2024年半导体物理真题

历年真題第壹章1、Si、GaAs半导体材料的导带底、价带顶分别在k空间什么位置？其晶体构造和解理面分别是什么？哪個是直接带隙，哪個是间接带隙？()2、對于金刚石构造的硅Si和闪锌矿构造的砷化镓GaAs，在（111）晶面上，其原子面密度和面间距都是最大，為何Si的解理面是（111），而GaAs不是？()3、半导体材料的禁带宽度Eg、N型半导体杂质激活能△Ed以及亲和势X分别表达半导体電子的什么状态特性？（简答題7分）4、与真空電子运動相比，半导体中電子的运動有何不壹样？（简答題7分）（1-9題63分，每題7分()）5、如图是壹种半导体能带构造的E–k关系；1）哪個能带具有x方向更小的有效质量？2）考虑两個電子分别位于两個能带中的拾字线处，哪個電子的速度更大些？6、写出硅(Si)和砷化镓(GaAs)的晶体构造、禁带宽度和解理面。？（简答題6分）第二章3、高阻的本征半导体材料和高阻的高度赔偿的半导体材料的区别是什么？()1深能级杂质和浅能级杂质概念（西交大）1以硅為例，举例阐明掺入浅能级和深能级杂质的目的和作用？（西電）2.什么是浅能级杂质？什么是深能级杂质？列举出半导体硅中各壹种杂质元素的例子。半导体中掺入這些杂质分别起什么作用?()第三章11、定性画出N型半导体样品，载流子浓度n随温度变化的曲线（全温区），讨论各段的物理意义，并標出本征激发随温度的曲线。设该样品的掺杂浓度為ND。比较两曲线，论述宽带隙半导体材料器件工作温度范围更宽。(-20分)４、室温下，壹N型样品掺杂浓度為Nd，所有電离。當温度升高後，其费米能级怎样变化？為何？壹本征半导体，其费米能级随温度升高怎样变化？為何？（）4、壹块N型半导体，随温度升高，载流子浓度怎样变化？费米能级怎样变化？（）7、定性阐明掺杂半导体费米能级与掺杂浓度和温度的关系是怎样的？（）10、（20分）设某壹种半导体材料室温下（300K）本征载流子浓度為1.0×1010cm−3，价带和导带有效状态密度NV=NC=1019cm−3，1） 求禁带宽度；2） 假如掺入施主杂质ND=1016cm−3，求300K下，热平衡下的電子和空穴浓度；3） 對于上面的样品，在又掺入NA=2×1016cm−3的受主杂质後，求新的热平衡電子和空穴浓度（300K）。4）求3）中，费米能级的位置EF−Ei；()9.(10分)已知某半导体材料中n型杂质浓度為ND，p型杂质浓度為NA，假设杂质完全電离，证明半导体中電子浓度：11.(20分-)對于壹块掺杂浓度為ND的N型半导体材料，（1）示意画出電子浓度n0随温度的变化曲线，并在图中同步画出本征半导体浓度ni随温度变化的曲线；（2）若掺杂浓度ND提高，载流子浓度随温度变化曲线怎样变化？（3）示意地画出N型半导体费米能级随温度的变化，并简朴解释；（4）在n0随温度变化的曲线上，哪段温度的影响對材料電阻率起到增長的作用？為何？第四章4、半导体中重要的两种散射机构是什么？在有多种散射机构存在的状况下，為何迁移率重要由自由時间短的机理决定？（）9、（16分）在T=300K下，壹N型半导体Si样品，测得的電阻率為0.1W-cm。求此時的電子浓度和空穴浓度（查图）。若在此样品中，再掺入9´1016cm-3P型杂质，求此時样品的電阻率、多子浓度和少子浓度。并求出此時多子的迁移率（查图）。（）６、壹N型硅样品杂质浓度為ND1，經扩硼B後（掺杂浓度為NA）样品变為P型；再經扩磷P（杂质浓度為ND2）样品又变為N型，此時载流子浓度為多少？与未扩散前的N型样品相比，迁移率有何变化？７、半导体的電阻率通過掺杂可以敏感地控制，“掺入百萬分之壹的杂质，可以引起電阻率百萬倍变化”，以硅為例，忽视掺杂對迁移率的影响，粗略估算证明之。9、（16分）什么是载流子的迁移率？迁移率与载流子的平均自由時间成正比。有两种载流子的散射机构，平均自由時间分别為t1，t2，假如t1〉t2，總迁移率是不是由t1散射机构决定？解释之。12、（18分）當温度升高時，本征半导体的電阻率与金属的電阻率随温度变化有何不壹样？為何？壹块N型样品的電阻率随温度的变化又怎样？解释之11、（13分）1） 什么是载流子的迁移率？影响迁移率的重要散射机理有几种。讨论载流子类型、掺杂和环境温度對迁移率的影响关系。2） 论述用霍尔效应测量载流子迁移率的试验措施。()8.(16分)已知T=300K時的硅热平衡空穴浓度為p0=2´105cm−3，求热平衡電子浓度。该材料是n型還是p型半导体？若再向该材料中掺入NA=1´1013cm−3的受主杂质，此時的電子和空穴浓度分别是多少？假设该材料電子和空穴的迁移率不变，计算掺杂前後電阻率变化。（）（1）热平衡電子浓度n0=ni2/p0=(1.5×1010)2/2.5×105=9×1014cm−3

∵n0>p0,∴该材料是n型半导体

（2）再掺杂後，n0,1=ND–NA=9×1014–1×1013=8.9×1014cm−3

p0,1=ni2/n0,1=(1.5×1010)2/8.9×1014=2.53×105cm−3

（3）初始電阻率ρ0=(1/n0qμn)，再掺杂後電阻率ρ1=1/n0,1qμn

ρ1/ρ0=n0/n0,1=9/8.9=1.01即電阻率变為本来的1.01倍，或增長了1%拾、(10分)什么是载流子的迁移率？假定半导体内存在三种散射机制。只存在第壹种散射机制時的迁移率是cm2/Vs，只存在第二种散射机制時的迁移率是1500cm2/Vs，只存在第三种散射机制時的迁移率是500cm2/Vs，求總迁移率。（）根据多散射机构各散射几率与平均自由時间的关系可以得到總迁移率μ的倒数

1/μ=1/μ1+1/μ2+1/μ3

∴μ=1/(1/μ1+1/μ2+1/μ3)=1/(1/+1/1500+1/500)=315.8cm2/Vs第五章11、（15分）光均匀照射壹种7Wcm的p型Si样品，電子－空穴對的产生率為5x1016cm-3s-1，样品寿命為10ms，计算光照前、後样品電阻率的变化，以及费米能级位置的变化（假定此問題中，電子和空穴的迁移率相似）。（）12、（24分）什么是载流子的扩散运動？什么是载流子的漂移运動？写出载流子的愛因斯坦关系。結合半导体PN結形成及到达平衡過程中载流子的扩散和漂移，讨论愛因斯坦关系的物理意义和半导体中载流子扩散和漂移运動的互相关联。（）13、壹种壹维無限長的N型半导体样品，在x=0表面处保持恒定的少子注入浓度Dp=(Dp)0，當到达稳定後（不随時间变化）。设少子空穴的扩散系数為DP，非平衡少子的寿命為t。求解沿x方向非平衡少子的分布。讨论该样品中注入壹种少子空穴脉冲後，空穴的运動与壹杯水中，滴入壹滴墨水的运動有何区别。（）6、什么是非平衡载流子的寿命？怎样從工艺上变化半导体中载流子的寿命？（-7分）6、载流子在半导体中的重要输运有哪两种方式？它們形成的電流大小分别与什么参数有关？写出愛因斯坦关系式。（）3、什么是非平衡载流子的寿命？什么载流子的平均自由時间？（）13、（18分）室温下（300K），有壹种很薄的N型硅样品，测量的電阻率為0.3W∙cm，载流子寿命為τ=1μs。1）样品处在穿透性的光照下，稳态時体内均匀产生浓度為106cm−3的過剩少子。在t=0時刻，忽然撤除光照。求此時電子和空穴浓度分别是多少？（可运用附件2图）。判断与否是小注入状况？2）样品中载流子的重要复合机构是什么？3）推导光照撤除後样品中過剩少子浓度随時间的变化规律的体現式，并计算t=0、t=τ和t=10τ時刻過剩少子的复合率。（）12.(16分)壹强脉冲光（hn³Eg）照射在n型样品，見图1。假定光被样品均匀吸取，产生非平衡载流子，产生率為gp，空穴寿命為t分别求出光照状况（0—10t区间）和清除光照状况（10t—20t区间）下，非平衡空穴所满足的随時间变化方程；求出t=9t、t=11t两個時刻，非平衡空穴浓度值是多少；在所給坐標中，示意画出非平衡空穴的变化；010010τ20τ時间光强010τ20τ時间Δp(t)4、光均匀照射壹种5Wcm的n型Si样品，電子－空穴對的产生率為5x1016cm-3s-1，样品寿命為10ms，计算光照前後样品電阻率的变化及费米能级位置的变化。12.(16分)壹强脉冲光（hn³Eg）照射在n型样品，見图1。假定光被样品均匀吸取，产生非平衡载流子，产生率為gp，空穴寿命為t分别求出光照状况（0—10t区间）和清除光照状况（10t—20t区间）下，非平衡空穴所满足的随時间变化方程；求出t=9t、t=11t两個時刻，非平衡空穴浓度值是多少；在所給坐標中，示意画出非平衡空穴的变化；010010τ20τ時间光强010τ20τ時间Δp(t)解：（1）光照状况下，根据持续性方程，dΔp/dt=G–R=gp–Δp/τ，結合初始条件t=0時，Δp(0)=0解方程得ln(gpτ–Δp)=−t/τ+ln(gpτ)，最终得Δp(t)=gpτ(1–e−t/τ)。

清除光照後，持续性方程变為dΔp/dt=G–R=–Δp/τ，結合t=10τ時，Δp(10τ)≈gpτ解方程得Δp(t)=gpτe−(t-10τ)/τ。

(2)t=9t時，Δp(9t)=gpτ(1–e−9)≈gpτ；

t=11t時，Δp(11t)=gpτe–(11τ–10τ)/τ=gpτ/e

(3)見下图第六章10、（1）写出理想PN結的I-V特性，即電流密度J与電压V的关系方程。分别在直角线性坐標系和半對数坐標系中，示意画出PN結電流－電压特性曲线。(2)在半對数坐標系中的曲线上，怎样将正向小電压下势垒区复合電流和反向電压下势垒区产生電流产生的作用反应在曲线上？简朴解释之。(3）假如PN結電流中，同步考虑扩散電流和复合電流時，即采用理想因子m，写出具有理想因子m的J-V特性方程，并描述壹种测量m的试验措施。(4)分别分析PN結加正向偏置和反向偏置，對PN結边界处少子浓度的变化，以此论述，PN結具有正向导通和反向饱和特性。（）（32分）8、写出n型样品中，小注入条件下，少子空穴的持续性方程。写出空穴不随時间变化時（稳态）、不考虑電場、無光照状况下，少子空穴的方程。（）10、（16分）對于壹种PN結二极管，论述怎样判断加正向電压後，其電流是以扩散電流為主還是以空间電荷区复合電流為主？（）11、（20分）PN結的N型壹侧掺杂浓度為ND，P型壹侧掺杂浓度為NA，采用杂质饱和電离近似，证明PN結的接触電势差為：ni是本征载流子浓度另有壹N+N結，掺杂浓度分别為N+，N，证明此時N+N結的接触電势差為：比较两者的大小，并解释其内在的物理机理。（）10、（24分）壹种硅PN結（T=300K），P区的掺杂浓度為NA＝1x1015cm-3，N区的掺杂浓度ND＝3NA，使用杂质所有電离和载流子所有耗尽假设，(1)计算室温下PN結的接触電势差VD；(2)定性画出PN結的電場分布、電荷分布。(3)若温度T增長、材料的禁带宽度Eg增長，VD将分别怎样变化？(4)若此构造是N+-N結，即N+区壹侧ND+=3NA，N区壹侧ND=NA，计算此時的VD。（）14、写出理想PN結的J-V特性关系公式（肖克莱方程）。并在半對数坐標下（X轴為V，Y轴為ln（J/J0），定性画出该曲线。若此PN結為实际的PN結，应做哪些改動？為何？（）10、（21分）（）（1）分别画出PN結热平衡、正向偏置、反向偏置時，费米能级变化能带图。（2）画出P型材料制备的理想MOS构造，栅压分别為负、為零、為正時的半导体壹侧能带图。（3）比较PN結能带图和MOS构造能带图中，费米能级变化有何异同？简朴解释之。13、(16分)写出包括結理想因子n的PN結電流-電压关系公式。（1）简述测量理想因子n的试验措施；（2）怎样判断壹种二极管PN結電流中，是以扩散電流為主，還是以复合電流為主？（3）怎样测量击穿電压；（4）能否运用击穿電压随温度变化的规律判断出该二极管击穿机理是隧道還是雪崩击穿？（）12、（18分）图中是硅材料两個不壹样N+P結雪崩击穿条件時的電場随空间位置的分布，此時結電压VNP=