 是少数载流子，电子和空穴的浓度分别为0n 和0p ，则0n 和0p 的关系为 大于 ，当用g h E ν>>（该半导体禁带宽度）的光照射该半导体时，光子就能把价带电子激发到导带上去，此时会产生 电子空穴对 ，使导带比平衡时多出一部分电子n ，价带比平衡时多出一部分空穴p ，n 和p 的关系为 ， 这时把非平衡电子称为非平衡 多数 载流子，而把非平衡空穴称为非平衡 少数 载流子。在一般小注入情况下，在半导体材料中，非平衡 多数 载流子带来的影响可忽略，原因是 注入的非平衡多数载流子浓度比平衡时的多数 载流子浓度小得多 ，而非平衡 少数 载流子却往往起着重要作用，原因是 2、 注入的非平衡少数载流子浓度比平衡时的少数载流子浓度大得多 。 5、非平衡载流子的复合，就复合的微观机构讲，大致可分为两种，直接复合和间接复合， 直接复合是指 电子在导带和价带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合 ，间接复合是指 电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复合 。载流子在复合时，一定要释放出多余的能量，放出能量的方法有三种，分别为 、 、 3、 发射光子 发射声子 将能量给予其它载流子，增加它们的动能 。 6、在外加电场和光照作用下，使均匀掺杂的半导体中存在平衡载流子和非平衡载流子，由于 半导体表面非平衡载流子浓度比内部高 ，从而非平衡载流子在半导体中作 运动，从而形成 电流，另外，由于外加电场的作用，半导体中的所有载流子会作 运动，从而形成 电流。 二、选择题（共10分，每题2分） 1、本征半导体是指 的半导体。 A 、不含杂质和缺陷 B 、电子密度与空穴密度相等 C 、电阻率最高 D 、电子密度与本征载流子密度相等 2、在Si 材料中掺入P ，则引入的杂质能级 A 、在禁带中线处 B 、靠近导带底 C 、靠近价带顶 D 、以上都不是 3、以下说法不正确的是 A 、价带电子激发成为导带电子的过程，称为本征激发。 B 、本征激发后，形成了导带电子和价带空穴，在外电场作用下，它们都将参与导电。 C 、电子可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向晶格释放能量。 D 、处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热载流子。 4、以下说法不正确的是 半导体期末复习补充材料 一、名词解释 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。 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。 4、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。 1、PN结电容可分为扩散电容和过渡区电容两种，它们之间的主要区别在于 扩散电容产生于过渡区外的一个扩散长度范围内，其机理为少子的充放 电，而过渡区电容产生于空间电荷区，其机理为多子的注入和耗尽。 2、当MOSFET器件尺寸缩小时会对其阈值电压V T产生影响，具体地，对 于短沟道器件对V T的影响为下降，对于窄沟道器件对V T的影响为上升。 3、在NPN型BJT中其集电极电流I C受V BE电压控制，其基极电流I B受V BE 电压控制。 4、硅-绝缘体SOI器件可用标准的MOS工艺制备，该类器件显著的优点是 寄生参数小，响应速度快等。 5、PN结击穿的机制主要有雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿等等几种，其中发 生雪崩击穿的条件为V B>6E g/q。 6、当MOSFET进入饱和区之后，漏电流发生不饱和现象，其中主要的原因 有沟道长度调制效应，漏沟静电反馈效应和空间电荷限制效应。 二、简答题 1、发射区重掺杂效应及其原因。 答：发射区掺杂浓度过重时会引起发射区重掺杂效应，即过分加重发射区掺杂不但不能提高注入效率γ，反而会使其下降。 原因：发射区禁带宽度变窄和俄歇复合效应增强 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： 在导带能量范围（ ~c E ∞ ）内，对导带量子态密度函数 导带中电子的有效状态密度。 在价带能量范围（ ~v E -∞） 内，对价带量子态密度函数 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以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10. 11. 12. 13. 14. 本征费米能级Fi E ： 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带 带宽度g c v 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： 本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近，且跟温度有关。如果电子和空穴的有效质量严格相等，那么本征半导体费米能级 半导体器件物理施敏课后答案 【篇一：半导体物理物理教案(03级)】 >学院、部：材料和能源学院 系、所；微电子工程系 授课教师：魏爱香，张海燕 课程名称；半导体物理 课程学时：64 实验学时：8 教材名称：半导体物理学 2005年9-12 月 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 1.1半导体中的晶格结构和结合性质 1.2半导体中的电子状态和能带 本授课单元教学目标或要求： 了解半导体材料的三种典型的晶格结构和结合性质；理解半导体中的电子态, 定性分析说明能带形成的物理原因，掌握导体、半导体、绝缘体的能带结构的特点 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和方法： 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和典型题解》?电子工 业 出版社2005 3. 施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理和工艺》，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”、“教学手段和方法”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。 更多精品文档 一、 选择题：（含多项选择， 共30分，每空1分，错选、漏选、多选 均不得分） 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 ≈2×1017 cm －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 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n 0p 0=n i 2，载流子的产生率等于复合率，而当np ●在300K 下，Si 在价带中的有效态密度为2,66X 19 103 cm -,而GaAs 为7X 18 10 3 cm -，求 出空穴的有效质量，并与自由电子质量比较。 ●画出在77K ，300K,及600K 时掺杂 1610个/3cm 的As 原子的Si 简化能带图，标示出费米能 级且使用本征F E 作参考量。 ●求出i S 在300K 时掺入下列掺杂情形下电子空穴浓度及费米能级。 ●对一半导体而言，其具有一固定的迁移率比 b=n u /p u >1,且与杂质浓度无关，求其最大的电 阻率m ρ并以本征电阻率i ρ及迁移率比表示。 ●给定一个未知掺杂的i S 晶样品，霍耳测量提供了以下信息： ω=0.05cm,A=1.6x 3-103cm -,I=2.5mA,磁场为30nT(1T=4-10wb/2 cm ),若测出的霍耳电压为 10mV ,求半导体样品的霍耳系数，导体型态，多子浓度，电阻率及迁移率。 ●线性缓变Si 结，其掺杂梯度为420 cm 10 -，计算内建电势及4V 反向偏压的结电容（T=300K ）。 对一理想突变p-n 结，其 D N =316cm 10-，当外加正偏压1V 时，求出中性区（n 区）没单位 面积储存的少子、中性区的长度为1μm,p L 5μm. ●对一理想突变p-n 结，其 D N =316cm 10-，当外加正偏压1V 时，求出中性区（n 区）没单 位面积储存的少子、中性区的长度为1μm, p L =5μm. ●设计一+ p -n Si 突变结二极管，其反向击穿电压为130V ，正偏电流在V V 7.0h =时为2.2mA,设. 1070p s -=τ 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以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10. 11. 12. 13. 14. 本征费米能级Fi E ： 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带 中央附近， g c v 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： 题库(一) 半导体物理基础部分 1、计算分析题 已知：在室温（T = 300K ）时，硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C μn =1350 2cm /V s ? μp =500 2 cm /V s ? 半导体硅材料在室温的条件下，测得 n 0 = 4.5×104/cm 3， N D =5×1015/cm 3 问：⑴ 该半导体是n 型还是p 型？ ⑵ 分别求出多子和少子的浓度 ⑶ 样品的电导率是多少？ ⑷ 分析该半导体的是否在强电离区，为什么0D n N ≠？ 2、说明元素半导体Si 、Ge 中的主要掺杂杂质及其作用？ 3、什么叫金属-半导体的整流接触和欧姆接触，形成欧姆接触的主要方法有那些？ 4、为什么金属与重掺杂半导体接触可以形成欧姆接触？ P-N 部分 5、什么叫pn 结的势垒电容？分析势垒电容的主要的影响因素及各因素导致垒电容大小变化的趋势。 6、什么是pn 结的正向注入和反向抽取？ 7、pn 结在正向和反向偏置的情况下，势垒区和载流子运动是如何变化的？ 8、简述pn 结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的机理． 9、什么叫二极管的反向恢复时间，提高二极管开关速度的主要途径有那些？ 10、如图1所示，请问本PN 结的偏压为正向，还是反向？准费米能级形成的主要原因? PN 结空间电荷区宽度取决的什么因素，对本PN 结那边空间电荷区更宽？ 图1 pn结的少子分布和准费米能级 三极管部分 11、何谓基区宽变效应？ 12、晶体管具有放大能力需具备哪些条件？ 13、怎样提高双极型晶体管的开关速度？ 14、双极型晶体管的二次击穿机理是什么？ 15、如何扩大晶体管的安全工作区范围？ 16、详细分析PN结的自建电场、缓变基区自建电场和大注入自建电场的异同点。 17、晶体管的方向电流I CBO、I CEO是如何定义的？二者之间有什么关系？ 18、高频时，晶体管电流放大系数下降的原因是什么？ 19、如图2所示，请问双极型晶体管的直流特性曲线可分为哪些区域，对应图中的什么位置？ 各自的特点是什么?从图中特性曲线的疏密程度，总结电流放大系数的变化趋势，为什么？ 《半导体器件物理》教学大纲 课程名称: 半导体器件物理 学分: 4 总学时:64 实验学时:（单独设课）其它实践环节：半导体技术课程设计 适用专业:集成电路设计与集成系统 一、本课程的性质和任务 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。本课程是本专业必修课和学位课。 本课程的任务是：通过本课程的学习，掌握半导体物理基础、半导体器件基本原理和基本设计技能，为学习后续的集成电路原理、CMOS模拟集成电路设计等课程以及为从事与本专业有关的集成电路设计、制造等工作打下一定的基础。 二、本课程的教学内容和基本要求 一、半导体器件简介 1．掌握半导体的四种基础结构； 2．了解主要的半导体器件； 3．了解微电子学历史、现状和发展趋势。 二、热平衡时的能带和载流子浓度 1．了解主要半导体材料，掌握硅、锗、砷化镓晶体结构； 2．了解基本晶体生长技术； 3．掌握半导体、绝缘体、金属的能带理论； 4．掌握本征载流子、施主、受主的概念。 三、载流子输运现象 １．了解半导体中两个散射机制；掌握迁移率与浓度、温度的关系； ２．了解霍耳效应； ３．掌握电流密度方程式、爱因斯坦关系式； ４．掌握非平衡状态概念；了解直接复合、间接复合过程； ５．掌握连续性方程式； ６．了解热电子发射过程、隧穿过程和强电场效应。 四、p-n结 １．了解基本工艺步骤：了解氧化、图形曝光、扩散和离子注入和金属化等概念； ２．掌握热平衡态、空间电荷区的概念；掌握突变结和线性缓变结的耗尽区的电场和电势分布、势垒电容计算； ３．了解理想p-n结的电流-电压方程的推导过程； ４．掌握电荷储存与暂态响应、扩散电容的概念； ５．掌握p-n结的三种击穿机制。 ６．了解异质结的能带图。 五、双极型晶体管及相关器件 １．晶体管的工作原理：掌握四种工作模式、电流增益、发射效率、基区输运系数；２．双极型晶体管的静态特性：掌握各区域的载流子分布；了解放大模式下的理想晶体管的电流-电压方程；掌握基区宽度调制效应； 3．双极型晶体管的频率响应与开关特性：掌握跨导、截止频率、特征频率、最高振荡频率的概念； 4．了解异质结双极型晶体管HBT的结构及电流增益； 5．了解可控硅器件基本特性及相关器件。 六、MOSFET及相关器件 1．掌握MOS二极管基本结构、三种表面状态、C-V特性、平带电压；了解CCD器件；2．掌握MOSFET基本原理，掌握阈值电压的计算及影响因素； 3．了解电流-电压方程推导过程，掌握MOSFET的种类及亚阈值区的概念； ４．短沟道效应、CV及CE理论； ５．MOS反相器的原理与闩锁效应； ６．T和SOICMOS结构。 七、MESFET及相关器件 １．金属-半导体接触的能带图及肖特基势垒理论； ２．MESFET基本器件结构及工作原理； ３．MESFET电流-电压方程推导及截止频率的概念； ４．了解MODFET的基本原理。 八、微波二极管、量子效应和热电子器件 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 ? 半导体器件物理复习题 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（ 般为兀素周期表中的 川族兀素）。 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（ 般为兀素周期表中的 V 族兀 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， 费米能级咼于导带底 （E F -E c ）；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（ E F - E v ：：： 0 ）。 7. 有效状态密度: * 3/2 2n ?）J E 二 E 与 在价带能量范围（亠~ E v ）内，对价带量子态密度函数 g v （E ）= 4叮 空穴玻尔兹曼函数f F E=exp-E F —E 的乘积进行积分（即 1 kT 」 8. 以导带底能量E c 为参考，导带中的平衡电子浓度: “ * 3/2 ;4 応（2g ） 启_— 「 E —E F dE ）得到的 2 二 m n kT 称谓导带中 h 3 9. 以价带顶能量E v 为参考，价带中的平衡空穴浓度: 以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10. * 3/2 4二 2m n 导带量子态密度函数 g c E - 3 h > E - E c 14.本征费米能级E Fi : 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近， 1 3 f *冷 m p 3 i —E midgap + — kT ln 4 I m p E 丿 ； 其中禁带宽度 E g = E-Q 。E 15. 本征载流子浓度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 n o 二P o 二n j 。硅半导体，在 10 3 T =300K 时，n i =1.5 10 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： 本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近， 且跟温度有关。如果电子和空穴的有效质量 严格相等，那么本征半导体费米能级的位置严格位于禁带中央。 在该书的其后章节中， 都假 肌=2 m *kT “ < h 2丿 3 2 Nv =2| ‘2兀 m ；kT ' < h 2丿 3 2 12.导带中电子的有效状态密度 13?价带中空穴的有效状态密度 ？ n 严肌旳卜空^斤幻其含义是: 导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘《半导体物理学》期末考试试卷(A卷)-往届
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