期末复习题总结

第1-2章复习题1.何谓导带、价带、禁带和有效质量？用能带理论解释金属、半导体和绝缘体的区别。答：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带(valenceband)导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带(conductanceband)禁带：导带底与价带顶之间能带(forbiddenband)带隙：导带底与价带顶之间的能量差(bandgap)禁带宽度有效质量是将晶体中电子的加速度与外加的作用力联系起来，并且包含了晶体中的内力作用效果，有效质量并不代表真正的质量，而是代表能带中电子受外力时，外力与加速度的一个比例系数。在金属中，被电子填充的最高能带是不满的，而且能带中电子密度很高，和原子密度具有相同的数量级，所以金属有良好的导电性。对于绝缘体和半导体在绝对零度下，被电子占据的最高能带是满的，成为满带，满带上邻近能带则是空的，成为空带，满带和空带之间被禁带分开，由于没有不满的能带存在，所以他们不能导电。二则的区别仅在与半导体的禁带宽度比较窄，在一定温度下，电子容易以热激发的形式从满带激发到空带中，所以空带变成了不满带，可以导电。绝缘体的禁带宽度：6ev，半导体的禁带宽度：~1ev2.何谓施主(受主)杂质及其能级，深(浅)能级、杂质电离？并画图表征上述能级图。答：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。例如，在Si中掺P，P为Ⅴ族元素，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。杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发。具有杂质激发的半导体称为杂质半导体根据杂质能级在禁带中的位置，杂质分为：浅能级和深能级杂质浅能级杂质→能级接近导带底Ec或价带顶Ev，电离能很小。深能级杂质→能级远离导带底Ec或价带顶Ev，电离能较大3.何谓费米能级和费米分布？电中性条件？质量作用定律？何谓简并半导体？杂质浓度、温度与上述之间的关系？答：根据量子力学，电子为费米子，服从费米分布TkEEFeEf011)(EF表示平衡状态的参数--费米能级，它标志在T=0K时电子占据和未占据的状态的分界线。即比费米能级高的量子态，都没有被电子占据，比费米能级低的量子态都被电子完全占据。本征半导体的电中性条件：在热平衡情况下，n=p化学反应速率与反应物的有效质量成正比，这就是质量作用定律。对于n型半导体，EF接近导带或进入导带中；对于p型半导体，其EF接近价带或进入价带中的半导体为简并半导体。EF在禁带中的半导体称为非简并半导体。非简并半导体：掺杂浓度较低简并半导体：掺杂浓度高4.何谓迁移率、电导率、扩散电流、漂移电流？各自表达式？答：迁移率：电子和空穴的迁移率分别为：**pnnpnpqqmm*m和分别是有效质量和弛豫时间物理意义：单位电场强度下，载流子所获得漂移速度的绝对值。电导率：电子和空穴的电导率分别为：nnppnqnq扩散电流：由于存在载流子浓度梯度，载流子将有浓度高的区域向浓度低的区域运动，形成扩散电流。Ｄ为扩散系数=-=pnqDpqDn空穴的扩散电流密度电子的扩散电流密度漂移电流：在外电场的作用下，载流子的定向移动形成的电流。==-npnpEE空穴漂移流密度电子漂移流密度5、何谓非平衡载流子？寿命？何谓准费米能级？答：对半导体施加外界作用(光、电等)，迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。其中非平衡少子为非平衡载流子。非平衡载流子寿命(τ)又称少子寿命，是非平衡少子在复合前的平均存在时间；半导体中的电子系统处于热平衡状态，半导体中有统一的费米能级，当外界的影响破坏了热平衡，使半导体处于非平衡状态时，就不再存在统一的费米能级。引入导带费米能级作为电子准费米能级(EFn)；价带费米能级作为空穴准费米能级(EFp)exp()exp()exp()exp()FniniiTippiiTEEnnnKTVEEpnnKTV其中EFn、EFp分别为电子和空穴的准费米能级6、何谓直接（间接）复合？（非）辐射复合？表面复合？答：①直接复合——电子由导带直接跃迁到价带的空状态，使电子和空穴成对消失；②间接复合——指主要通过复合中心的复合，在间接复合中，电子跃迁到复合中心的能级，然后在跃迁到价带的空状态使电子和空穴成对消失。复合中心是指晶体中的一些杂质和缺陷。载流子复合时，要释放出多余的能量。以发出光子的形式放出能量为辐射复合，将能量给予其他载流子为俄歇（Auger）复合，又叫非辐射复合。表面复合---半导体表面发生的复合过程，表面处杂质、缺陷在禁带形成复合中心能级，半导体表面具有很强的复合少数载流子的作用。7.画出热平衡PN结的能带图，并能用费米能级或载流子漂移和扩散的理论解释PN结空间电荷区的形成？答：（1）.PN结空间电荷区的形成（热平衡系统费米能级恒定原理）在形成结之前N型材料中费米能级靠近导带底，P型材料中费米能级靠近价带顶。当N型材料和P型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等。8、根据载流子扩散与漂移的理论分析PN结的单向导电性，解释并能画出正、反偏压下PN结的少子分布及电流分布？P76答：正偏压使空间电荷区内建电势差由0下降到0V，减小了势垒高度有助于扩散通过PN结，形成大的电流。反偏压使空间电荷区内建电势差由0上升到0V增高的势垒阻挡了载流子通过PN结扩散，因此PN结电流非常小。因此PN结具有单向导电性。反向偏置PN结的少子分布和电流分布10、金属结、欧姆接触？根据能带图说明欧姆接触的物理机制。P167答：金属结：金属和半导体接触形成的结欧姆接触：是指其电流-电压特性满足欧姆定律的金属与半导体接触。形成欧姆接触的常用方法有两种，其一是金属与重掺杂n型半导体形成能产生隧道效应的薄势垒层，其二是金属与p型半导体接触构成反阻挡层。其能带图分别如下：一、选择填空（含多项选择）1.与半导体相比较，绝缘体的价带电子激发到导带所需的能量（A）A.比半导体的大B.比半导体的小C.与半导体的相等2.室温下，半导体Si掺硼的浓度为1014cm－3，同时掺有浓度为1.1×1015cm－3的磷，则电子浓度约为（B），空穴浓度为（D），费米能级（G）；将该半导体升温至570K，则多子浓度约为（F），少子浓度为（F），费米能级（I）。（已知：室温下，ni≈1.5×1010cm－3，570K时，ni≈2×1017cm－3）A.1014cm－3B.1015cm－3C.1.1×1015cm－3D.2.25×1015cm－3E.1.2×1015cm－3F.2×1017cm－3G.高于EiH.低于EiI.等于Ei3.施主杂质电离后向半导体提供（B），受主杂质电离后向半导体提供（A），本征激发后向半导体提供（A,B）。A.空穴B.电子4.对于一定的半导体材料，掺杂浓度降低将导致禁带宽度（），本征流子浓度（），功函数（C）。A.增加B.不变C.减少5.对于一定的n型半导体材料，温度一定时，较少掺杂浓度，将导致（D）靠近Ei。A.EcB.EvC.EgD.Ef6.热平衡时，半导体中电子浓度与空穴浓度之积为常数，它只与（C,D）有关，而与（A,B）无关。A.杂质浓度B.杂质类型C.禁带宽度D.温度7.表面态中性能级位于费米能级以上时，该表面态为（A）。A.施主态B.受主态C.电中性8.当施主能级Ed与费米能级Ef相等时，电离施主的浓度为施主浓度的（C）倍。A.1B.1/2C.1/3D.1/49.最有效的复合中心能级位置在（）附近；最有利陷阱作用的能级位置在（）附近，常见的是（）的陷阱A.EaB.EdC.ED.EiE.少子F.多子10.载流子的扩散运动产生（C）电流，漂移运动长生（A）电流。A.漂移B.隧道C.扩散11.MIS结构的表面发生强反型时，其表面的导电类型与体材料的（B），若增加掺杂浓度，其开启电压将（C）。A.相同B.不同C.增加D.减少半导体的光学性质1.画图说明半导体光吸收分类？描述本征吸收的形式和特点。答：①本征吸收的光子最低能量限：条件：hv≥Eg②激子：光子能量hv＜Eg，虽然电子已从价带激发，但还不足以进入导带成为自由电子,因库仑作用仍然和价带中留下的空穴联系起来，形成束缚态，电子与空穴间的这种束缚态，称为激子。可自由运动，不产生电流。导致激子产生的光吸收称为激子吸收。③自由载流子吸收：当入射光的波长较长,不足以引起带间跃迁或形成激子时,半导体中仍然存在光吸收。自由载流子吸收是二级过程（伴随光子和声子）④杂质吸收：占据杂质能级的电子或空穴的跃迁所引起的光吸收。本征吸收（光子能量大于禁带宽度）激子吸收（光子能量略小于禁带宽度）自由载流子吸收（带内跃迁）杂质吸收（杂质能级之间的跃迁）晶格热振动吸收（长波段，与声子作用）半导体中光吸收的EcEvhvEg1）中性杂质吸收：过程I：吸收光子后，中性施主上的电子可以从基态跃迁到导带；或中性受主上的空穴从基态跃迁到价带。过程II：中性施主上的电子或中性受主上的空穴，由基态跃迁到激发态，引起光吸收。2）电离杂质吸收:电离施主上的空穴或电离受主上的电子，可以吸收光子跃迁到价带或导带。特征：对于浅施主或浅受主，这种跃迁对应的光子能量与禁带宽度接近，将在本征吸收限的低能一侧引起光吸收，形成连续谱。⑤晶格振动吸收：远红外区，光子与晶格振动的相互作用引起的光吸收。吸收机理：红外高频光波电场，使离子晶体的正负离子沿相反方向移动激发长光学波振动交变的电偶极矩其与电磁场相互作用，导致光吸收。本征吸收的形式是直接跃迁和间接跃迁；a.如果价带电子仅仅吸收了一个光子发生跃迁，则价带状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B，A、B在E(k)曲线上位于同一垂直线上，因而这种跃迁称为直接跃迁。间接带隙半导体能带结构简图（Ge）直接带隙半导体能带结构简图（GaAs）b．除了吸收光子外还与晶格交换能量的非直接跃迁，称为间接跃迁。2、何谓半导体光电导效应？解释光电导的弛豫现象。答：光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应（又称为光电效应、光敏效应），即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。半导体接受光照后需要经过一段时间才能达到定态光电导率；同样，当光照停止后，光电流也是逐渐消失。这种在光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象，称为光电导的弛豫现象。光电导弛豫过程的求解（光电导率随时间的变化关系）3、画图说明光电伏特效应的产生机制。答：当光照射p-n结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激发电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，在开路状态，平衡时在n区边界积累光生电子，在p区边界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在p区和n区之间产生了光生电压UOC，这就是p-n结的光生伏特效应。只要光照不停止，这个光生电压将一直存在。4、画图说明半导体光辐射跃迁过程（本征、非本征）。答：5、画图描述光子与电子相互作用的物理过程答：第三章半导体光电探测器1.分析阶跃弱光照射下的光电导器件的响应过程，并说明降低光敏电阻噪声的途径。答：1）弱光照射下光生载流子浓度方程弱光照条件下光电导响应的两个基本结论：响应时间=载流子寿命且为常数稳态光电导：与产生率成线性关系（与辐射通量成正比）阶跃光照时响应时间：（时域）2）光敏电阻噪声：ccΔ()(1e)t/ntgccΔ()et/ntgccΔ()(1e)t/ntgcffcIfeMIRfkTiiii442nf2ngr2nr2n减小噪声途径：a.光调制技术b.致冷c.合理偏置电路3.2简述pn结、PIN和APD三种光电二极管的结构及其光电探测