半导体物理试卷知识点

一、名词解释（本大题共5题每题4分，共20分）1.受主能级：通过受主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级。正常情况下，此能级为空穴所占据，这个被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。2.直接复合：导带中的电子越过禁带直接跃迁到价带，与价带中的空穴复合，这样的复合过程称为直接复合。3.空穴：当满带顶附近产生P0个空态时，其余大量电子在外电场作用下所产生的电流，可等效为P0个具有正电荷q和正有效质量mp，速度为v(k)的准经典粒子所产生的电流，这样的准经典粒子称为空穴。4.过剩载流子：在光注入、电注入、高能辐射注入等条件下，半导体材料中会产生高于热平衡时浓度的电子和空穴，超过热平衡浓度的电子△n=n-n0和空穴△p=p-p0称为过剩载流子。5.费米能级与化学势：费米能级表示等系统处于热平衡状态，也不对外做功的情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化，等于系统的化学势。处于热平衡的系统有统一的化学势。这时的化学势等于系统的费米能级。费米能级和温度、材料的导电类型杂质含量、能级零点选取有关。费米能级标志了电子填充能级水平。费米能级位置越高，说明较多的能量较高的量子态上有电子。随之温度升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的几率下降，而电子占据能量大于费米能级的量子态的几率增大。二、选择题（本大题共5题每题3分，共15分）1．对于大注入下的直接辐射复合，非平衡载流子的寿命与（D）A.平衡载流子浓度成正比B.非平衡载流子浓度成正比C.平衡载流子浓度成反比D.非平衡载流子浓度成反比2．有3个硅样品，其掺杂情况分别是：含铝1×10-15cm-3乙.含硼和磷各1×10-17cm-3丙.含镓1×10-17cm-3室温下，这些样品的电阻率由高到低的顺序是（C）A.甲乙丙B.甲丙乙C.乙甲丙D.丙甲乙3．有效复合中心的能级必靠近(A)A.禁带中部B.导带C.价带D.费米能级4．当一种n型半导体的少子寿命由直接辐射复合决定时，其小注入下的少子寿命正比于（C）.A.1/n0B.1/△nC.1/p0D.1/△p5．以下4种半导体中最适合于制作高温器件的是（D）.A.SiB.GeC.GaAsD.GaN三、填空：（每空2分，共20分）（1）半导体的晶格结构式多种多样的，常见的Ge和Si材料，其原子均通过共价键四面体相互结合，属于金刚石结构；与Ge和Si晶格结构类似，两种不同元素形成的化合物半导体通过共价键四面体还可以形成闪锌矿和纤锌矿等两种晶格结构。（2）如果电子从价带顶跃迁到导带底时波矢k不发生变化，则具有这种能带结构的半导体称为直接禁带半导体，否则称为间接禁带半导体，那么按这种原则分类，GaAs属于直接禁带半导体。（3）半导体载流子在输运过程中，会受到各种散射机构的散射，主要散射机构有晶格振动散射、电离杂质散射、中性杂质散射、位错散射、载流子间的散射和等价能谷间散射。（4）半导体中的载流子复合可以有很多途径，主要有两大类：带间电子-空穴直接复合和通过禁带内的复合中心进行复合。（5）反向偏置pn结，当电压升高到某值时，反向电流急剧增加，这种现象称为pn结击穿，主要的击穿机理有两种：雪崩击穿和隧道击穿。三、简答题（15分）1）当电子和空穴的浓度是空间和时间的函数时，它们随时间的变化率将由载流子的扩散、漂移及其产生和复合所决定，由电子数、空穴数的守恒原则，试写出载流子随时间的净变化率（pt）和（nt）并加以说明。（6分）解：载流子随时间的净变化率（pt）和（nt）为:22()()()()ppGpnnGnpppDppttnnnDnntt右边第一项为扩散项，第二项为漂移项，第三项为产生，第四项为复合。注意为电场，是几何空间坐标的函数，该式为连续性方程.2）请描述小注入条件正向偏置和反向偏置下的pn结中载流子的运动情况，写出其电流密度方程，请解释为什么pn结具有单向导电性？（9分）解：在p-n结两端加正向偏压VF,VF基本全落在势垒区上，由于正向偏压产生的电场与内建电场方向相反，势垒区的电场强度减弱，势垒高度由平衡时的qVD下降到q(VD-VF)，耗尽区变窄，因而扩散电流大于漂移电流，产生正向注入。过剩电子在p区边界的结累，使－xTp处的电子浓度由热平衡值n0p上升并向p区内部扩散，经过一个扩散长度Ln后，又基本恢复到n0p。在-xTp处电子浓度为n(-xTp)，同理，空穴向n区注入时，在n区一侧xTn处的空穴浓度上升到p(xTn)，经Lp后，恢复到p0n。反向电压VR在势垒区产生的电场与内建电场方向一致，因而势垒区的电场增强，空间电荷数量增加，势垒区变宽，势垒高度由qVD增高到q(VD+VR).势垒区电场增强增强，破坏了原来载流子扩散运动和漂移运动的平衡，漂移运动大于扩散运动。这时，在区边界处的空穴被势垒区电场逐向p区，p区边界的电子被逐向n区。当这些少数载流子被电场驱走后，内部少子就来补充，形成了反向偏压下的空穴扩散电流和电子扩散电流。（5分）电流密度方程：exp1DsBqVjjkT（2分）正向偏置时随偏置电压指数上升，反向偏压时，反向扩散电流与V无关，它正比于少子浓度，数值是很小的，因此可以认为是单向导电。（2分）四、计算题（共3小题，每题10分，共30分）1.已知室温时锗的本征载流子浓度313101.2cmni，均匀掺杂百万分之一的硼原子后，又均匀掺入1.442×1017cm-3的砷，计算掺杂锗室温时的多子浓度和少子浓度以及EF的位置。（10分）解：硼的浓度：NA＝4.42×1016cm-3。有效施主杂质浓度为：ND=(14.42-4.42)1016cm-3=1017cm-3室温时下杂质全部电离，由于有效杂质浓度远大于本征载流子浓度2.4×1013cm-3，锗半导体处于饱和电离区。多子浓度n0＝ND＝1017cm-3少子浓度p0=ni2/n0==(2.41013)2/1017=5.76109(cm-3)费米能级：EF=EC+k0Tln(ND/NC)=EC+0.026ln[1017/(1.11019)]=EC-0.122(eV)2、掺有1.1×1015cm-3硼原子和9×1014cm-3磷原子的Si样品，试计算室温时多数载流子和少数载流子浓度及样品的电阻率。（10分）解：对于Si：ND=9×1014cm-3；NA＝1.1×1015cm-3；T＝300K时ni=2.4×1013cm-3.多子浓度:3140102cmNNnAD；少子浓度:3123142130201088.2cm102)104.2(cmnnpicmqnpqnqnpn.01.83900106.1102111191403.由电阻率为4cm.的p型Ge和0.4cm.的n型Ge半导体组成一个p-n结，计算在室温（300K）时内建电势VD和势垒宽度xD。已知在上述电阻率下，p区的空穴迁移率,./16502SVcmpn区的电子迁移率SVcmn./30002，Ge的本征载流子浓度313/105.2cmni，真空介电常数.16,/1085.8120smF（10分）解：153191114.34100.41.6103600nnnnnnqncmq（2分）143p191119.191041.6101700pppppqpcmq（2分）2315142219131.38103004.34109.1910lnln0.22671.6102.510DiKTnpVVqn（3分）1/1141512421910514528.8510160.22674.34109.19101.6104.34109.191072.2710sDADDDAcmNNxVqNN（3分）一、名词解释初基原胞：又称初基晶胞或固体物理学原胞，是布拉非格子中的最小周期单元，也是体积最小的晶胞。直接带隙半导体：导带底和价带顶在同一波矢位置的半导体。格波态密度：确定体积V的晶体，在ω附近单位频率间隔内的格波总数。杂质补偿半导体：同时含有施主杂质和受主杂质，施主和受主在导电性能上有互相抵消的作用半导体，通常称为杂质补偿半导体。迁移率：载流子在单位电场作用下的平均漂移速度。内建电势差：N型半导体和P型半导体接触形成PN节时，N区导带内的电子在试图进入P区导带时遇到一个势垒，这个势垒称为内建电势差。单电子近似：假设每个电子是在周期排列且固定不动的原子核势场及其它电子的平均势场中运动，用其研究固态晶体中电子的能量状态。电子共有化运动：原子组成晶体以后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相临的原子上去，电子在整个晶体上运动，该运动叫电子的共有化运动。替位式杂质：杂质原子取代晶格原子而位于在晶格点处，常称为替位杂质。非平衡载流子的寿命：非平衡载流子的浓度减小到原值的1/e所经历的时间。陷阱效应：当半导体处于非平衡状态时，杂质能级上的发生改变。如果电子增加，说明能级具有收容非平衡电子的作用；若电子减少，说明能级具有收容空穴的作用，杂质能级的这种积累非平衡载流子的作用称陷阱效应。杂质的补偿：假如在半导体中，同时存在着受主和施主杂质，两者之间相互抵消的作用。二、填空题：（1×22=22分）1、在简并半导体中，由于电子的共有化运动而导致电子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化运动，分裂的每个能带称为允带，其相互之间因没有能级称为禁带。2、杂质原子进入半导基体（如硅、锗等）后，可能以两种方式存在，一种是杂质原子位于晶格原子间的位置，常称为间隙式杂质；另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称为替位式杂质。3、位错是半导体的一种缺陷，它对半导体材料和器件的性能会产生严重的影响。在棱位错的周围会导致原子间的压缩和伸张，晶格压缩区禁带宽度变宽；伸张区禁带宽度变窄。4、有效质量概括的是粒子在晶体内部内力作用下的质量，电子在能带顶的有效质量为负值，空穴在能带顶的有效质量为正值。5、根据掺杂原子在晶格中的位置不同，可分为和杂质。6、载流子速度随外加电场强度线性增加，总速度包括漂移运动速度和随机热运动速度两者之和。7、载流子的复合主要包括：直接带间复合和带隙复合两大类。8、内建电势差的大小主要取决于：热电压、施主杂质浓度和受主杂质浓度三大类。9、空间电荷区的宽度：随杂质的浓度增加而变窄，随反偏电压的增大而变宽。10、形成PN结反向击穿的机制主要有：雪崩击穿和齐纳击穿两种。11、在半导体中，电流主要是由载流子的漂移、扩散两种运动形式的构成。12、对于一定的半导体材料，电子和孔穴的浓度乘积00np只决定于温度，和费米能级以及杂质无关。13、对于n型半导体，当低温弱电离时，多数载流子电子的浓度n0在数值上等于电离的施主浓度；在强电离时，电子的浓度n0为施主的掺杂浓度。14、对于基体材料一定的n型半导体，费米能级将随着掺杂浓度的增加向上偏移，随温度升高向下偏移。15、重掺杂的简并半导体，杂质的浓度很高，杂质原子相互间很靠近，被杂质原子束缚的电子波函数显著重叠，杂质电子就可能在杂质原子之间产生共有化运动，从而使孤立的杂质能级扩展为能带，通常称为杂质的能带。16、载流子在复合的过程中，一定要释放多余的能量，其能量的释放方式主要包括：发射光子、发射声子和俄歇复合。17、爱因斯坦从理论上找出扩散系数和迁移率的定量关系，其中迁移率是反映载流子在电场浓度下运动的难易程度，扩散系数反映存在时浓度梯度载流子运动的难易程度。三、简答、简单计算题：1、一简单立方的晶格常数是5.63Å，请计算（111）的面间距和面密度？2、请简述费米-狄拉克函数和玻尔兹曼分布函数实用条件和相互关系？答：费米-狄拉克函数实用的条件是：满足泡利不相容原理玻尔兹曼分布函数：当能级远离费米能级