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中科院半导体所2012考研真题
一、（60分）
1 半导体物理中引入了哪些有效质量的概念，并说明它们的物理意义。
2 试用能带理论描述半导体与金属导电的区别。
3 描述半导体系统处于稳态和热平衡状态的区别，如何判别。
4 说明pn结理论中耗尽近似的使用条件，并说明其局限性。
5 描述半导体中载流子迁移率的主要影响机制。
6 描述半导体材料的霍尔效应有何用途？
二、（15分）分别用硼、磷、金原子杂质对硅半导体进行掺杂，描述它们所起的作用，以及他们主要的区别。
三、（15分）分析PN结的击穿机制。
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四、（20分）对于中等掺杂水平的P型半导体，画出下列四种情况下的能带简图，标出费米能级或准费米能级的位置。
1 常温下无光照。
2 常温下有光照，小注入。
3 常温下有光照，大注入。
4 高温下。
五、（20分）
1 分析理想情况下，金属与N型半导体接触形成势垒和势阱的条件。
2 为何会出现费米能级钉扎效应，试做定义分析。
第3/4页
六、（20分）以N型半导体为衬底形成的理想MOS结构，在不同的外加栅电压VG下。
1 出现的表面状态类型、对应的表面势ΨS及栅电压VG方向。
2 分别求出弱反型和强反型的条件。
3 定性分析不同表面状态时MOS电容和表面势的关系
最后
祝大家取得理想成绩~~~
2012.12.9。
2012年408真题及答案解析2012年全国硕⼠研究⽣⼊学统⼀考试计算机科学与技术学科联考计算机学科专业基础综合试题⼀、单项选择题：第1～40⼩题，每⼩题2分，共80分。
下列每题给出的四个选项中，只有⼀个选项最符合试题要求。
1．求整数n(n≥0)阶乘的算法如下，其时间复杂度是。
int fact(int n){if (n<=1) return 1;return n*fact(n-1);}A. O(log2n)B. O(n)C. O(nlog2n)D. O(n2)2．已知操作符包括…+?、…-?、…*?、…/?、…(?和…)?。
将中缀表达式a+b-a*((c+d)/e-f)+g转换为等价的后缀表达式ab+acd+e/f-*-g+时，⽤栈来存放暂时还不能确定运算次序的操作符，若栈初始时为空，则转换过程中同时保存在栈中的操作符的最⼤个数是。
A．5 B．7 C．8 D．113．若⼀棵⼆叉树的前序遍历序列为a, e, b, d, c，后序遍历序列为b, c, d, e, a，则根结点的孩⼦结点。
A. 只有eB. 有e、bC. 有e、cD. ⽆法确定4．若平衡⼆叉树的⾼度为6，且所有⾮叶结点的平衡因⼦均为1，则该平衡⼆叉树的结点总数为。
A. 10B. 20C. 32D. 335．对有n个结点、e条边且使⽤邻接表存储的有向图进⾏⼴度优先遍历，其算法时间复杂度是。
A．O(n) B．O(e) C．O(n+e) D．O(n*e)6．若⽤邻接矩阵存储有向图，矩阵中主对⾓线以下的元素均为零，则关于该图拓扑序列的结论是。
A．存在，且唯⼀B．存在，且不唯⼀C．存在，可能不唯⼀D．⽆法确定是否存在7．对如下有向带权图，若采⽤迪杰斯特拉（Dijkstra）算法求从源点a到其他各顶点的最短路径，则得到的第⼀条最短路径的⽬标顶点是b，第⼆条最短路径的⽬标顶点是c，后续得到的其余各最短路径的⽬标顶点依次是。
A．d,e,f B．e,d,f C．f,d,e D．f,e,d8．下列关于最⼩⽣成树的叙述中，正确的是。
………密………封………线………以………内………答………题………无………效……2012半导体物理学期末试题一、选择填空（22分）1、在硅和锗的能带结构中，在布里渊中心存在两个极大值重合的价带，外面的能带（ B ），对应的有效质量（ C ），称该能带中的空穴为( E )。
A. 曲率大；B. 曲率小；C. 大；D. 小；E. 重空穴；F. 轻空穴2、如果杂质既有施主的作用又有受主的作用，则这种杂质称为（F ）。
A. 施主B. 受主C.复合中心D.陷阱 F. 两性杂质3、在通常情况下，GaN呈（ A ）型结构，具有（ C ），它是（F ）半导体材料。
A. 纤锌矿型；B. 闪锌矿型；C. 六方对称性；D. 立方对称性；E.间接带隙；F. 直接带隙。
4、同一种施主杂质掺入甲、乙两种半导体，如果甲的相对介电常数εr是乙的3/4，m n*/m0值是乙的2倍，那么用类氢模型计算结果是（D ）。
A.甲的施主杂质电离能是乙的8/3，弱束缚电子基态轨道半径为乙的3/4B.甲的施主杂质电离能是乙的3/2，弱束缚电子基态轨道半径为乙的32/9C.甲的施主杂质电离能是乙的16/3，弱束缚电子基态轨道半径为乙的8/3D.甲的施主杂质电离能是乙的32/9，的弱束缚电子基态轨道半径为乙的3/85、.一块半导体寿命τ=15µs，光照在材料中会产生非平衡载流子，光照突然停止30µs后，其中非平衡载流子将衰减到原来的（C ）。
A.1/4 ； B.1/e ； C.1/e2； D.1/26、对于同时存在一种施主杂质和一种受主杂质的均匀掺杂的非简并半导体，在温度足够高、n i>> /N D-N A/ 时，半导体具有（ B ）半导体的导电特性。
A. 非本征 B.本征7、在室温下，非简并Si中电子扩散系数Dｎ与ＮＤ有如下图（C ）所示的最恰当的依赖关系：ＤｎＤｎＤｎＤｎ8、在纯的半导体硅中掺入硼，在一定的温度下，当掺入的浓度增加时，费米能级向（A ）移动；当掺………密………封………线………以………内………答………题………无………效……杂浓度一定时，温度从室温逐步增加，费米能级向( C )移动。
………密………封………线………以………内………答………题………无………效……电子科技大学2012-2013学年第 1 学期期 末 考试 A 卷课程名称：微处理器系统结构与嵌入式系统设计 考试形式：一本书开卷 考试日期：2013年1月16日 考试时长：120分钟平行班课程成绩构成：平时 10 %， 期中 15 %， 实验 15 %， 期末 60 % 英才班课程成绩构成：平时 30 %， 期中 0 %， 实验 20 %， 期末 50 % 本试卷试题由 3 部分构成，共 4 页。
注意：请将第一、二题答案填入指定位置。
一、单选题答案（共30分，共30空，每空1分）二、填空题答案（共28分，共28空，每空1分）1. ① 存储器 ② I/O 端口 （可交换顺序）2. ① 一条机器指令由一段微程序来解释执行3. ① 指令 ② 总线4. ① IRQ ② FIQ （可交换顺序）5. ① 1.78 ② 44.94 ③ 2.886. ① 1100 0011 0000 1010 ② 1010 0010 1001 1010 ③ 1 ④ 1 ⑤ 1 ⑥ 0 （说明：该题评阅时按上述答案给分，但实际ARM 是32位CPU ，基本没有同学考虑到）7. ① 非流水线执行时间相对流水线执行时间之比8. ① 一段时间内，计算机工作时所需的指令和数据总是集中存放在临近地址的存储单元 9. ① 复位 ② 电源 ③ 时钟 ④ 存储系统 ⑤ 调试接口 （可交换顺序） 10. ① 异常 （或中断） 11. ① BIC ② ORR12. ① =ULCON0(或=0x50000000) ② #0x2B （或#0xAB ）………密………封………线………以………内………答………题………无………效……一、单选题（共30分，共30空，每空1分）1.以下常用总线标准中，不属于片内总线的是（）。
A、Core ConnectB、AMBAC、AvalonD、SATA2.计算机系统中，以下不属于“异常”的是（）。
( 1 ) p-n 结势垒区中存在有空间电荷和强的电场。
(V)( 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。
(V)( 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。
( V )( 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。
(V)(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。
( V )( 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。
(V)( 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。
(V)( 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。
2012——2013学年度电子技术基础与技能中期考试试题一．选择题（每题2分）1.最常见的半导体材料是( )A.铜B. 铁C. 硅和锗D. 铝2．二极管两端加正向电压时（）A．一定导通 B超过死区电压才导通 C. 超过0.7V导通 D. 超过0.3V才导通3．某硅二极管反向击穿电压为150V，则其最高反向工作电压（）A. 约等于150V B.可略大于150V C. 不得大于40V D.等于75V4．稳压二极管的稳压性能是利用二极管的（）特性实现A.单向导电B.反向击穿C.正向导通D.反向截5．如果在NPN型三极管放大电路中测得发射结为正向偏置，集电结也为正向偏置，则此管的工作状态为（）A、放大状态B、饱和状态C、截止状态D、不能确定6．在一个放大电路中，测得某三极管各极对地的电位为U1=3V，U2=﹣3V，U3=﹣2.7V，则可知该管为（）。
A. PNP锗管B. NPN硅管C. NPN锗管D. PNP硅管7．已知某三极管的三个电极电位为6V, 2.7V, 2V, 则可判断该三极管的类型及工作状态为（）。
A、NPN型，放大状态B、PNP型，截止状态C、NPN型，饱和状态D、PNP型，放大状态8．二极管的反向电阻（）。
A．小 B．大 C．中等 D．为零9．测得晶体管三个电极的静态电流分别为 0.06mA，3.66mA 和3.6mA 。
则该管的β为（）。
A．70 B．40 C．50 D．60 10．在单相桥式整流电路中，变压器次级电压为10V（有效值），则每只整流二极管承受的最大反向电压为（）A.10VB.102 VC. 10/2 VD.20V 11．桥式整流加电容滤波电路，设整流输入电压为20V，此时，输出的电压约为( )A.24VB.18VC.9VD.28.2V12.分压式偏置电路利用（）的负反馈作用来稳定工作点。
A．电容 B.基极电阻 C.集电极电阻 D.发射极电阻13.下列器件中（）将电信号转化成光信号。
2012级研究生半导体物理学期末考试试题注：卷面满分94分，平时作业及考勤6分，满分100分一、 解释下列物理概念：（每题3分，共30分）1. p15空穴:空的量子态;将价带电子的导电作用等效为带正电荷的准粒子的导电作用; 空穴的主要特征： A 、荷正电：+q ； B 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； C 、E P =-E n D 、m P *=-m n *，在半导体中存在两种载流子：（1）电子；（2）空穴；而在本征半导体中，n=p 。
价带内k e 态空出时，价带的电子产生的总电流，就如同一个带正电荷q 的粒子以k e 状态的电子速度V （k e ）运动时所产生的电流,称这个带正电的粒子为空穴。
空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应价带中的电子空位.电子和空穴共同参与半导体的导电。
在价带顶附近空穴的有效质量为正的恒量。
空穴的有效质量记为 m p *外面的能带曲率小，对应的有效质量大，称该能带中的空穴为重空穴 ，(m p *)h 。
内能带的曲率大，对应的有效质量小，称此能带中的空穴为轻空穴，（m p *)l 。
价带附近的空状态，称为空穴。
可以把它看成是一个携带电荷（+q)、以与空状态相对应的电子速度运动的粒子。
空穴具有正的有效质量。
2 .p48 等电子陷阱: 固体中的等电子杂质以短程作用为主的俘获电子或空穴所形成的束缚态。
所谓等电子杂质系指与点阵中被替代的原子处于周期表中同一族的其他原子。
例如 GaP 中取代P 位的N 或Bi 原子。
等电子杂质本身是电中性的,但由于它与被替代的原子有不同的电负性和原子半径，这些差异会产生以短程作用为主的杂质势，可以俘获电子(或空穴)。
当这种杂质势的绝对值大于电子(或空穴)所处的能带的平均带宽或电子的有效“动能”时，能带中的电子（或空穴）便可能被等电子杂质所俘获并造成电子（或空穴）束缚态。
相对于点阵原子而言，通常电负性大的等电子杂质形成电子束缚态，反之形成空穴束缚态。
前者又称等电子受主，后者为等电子施主。
这是两种最基本的等电子陷阱。
此外，实验上已确认：不仅孤立的等电子杂质，而且不同距离的两个等电子杂质联合成对，例如GaP 中的NNi 对（i=1,2,…分别表示处于第一近邻、第二近邻……等的NN 对）也可以形成等电子陷阱。
等电子陷阱通过短程势俘获电子(或空穴)之后，成为负电（或正电）中心，可以借助长程库仑作用吸引一个空穴（或电子），于是形成了等电子陷阱上的束缚激子。
因为这种束缚激子(至少其中有一个载流子)在正常空间中是非常局域化的,根据量子力学的测不准关系,它在动量空间的波函数相当弥散，使得处于布里渊区内动量不为零的电子在动量为零处波函数也有相当幅度。
这样，就和空穴波函数有大的交叠。
因而有可能实现准直接跃迁而使辐射复合几率显著提高。
在间接带隙的材料中，引入适当的等电子杂质，就可使发光效率获得显著提高。
这一原理已在GaP 和GaAsP 发光二极管的制造中被广泛应用。
3.p131准费米能级: 能带中的能级可容纳自旋相反的两个电子, 电子占据能量E 的量子态的几率, 11)(+=-kT E E Fe Ef 费米分布函数; 式中E F 具有能量量纲，称为费米能级。
空穴的费米分布函数11)(1+=---kT E E Fe Ef **P e m m =-温度不很高时: ♣能量大于E F的量子态基本没有被电子占据♣能量小于E F的量子态基本为电子所占据♣电子占据E F的概率在各种温度下总是 1/2;费米能级由温度和杂质浓度决定;费米能级位置标志着电子填充能级水平的高低。
E F 的意义: E F 的位置比较直观地反映了电子占据电子态的情况。
即标志了电子填充能级的水平。
E F 越高，说明有较多的能量较高的电子态上有电子占据。
杂质半导体中，E F的位置既反映其导电类型，又反映其掺杂水平4. 激子:p262半导体中电子和空穴因库仑力相互作用而形成的电子、空穴对。
体半导体材料中, 激子结合能小，在低温、高纯材料中才能观察到, 半导体量子阱中, 激子结合能大，在室温下能观察到; 绝缘体或半导体中电子和空穴由其间库仑相互作用而结合成的一个束缚态系统。
在半导体中，如果一个电子从满的价带激发到空的导带上去，则在价带内产生一个空穴，而在导带内产生一个电子，从而形成一个电子-空穴对。
空穴带正电，电子带负电，它们之间的库仑吸引互作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起，这样形成的复合体称为激子。
一个激发态分子S*与它的一个基态分子S 结合形成一个瞬态激发态二聚体(SS)*，被称作激子或激基缔合物，它比较容易在芳香族溶液体系中形成，S*+S←→(SS)*→S+S+hv 通常激子的能量低于激发态分子。
因此，这种激子去活时发出的荧光具较长的波长。
在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子。
通常可分为万尼尔（Wannier ）激子和弗伦克尔（Frenkel ）激子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半导体中；后者电子和空穴束缚在体元胞范围内，库仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中。
5. 二维电子气:p268 二维电子气(2DEG)调制掺杂异质结势阱中的电子在与结平行的平面(x-y)内作自由电子运动，实际就是在量子阱区内准二维运动，称为二维电子气。
E xy 连续，E z 量子化。
2. 二维电子气的子带及态密度()22*22y x i xy z k k mh E E E E ++=+=二维电子气中单位面积单位能量间隔的子带态密度()2*221h m dE dN L E D i π==,异质结二维电子气的电子态密度()()∑=ii E D E D ,量子阱中电子在平行于结面内的运动是自由的，形成了二维电子气.6.复合中心的俘获截面p1387.p86 禁带变窄效应:③禁带宽度变窄：对于高掺杂的简并半导体，由于杂质能带和能带尾的出现，当杂质能带随着掺杂浓度的提高而展宽、并达到与导带底或价带顶相连接时，即就相当于使得禁带宽度变窄了（如图所示，禁带宽度由原来较宽的Eg变为了较窄的Eg’）。
在室温下，n型Si中由于高掺杂（杂质浓度为ND）而使禁带宽度变窄的量可给出为：禁带宽度的变窄即相应地使本征载流子浓度大大增加。
因而，少数载流子的浓度也相应地大大增加。
可见，禁带宽度变窄的效应对少数载流子浓度有很大影响，从而对依靠少数载流子工作的BJT等半导体器件会产生严重的影响。
但是，禁带宽度变窄效应一般对多数载流子浓度没有什么影响（因为在室温下杂质往往是全电离的，多数载流子浓度≈掺杂浓度）8. 磁阻效应p334-336:由于磁场的存在引起电阻的增加，称这种效应为磁阻效应;物理磁阻效应:1．一种载流子;P型：电场加在x 方向，磁场在z 方向,达到稳定时：zx y B qV qE=只考虑一种载流子的材料的磁阻效应，通常用 ：20)(z H m B T μρρ=∆T m 为磁阻系数μH 为霍尔迁移率，它表示载流子在单位磁场强度下的偏转强度;2．同时考虑两种载流子:B z =0、E =E x时，电子逆电场方向运动，形成电场方向电流J n ,空穴沿电场方向运动，形成电场方向电流J p ,总电流：J 0=J n +J p .B z ≠0时，沿x 方向的总电流应是两电流的矢量之和0J J J J p n <+=r r ∴电阻升高三、几何磁阻效应 1．长条样品(P 型)9. 表面电场效应:p210由于表面态与体内电子态之间交换电子，结果产生了垂直于表面的电场。
(E F)s→表面费米能级,(E F)s≠ E F,在外加电场作用下，半导体表面层内发生的现象(空间电荷区,表面势,能带弯曲和载流子浓度的变化)。
1．空间电荷区和表面势, 理想的MIS结构:金属与半导体间功函数差为零,绝缘层中无电荷且绝缘层完全不导电,绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态, MIS结构是一电容♣在金属与半导体间加电压后, 金属和半导体相对的两个面上被充电, 符号相反♣金属中, 电荷分布在一个原子层范围内;半导体中, 电荷分布在一定厚度的表面层内---空间电荷区,半导体表面与体内的电势差为表面势，用V S表示.2．能带弯曲和载流子浓度的变化,(1) 能带弯曲,有表面势存在时，空间电荷区内的电子受到一个附加电势的作用，电子的能量变为：E C(x)=E C±q V(x) 、E V(x)=E V±q V(x) ,V G>0，V S>0时，取负号，空间电荷区的能带从体内到表面向下弯曲●V G<0，V S<0时，取正号，空间电荷区的能带从体内到表面向上弯曲.共价半导体的表面再构现象:近表面几个原子厚度的表面层中, 离子实所受的势场作用不同于晶体内部, 使得晶体的三维平移对称性在表面层中受到破坏,表面上形成新的原子排列结构, 这种排列具有沿表面的二维平移对称性.表面态分为施主型表面态和受主型表面态。
施主型表面态:不论能级在禁带中的位置如何, 能级被电子占据时呈电中性, 释放电子后带正电. 这样的表面态;受主型表面态:不论能级在禁带中的位置如何, 能级空着时呈电中性, 接受电子后带负电, 这样的表面态;10. 隧道结:p186-187重掺杂> 1019/cm3，这种强p型、强n型材料形成的p+-n+结称为隧道结。
1．隧道结的能带结构2．隧道结的伏安特性二、简要回答下列问题：（请从下列9个小题中任意选出8个小题，每题8分，共64分）1. 什么是有效质量？描述半导体中电子的运动为什么要引入有效质量？实际中如何研究半导体的有效质量？p13自由空间的电子从粒子性出发, 它具有一定的质量 m 0和运动速度 V, 它的能量E 和动量P;m *为导带底或价带顶电子的有效质量;导带底电子的m *>0;价带顶电子的m *<0;有效质量的意义:概括了半导体内部势场作用，使得在解决半导体中电子在外力作用的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。
m *的特点: 1.决定于材料2.与电子的运动方向有关 3.4.是一张量;内层: 带窄,22dk E d 小, m *大.外层: 带宽, 大, m *小.在导带底电子的有效质量为正恒量;在价带顶电子的有效质量为负恒量;能量、速度和有效质量与波矢的关系;F 外 = m *a,知道有效质量可以求出外力;当E (k )曲线开口向上时,m *>0。
当E (k )曲线开口向下时,m *<0;由电子的有效质量 m*e可推导出空穴的波有效质量m*p 及加速度;等能面的形状与有效质量密切相关;球形等能面---有效质量各向同性（1个）椭球等能面---有效质量各向异性(不止1个）;将一半导体样品放在一均匀恒定的磁场B 中,电子在磁场中作螺旋运动,它的回旋频率ωc 与有效质量(对于球形等能面)的关系为: *m qB c =ω , 测出共振吸收时电磁波的频率 ω 和磁感应强度 B E (k ) 与 k 的关系.外面的能带曲率;有效质量的概念及物理意义 2.导体中杂质和缺陷有哪些类型？杂质能级为什么位于禁带中？说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质的作用有何不同？p37实际半导体晶格偏离理想情况出现杂质,缺陷;杂质和缺陷影响原子的周期性势场受到破坏导致在禁带中引入能级,这就决定了决定半导体的物理和化学性质; 杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。
