半导体物理复习思考题2

1.电子的共有化运动答：原子组成晶体后，由于原子壳层的交叠，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邻的原子上去。因而，电子将可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。2.有效质量（电子）及意义答：222*11dkEdhmn意义：在于它概括了内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。3.简并半导体及简并化条件答：当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂，这种半导体即称为简并半导体。也可从能带的角度理解简并半导体，即费米能级EF进入价带顶或者导带低的半导体进入了简并化。半导体的简并化条件为Ec－EF≤0。4.何为施主杂质和施主电离，试用能带图表示施主杂质电离的过程。答：Ⅴ族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子，并形成正电中心，称它们为施主杂质。电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离。标明Ec、EV1分；ED1分；电子电离的箭头方向。5.定性分析非简并半导体中电阻率随温度变化的关系。TABCρ答：23231*TBNiATmq,pnpqnq11或AB段温度很低，本征激发可以忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随温度升高而增加，散射主要由电离杂质决定，迁移率随温度升高而增大，所以，电阻率随温度升高而降低。BC段温度继续升高，杂质已经全部电离，本征激发还不十分明显，载流子基本上不随温度变化，晶格震动散射上升为主要矛盾，迁移率随温度升高而降低，所以，电阻率随温度升高而增大。C段，温度继续升高，本征激发很快增加，大量本征载流子的产生远远超过迁移率减小对电阻率的影响，这是，本征激发称为矛盾的主要方面，杂质半导体的电阻率随温度升高而急剧下降。6.一块均匀的n型半导体受到光照（小注入），在内部均匀产生非平衡载流子。画出热平衡状态下的能带图，标出EC、EV、EF、Ei能级的位置，并在此基础上画出光注入时的nFE和pFE，说明为什么nFE和pFE偏离EF的程度是不同的。答：小注入时，00nnp，显然有0nn，且0nn，因而nFE比EF更靠近导带，但偏离EF很小。这时，注入的空穴浓0pp，所以pFE比EF更靠近价带，且比nFE更显著的偏离了EF。7.分别说明理想pn结在正、反偏压下势垒区宽度、势垒区高度的变化及载流子的运动情况，并定性解释pn结的整流特性。答：理想pn结在正向偏压下势垒区宽度减小，势垒区高度降低，载流子表现为扩散运动；理想pn结在反向偏压下势垒区宽度增加，势垒区高度增高，载流子表现为漂移运动。通过pn结的总电流就是通过边界pp的电子扩散电流与通过边界nn的空穴扩散电流之和。当正向偏压时，由于载流子的扩散运动，在pp和nn处分别形成电子和空穴的积累，形成扩散电流，正向偏越大，扩散电流越大，因此，在正向偏压下，理想pn结的电流随正向偏压的增加增加；当反向偏压时，pn结中的总电流是通过势垒区边界nn和pp附近的少数载流子扩散电流之和。因为少子浓度低，当反向偏压很大时，边界处的少子可以认为是0，这时少子的浓度梯度不随电压变化，因此扩散流也不随电压变化，所以在反向偏压下，pn结的电流较小并且趋于不变。8.pn结的空间电荷区答：当pn结相互接触时，在pn结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷，它们所存在的区域称为空间电荷区。9.画出热平衡时pn结的能带图，并标明势垒区中载流子的漂移运动和扩散运动的方向，及势垒高度和势垒宽度。答：10.MIS结的反型层及形成条件答：随着外加电压VG的增大，表面处禁带中央Ei可以下降到EF以下，即出现反型层。或表面处少数载流子浓度ni超过体内多数载流子浓度即为反型。形成条件：VGVT（或Vs≥2VB）计算题1.设n型硅的施主浓度分别为1.5×1014及1012cm-3，试计算500K时电子和空穴浓度n0和p0。并指出哪一种掺杂更接近本征激发。（500K，ni=3.5×1014cm-3）解：由题意可得0202122024nnpnNNniiDD314105.3500cmnKTi时，当31303140314108.2103.4105.11cmpcmncmND31403140312105.3105.3102cmpcmncmND由此可见第二种掺杂更接近本征激发。2.以施主杂质电离90%作为强电离的标准，求掺砷的n型锗在300K时，以杂质电离为主的饱和区掺杂的浓度范围。已知300K下，3191005.1cmNC，施主电离能为0.0127eV，313104.2cmni。解：TkENDNDCD0exp2室温时：31703191022.3%10026.00127.01005.1cmNDeVTkeVEcmNDDC314104.210cmnNiD3173141022.3104.2cmNcmD3.若设一个硅突变结，其两边杂质浓度分别为317/10cmNA，315/105.4cmND，求其接触电势差、势垒高度和势垒宽度。若结上加V10反偏电压时，求势垒区的宽度。注：300K硅3101002.1cmni，KJk/1038.1230，Cq19106.1，cmF/1085.8140，9.11r。解：（1）因为DANN，因此pn结为突变结。分2＝势垒宽度：分2＝势垒高度：分2接触电势差：cmqNVXeVJqVVnNNqTkVDDrDDiDAD501919210151720107.4276.01021.176.0106.176.01002.1105.410ln026.0ln（2）cmqNVVXDDrD415191401077.1105.4106.11076.01085.89.11224.室温下，掺磷的n型硅，掺杂的浓度为3-15Dcm10N，已知磷的电离能为0.044eV。求：（1）热平衡时电子浓度和空穴浓度；（2）费米能级EF相对于禁带中部能级Ei的位置；（3）半导体的电导率。注：300K下硅310icm1002.1n，K/J1038.1k230，C106.1q19，319Ccm108.2N，319Vcm101.1N，SV/cm10002n，SV/cm5002P。解：（1）317190DCDcm1058.2026.0044.0exp2108.21.0TkEexp2NDN在300K下强电离的范围是317D311cm1058.2Ncm101.02ni10315Dcm10N为强电离热平衡时电子浓度315D0cm10Nn热平衡时空穴浓度351521002i0cm1004.1101002.1nnp（2）iF0Fii0EETkEEexpnn0.299eVEF在Ei上0.299eV处。（3）cm/S16.01000106.110qnqpqn1915n0p0n05.如图所示：室温下，一均匀掺杂的p型半导体样品，电子的寿命为sn350，电子的迁移率sVcmn23600，在样品的一端有光照均匀产生非平衡载流子。设表面的非平衡载流子浓度为313010cmn，样品足够厚。求：1)非平衡少数载流子的扩散长度；2)半导体中非平衡少数载流子的分布；3)在距表面多远处非平衡少数载流子浓度等于表面非平衡少数载流子浓度的101。解：分。表面浓度的位置少数载流子浓度为距表面分时，当样品足够厚分又其中：扩散长度：210141.041.03.210ln1010133100002318.0103506.93/6.93026.03600118.0130018.01300062022cmcmLLxeennxneenxnnAnnxAexnBcmLscmqTkDDLBeAexnxndxxndDnnxLxxLxLxnnnnnLxLxnnnpnn6.室温下，一硅突变pn结，pn结两侧的掺杂浓度分别为：3-17Acm103N，3-15Dcm10N。求：（1）室温条件下势垒区接触电势差；（2）计算下列电压下的势垒区宽度和单位面积上的电容：①-10V；②0V；③0.3V。注：300K下硅310icm1002.1n，K/J1038.1k230，C106.1q19，319Ccm108.2N，319Vcm101.1N，cm/F1085.8140，9.11r。解：（1）Ve746.01002.110103ln026.0nNNlnqTkV21015172iAD0D（2）VV2qNCNVV103.1qNVV2XNNDD0rTDD7DD0rDDA单边突变F1032.41008.140C4Ccm106.71013.0746.0103.1X:V3.0VF1008.1VV2qNCcm108.9101746.0103.1X:V0VF108.2VV2qNCcm1074.310110746.0103.1X:V10V88TT5157D8DD0rT5157D9DD0rT4157D）（7.T=300K时，硅片中均匀掺入173DN10cm的施主杂质，在温度T=300K时保持热平衡条件不变，取103in110cm，6p10s，2n800cm/Vs，2p330cm/Vs，求：（1）计算热平衡状态下的电子和空穴的浓度；（2）该半导体的FiEE；（3）该半导体硅片的电阻率；（4）该半导体硅片中的少子扩散系数pD；（5）该半导体硅片中的少子扩散长度pL。解：1730D210233i0170170iF0iFi0100i0n0p0n20ppnN10cm2(1)1.010np10cm2n10nEE102nnexpEEkTln0.026ln0.419eV2kTn1011130.078cm2nqpqnqkT4D0.0263308.58cm/s2q5L分分分分分3pppD2.9310cm2分8一硅突变pn结，pn结两侧的掺杂浓度分别为：3-17Acm103N，3-15Dcm10N。室温条件下，求：（1）势垒区接触电势差；（2）分别计算在热平衡和反向偏压-10V时的势垒区宽度和单位面积上的电容；（3）计算热平衡下的最大电场强度。解：（1）V..ln.nNNlnqTkViADD746010021101030260210151720（2分）（2）7r0DDDDDADr0Dr0TTDD2VV1.310VVXqNNNNqNCC2VVX单边突变或（2分）F.VVqNCcm...X:VVF.VVqNCcm...X:VVDDrTDDDrT