微电子与集成电路设计导论 习题解答.pdf

“十三五”江苏省高等学校重点教材 普通高等教育 “十三五”规划教材 《微电子与集成电路设计导论》 习题解答 方玉明 张瑛 《微电子与集成电路设计导论》习题解答 第 1 章 概论 （略） 第 2 章 半导体物理基础 1. 半导体材料有哪些主要的特性？它们受哪些因素的影响？ 答：（1）半导体的热敏性 半导体的导电能力受温度影响较大。当温度升高时，半导体的导电能力大大增强。 半导体的电导率会随着温度上升而显著增加。 （2 ）半导体的光敏性 半导体材料在光照或辐射下会表现出特性的显著变化。半导体的导电能力随光照的 不同而不同。 （3 ）半导体的杂敏性 当在半导体中掺入少量杂质，半导体的导电能力增加。因此半导体在低温、纯净的 情况下有可能具有很高的电阻率而表现出绝缘体的性质。而在重掺杂的情况下由于电阻 率下降而表现出金属的性质。 2. 请从原子排列结构的角度说明，什么是晶体，为什么会具有相应的化学特 性。 答：晶体是指具有一定的外形、固定的熔点，组成晶体的原子按周期性排列。因为晶 体里原子的这种周期性排列决定了晶体有规则的几何构型、有固定的熔点、各向异性等。 3. 请从晶格结构的角度解释，硅材料为什么是优异的半导体材料，具有半导 体的特性。 答：硅是处于元素周期表的第 IV 主族，有 14 个电子，最外层有 4 个价电子，且这 四个价电子决定了材料的物理化学性质，每个原子提供一个共享电子，那么该硅原子周 围就有八个最外层电子。正是靠共价键的作用，硅原子紧紧地结合在一起构成金刚石结 构。而最外层电子摆脱共价键的束缚所需要的能量约为 1.12eV （电子伏特）。如果由于热 激发或辐射获得足够的能量，就可以挣脱共价键的束缚成为自由电子。同时在原来的共 价键的位置上留下一个空位，半导体就是靠电子和空位的移动而导电的。如果半导体材 料中，没有掺入任何杂质，也没有缺陷，即纯净半导体，也称为本征半导体。这时它的导 电特性取决于材料本身的固有性质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体，也即非本征半 1 《微电子与集成电路设计导论》习题解答 导体，也叫掺杂半导体。在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导 电性发生显著变化。 4. 试比较阐述单一元素的半导体和化合物半导体的定义，给出各自的优缺点。 答：由单一原子所组成的元素半导体是单一元素的半导体，由两种及以上元素组成 的半导体是化合物半导体。许多化合物半导体具有与硅不同的电和光电特性。这些半导 体，特别是砷化镓(GaAs),主要用于高速光电器件。与元素半导体相比，制作单晶体形式的 化合物半导体通常需要较复杂的程序。化合物半导体的技术不如硅半导体技术成熟。 5. 硅晶体中的缺陷有哪些？各有什么样的特点？如何避免和消除？ 答：晶体中主要有点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。 点缺陷是指在晶格当中某个点的位置上出现空缺或嵌入。在不该有原子的地方出现 某种原子的间隙缺陷。在原有的晶体结构周期性排列的晶格点上有某个原子的缺失而造 成空位缺陷。 线缺陷是指一整列的原子从正常晶格位置缺失时出现的缺陷，集中表现形式是位错， 由晶体中原子平面的错动引起。 面缺陷是二维曲线，在两个方向上的尺寸都很大，另外一个方向上的尺寸很小。多 晶的晶粒间界就是最明显的面缺陷，在密堆积的晶体结构中，称为层错。 体缺陷是指当掺入的在硅晶体中只能形成有限固溶体的杂质硼、磷、砷等的数量超 过晶体可接受的浓度时，杂质将在晶体中沉积形成。 一般在加工过程中可以采用氢退火的方式加以消除或降低。 6. 载流子的主要输运模式是什么？影响载流子输运的因素有哪些？ 答：载流子的主要输运模式是漂移和扩散。 影响漂移的因素有载流子浓度、电场强度、迁移率的大小 （和温度、掺杂浓度有关）。 影响扩散的因素有温度、扩散系数、浓度差。 7. 在室温下的单晶硅进行硼掺杂，硼的浓度为3×1015cm−