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高考申論題 112年 [電子工程] 半導體工程

第 一 題

📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (一)

若分別以介電層 Ta2O5及SiO2作為電容,且 Ta2O5:SiO2 之厚度比2:1、面積比為3:1,試求其電容比?(5分)

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考生看到此題應立即聯想平行板電容的基本物理公式 C = εA/d。本題的鑑別度在於,除了處理題目給定的面積(A)與厚度(d)幾何比例外,考生必須具備半導體固態物理常識,自行引入 High-k 材料 Ta2O5 與傳統閘極介電層 SiO2 的「相對介電常數(εr)」,才能求出最終具體數值。

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【解題關鍵】平行板電容公式 $C = \frac{\epsilon_r \epsilon_0 A}{d}$,並需代入標準半導體材料之相對介電常數進行計算。 【解答】 已知幾何條件:

小題 (二)

假設以厚度為3t 微米之 Ta2O5作為介電層之電容值為C₁;另以各層厚度均分別為t微米之 SiO2/S3N4/SiO2作為介電疊層之電容值為C2。假設兩者具有相同面積,試計算 C1/C2之比值?(10分)

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看到此題,首先聯想「平行板電容公式」與「多層介電層等效串聯模型」。疊層結構的總電容等於各層電容的串聯,即電容倒數相加。先推導出含有介電常數符號的比值通式,由於考題未給定常數數值,應主動代入半導體物理中常見的相對介電常數(如 SiO2約3.9,Si3N4約7.5,Ta2O5約22),以求得最終的精確比值,展現對元件物理參數的熟悉度。

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【解題思路】利用平行板電容公式與多層介電質之串聯等效電容模型進行推導,並代入常見半導體材料之相對介電常數求得比值。 【詳解】 已知:

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