半导体物理与器件习题.doc

第一章 固体晶格结构1如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是 。2所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。3半导体的电阻率为10-3109cm。4什么是晶体？晶体主要分几类？5什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。常用的掺杂方法有扩散和离子注入。6什么是替位杂质？什么是填隙杂质？7什么是晶格？什么是原胞、晶胞？ 第二章 量子力学初步1量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。2什么是概率密度函数？3描述原子中的电子的四个量子数是： 、 、 、 。第三章 固体量子理论初步1能带的基本概念n 能带（energy band）包括允带和禁带。n 允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。n 禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。n 允带又分为空带、满带、导带、价带。n 空带（empty band）：不被电子占据的允带。n 满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。导带：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。价带:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。2什么是漂移电流？漂移电流：漂移是指电子在电场的作用下的定向运动，电子的定向运动所产生的电流。3什么是电子的有效质量？晶格中运动的电子，在外力和内力作用下有：总外内=ma, m是粒子静止的质量。外=m*na, m*n称为电子的有效质量。4位于能带底的电子，其有效质量为正，位于能带顶电子，其有效质量为负。5在室温T=300K，Si的禁带宽度：Eg=1.12eVGe的禁带宽度：Eg=0.67eVGaAs的禁带宽度：Eg=1.43eVEg具有负温度系数，即T越大，Eg越小；Eg反应了，在相同温度下，Eg越大，电子跃迁到导带的能力越弱。6在热平衡状态下，晶体中的电子在不同能量的量子态上统计分布几率是一定 的，电子遵循费米统计律，电子的费米分布函数是：费米能级EF和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量有关。处于热平衡状态的系统有统一的费米能级。因此，在温度不很高时，能量大于费米能级的量子态基本没有被电子占据，而能量小于费米能级的量子态基本上为电子所占据；而电子占据费米能级的几率在各种温度下总是/2.费米能级标志了电子填充能级的水平，比EF高的量子态，基本为空，而比EF底的量子态基本上全被电子所占满.这样费米能级 EF就成为量子态是否被电子占据的分界线：1) 能量高于费米能级的量子态基本是空的；2) 能量低于费米能级的量子态基本是满的；3) 能量等于费米能级的量子态被电子占据的几率是50%。4）费米能级越高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子.7什么是非简并半导体？什么是简并半导体？通常将服从玻耳兹曼统计规律的半导体称为非简并半导体； 而将服从费米统计分布规律的半导体称为简并半导体。8什么是空穴，空穴是怎样形成的？当一个价电子跃入导带后，就会留下一个带正电的“空状态”； 价电子在空状态中的移动等价为那些带正电的空状态的自身运动；带正电的空状态移动可以看成一个正电荷在价带中运动；这种可以形成电流的正电荷载流子空穴。9什么是直接带隙半导体？什么是间接带隙半导体？10锗的晶格结构和能带结构分别是（ C ）。A. 金刚石型和直接禁带型 B. 闪锌矿型和直接禁带型C. 金刚石型和间接禁带型 D. 闪锌矿型和间接禁带型11.在某半导体掺入硼的浓度为1014cm-3, 磷为1015cm-3，则该半导体为（ B ）半导体。 A.本征 B.n型 C.p型 D.不确定12当半导体材料处于热平衡时，其电子浓度与空穴浓度的乘积为（ B ）。A.变化量 B.常数 C.受主杂质浓度 D.施主杂质类型13在一定温度下，对一非简并n型半导体材料，减少掺杂浓度，会使得（ C ）靠近中间能级Ei。 AEc B.Ev C.EF D.Ec-EF第四章 平衡半导体（本章重点学习本征半导本、费米能级、载流子的分布等相半概念结论。）1.什么是本征半导体？答：征半导体是指纯净的没有杂质原子和缺陷的纯净晶体。2本征半导体是指（ A ）的半导体。A. 不含杂质和晶格缺陷 B. 电阻率最高 C. 电子密度和空穴密度相等 D. 电子密度与本征载流子密度相等3热平衡状态下，非简并半导体的导带的电子浓度是 4热平衡状态下，非简并半导体的价带的空穴浓度是 5什么叫本征激发？其特点是什么？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？试定性说明之。 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（Eg）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。本征激发的特点：成对的产生导带电子和价带空穴。本征激发结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。如果温度升高，禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。 6本征载流子的浓度与什么有关？与温度有什么关关系？7什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出n型半导体。解：半导体中掺入施主杂质后，施主电离后将成为带正电离子，并同时向导带提供电子，这种杂质就叫施主。施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离。施主电离前不带电，电离后带正电。例如，在Si中掺P，P为族元素，本征半导体Si为族元素，P掺入Si中后，P的最外层电子有四个与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而P的第五个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自由电子。这个过程就是施主电离。n型半导体的能带图如图所示：其费米能级位于禁带上方8什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出p型半导体解：半导体中掺入受主杂质后，受主电离后将成为带负电的离子，并同时向价带提供空穴，这种杂质就叫受主。受主电离成为带负电的离子（中心）的过程就叫受主电离。受主电离前带不带电，电离后带负电。例如，在Si中掺B，B为族元素，而本征半导体Si为族元素，P掺入B中后，B的最外层三个电子与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而B倾向于接受一个由价带热激发的电子。这个过程就是受主电离。p型半导体的能带图如图所示：其费米能级位于禁带下方9若半导体导带中发现电子的几率为零，则该半导体必定（D）。A. 不含施主杂质 B. 不含受主杂质C. 不含任何杂质 D. 处于绝对零度10试分别定性定量说明：（1） 在一定的温度下，对本征材料而言，材料的禁带宽度越窄，载流子浓度越高；（2） 对一定的材料，当掺杂浓度一定时，温度越高，载流子浓度越高。解：(1) 在一定的温度下，对本征材料而言，材料的禁带宽度越窄，则跃迁所需的能量越小，所以受激发的载流子浓度随着禁带宽度的变窄而增加。由公式：也可知道，温度不变而减少本征材料的禁带宽度，上式中的指数项将因此而增加，从而使得载流子浓度因此而增加。（2）对一定的材料，当掺杂浓度一定时，温度越高，受激发的载流子将因此而增加。由公式可知，这时两式中的指数项将因此而增加，从而导致载流子浓度增加。11费米能级与什么有关？有怎样的关系？（注意理解下图可以说明，请参图说明）121、热平衡状态下半导体系统有统一的费米能级；2、EF标志是电子填充能级水平， EEF的量子态，基本是空的，EEF基本全部填满。13已知室温条件下,一半导体处在热平衡状态，其电子浓度为1016cm-3,空穴浓度为2.25104cm-3,则室温条件下此半导体的本征载流子的浓度是 .第五章 载流子输运现象1.什么是载流子的漂移运动？什么是载流子的扩散运动？漂移运动：载流子在外场E的作用下的定向运动；扩散运动：存在载流子浓度梯度条件下的定向运动。2何谓迁移率？影响迁移率的主要因素有哪些？ 解：迁移率是单位电场强度下载流子所获得的漂移速率。影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）、温度和各种散射机构。3漂移运动和扩散运动有什么不同？解：漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动，而扩散运动是由于浓度分布不均匀导致载流子从浓度高的地方向浓度底的方向的定向运动。前者的推动力是外电场，后者的推动力则是载流子的分布引起的。4漂移运动与扩散运动之间有什么联系？非简并半导体的迁移率与扩散系数之间有什么联系？解：漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系。而非简并半导体的迁移率与扩散系数则通过爱因斯坦关系相联系，二者的比值与温度成反比关系。即5一般说来半导体中电子的迁移率大于空穴的迁移率。6常见的载流子的散射主要有声子散射和电离杂质散射。7什么是霍尔效应？其主要用途是什么？电场和磁场对运动电荷施加力的作用产生的效应为霍尔效应。其主要用途是：判断半导体的导电类型、计算多数载流子的浓度和迁移率。8公式中的是半导体载流子的（ C ）。 A. 迁移时间 B. 寿命 C. 平均自由时间 D. 扩散时间9.如果温度升高，半导体中的电离杂质散射概率和晶格振动散射概率的变化分别是（C）。A.变大，变大 B.变小，变小 C.变小，变大 D.变大，变小第六章 半导体中的非平衡过剩载流子 本章重点n 载流子的产生与复合n 过剩载流子的性质n 双极输运n 准费米能级1. 平衡态半导体的标志就是具有统一的费米能级EF，此时的平衡载流子浓度n0和p0唯一由EF决定。平衡态非简并半导体的n0和p0乘积为 2什么是小注入？什么是大注入？小注入：过剩载流子浓度远小于平衡态时的多子浓度.大注入：过剩载流子浓度接近或大于平衡时多子的浓度.3什么是非平衡载流子？4什么是非平衡载流子的复合： 当产生非平衡载流子的外部作用撤除后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡态恢复到平衡态，过剩载流子逐渐消失，这一过程称为非平衡载流子的复合。5什么是双极输运？带负电的电子和带正电的空穴以同一个迁移率或扩散系数一起漂移或扩散的现象称为双极输运6处在非平衡状态下的半导体其电子的浓度分布 请给出证明过程。7处在非平衡状态下的半导体其空穴的浓度分布 请给出证明过程。8注意对准费米能级的理解：电子浓度增加，电子的准费米能级稍微靠近导带；空穴浓度显著增加，空穴的准费米能级更加明显地靠近价带；第七章 pn结本章重点pn结的基本结构零偏反偏1.什么是PN结？由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构叫做PN结。2常用的两种形成pn结的工艺是合金法、扩散法。3平衡时PN结的内建电势差是：4试画出平衡时PN结的能带图并标明费米能级、导带和价带。5注意对PN结空间电荷区的理解：对单边突变结，内建电势差主要降落在轻掺杂的一侧；大部分空间电荷区位于轻掺杂的一侧；结两侧的空间电荷数量相同（符号相反）；对单边突变结，空间电荷区的宽度W取决于轻掺杂一侧杂质的浓度。第八章 pn结二极管本章重点 pn结电流 pn结的小信号模型 产生、复合电流结击穿1. PN结加正向电压时，其正向电流是（ ） A多子扩散而成 B少子扩散而成C少子漂移而成 D多子漂移而成2PN结正偏电流密度与电压关系式：。3什么是PN结击穿？对pn结加的反向电压增大到某一数值时，反向电流突然开始迅速增大，这种现象称为pn 结击穿。 4什么是隧道二极管？n区与p都为简并掺杂的pn结称为隧道二极管。5PN结击穿主要有雪崩击穿、隧道击穿（齐纳击穿）。第九章 金属半导体和半导体异质结本章重点：功函数肖特基势垒二极管电子亲和势欧姆接触1pn结中的电流是由少数载流子的扩散运动决定的，而肖特基势垒二极管中的电流是由多数载流子通过热电子发射跃过内建电势差而形成的。2肖特基势垒二极管的有效开启电压（ A ）pn结二极管的有效开启电压。A低于 B.高于 C.等于 D.不大于3什么是肖特基接触？什么是欧姆接触？二者有什么不同？4什么是异质结？5什么是二维电子气？第十章 双极晶体管本章重点:双极晶体管的工作原理1. 三极管在电路中的连接方式有三种：共基极接法、 共发射极接法、共集电极接法。 2为了使三极管具有正常的电流放大作用，都必须外加大小和极性适当的电压，即必须给发射结加正向偏置电压，发射区才能起到向基区注入载流子的作用；必须给集电结加反向偏置电压在集电结才能形成较强的电场，才能把发射区注入基区，并扩散到集电结边缘的载流子拉入集电区，使集电区起到收集载流子的作用。3什么是基区宽变效应？晶体管中，随B-C结反偏电压的增加，B-C结空间电荷区宽度增加，基区宽度减小，使得少子浓度梯度增加，这种效应称为基区宽度调制效应（基区宽变效应）。4在BJT中，发射区掺杂浓度很高时，由于禁带变窄效应，会使电流增益比理想状况下(C )。A.变大压器 B.相同 C.变小 D.不确定5什么是BJT的穿通?BJT中,随反偏B-C结电压的增加，B-C结空间电荷区宽度扩展到B区中性区中。B-C结耗尽区穿透基区到达B-E结，即与发射结势垒区相连，这种现象称为穿通。6若共基极BJT的电流增益是0.998,则此晶体管共射极的电流增益是499.第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础1.在MOS器件中,半导体为p型时，栅极加大的 压时，可出现n型反型层；半导体为n型时，栅极加大的 压时，可出现p型反型层.( C )A.正,正 B.负,正 C.正,负 D.负,负2. 在MOS器件中,不论半导体是p型还是n型，栅极加负压时，半导体表面的能带向 弯曲；栅极加正压，半导体表面的能带向 弯曲。( B )A.上,上 B.上,下 C.下,下 D.下,上3MOS电容阈值反型点条件是什么? MOS电容阈电压是什么?表面势=费米势的2倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，此时所加的电压称为阈值电压（即栅电压=阈值电压）。4什么是MOS电容的平带电压?产生原因是什么?使半导体表面能带无弯曲需施加的栅电压.来源：金属与半导体之间的功函数差；氧化层中的净空间电荷5按照导电类型分MOS管分为NMOS和PMOS,按照零栅压时有无沟道又分为增强型和耗尽型两种形式。6对于MOSFET，半导体衬底材料为p型时，栅极加大的 压时，可出现 型反型层（ A ）。A.正，n, B.负,n C. 正,p D.负,p7对于MOSFET，半导体衬底材料为n型时，栅极加大的 压时，可出现 型反型层（ D ）。A.正，n, B.负,n C. 正,p D.负,p8从载流子浓度的上考虑，对P型衬底的MOS电容，阈值反型点条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度.9什么是MOS电容的平带电压？什么是MOS电容的阈值电压？ 使半导体表面能带无弯曲需施加的栅电压. 达到阈值反型点时所需的栅压即为MOS电容的阈值电压.10对于p型衬底的MOSFET，什么是增强型MOSFET？什么是耗尽型MOSFET？当阈值电压为正值时，MOSFET为增强型，当阈值电压为负值时，MOSFET为耗尽型。11对于n型衬底的MOSFET，什么是增强型MOSFET？什么是耗尽型MOSFET？12对于p型衬底MOS结构，负偏栅压时为堆积模式，正偏栅压时为反型模式。13对于n型衬底MOS结构，正偏栅压时为堆积模式，负偏栅压时为反型模式。14什么是界面态？半导体在界面处周期性突然终止，以便允许电子能级存在于禁带中这些允许的能态称为界面态。 15如图为一个MOSFET的电路符号，由此看出，该MOSFET是（）。 A. p沟道增强型的 B. p沟道耗尽型的C. n沟道增强型的D. n沟道耗尽型的16.如图为一个MOSFET的电路符号，由此看出，该MOSFET是（）。 (15题)A.p沟道增强型的 B. p沟道耗尽型的C. n沟道增强型的D. n沟道耗尽型的 17.如图为某种类型的MOSFET转移特性曲线，由此看出，该MOSFET是（）。 (16题)A. p沟道增强型的 B. p沟道耗尽型的C. n沟道增强型的D. n沟道耗尽型的18.什么是MOSFET的跨导？其主要表征MOSFET什么？19. MOSFET的跨导与器件的沟道宽度成，与沟道长度成，与氧化层厚度成。（） (17题)A.正比、正比、反比 B.反比、反比、正比 C. 正比、反比、反比 D.正比、反比、正比20. 试说明MOSFET的基本工作原理。21 已知如图是p型MOS结构中， 是EFi和EF之间的势垒高度（即费米势），试证明： 第十二章MOSFET概念的深入1.什么是MOSFET的亚阈值电流2什么是弹道输运？在MOSFET中，当沟道长度小于载流子的碰撞距离时，载流子中的一大部分可以不经过散射就能从源端到达漏端，这种载流子运动称为弹道输运。3为什么要缩小MOSFET尺寸?提高集成度：同样功能所需芯片面积更小；提升功能：同样面积可实现更多功能；降低成本：单管成本降低；改善性能：速度加快，单位功耗降低。4短沟道MOSFET的阈值电压随沟道长度的减小而，窄沟道MOSFET的阈值电压随沟道宽度的减小而。（）A.减小、减小 B. 减小、增大C.增大、增大D. 增大、减小5栅源介质击穿和漏体pn结击穿是MOSFET主要击穿机构。短沟道器件可能会出现沟道雪崩倍增，引发寄生晶体管效应或热电子效应。第十三章 结型场效应晶体管1根据结构可将结型场效应晶体管分成两类pn JFET 、MESFET。2试说明结型场效应晶体管的基本工作原理7