半导体物理试题

一、名词解释1、施主杂质：在半导体中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心的杂质称为施主杂质。受主杂质：在半导体中电离时，能够释放空穴而产生导电空穴并形成负电中心的杂质称为受主杂质。2、本征半导体：完全不含缺陷且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。实际半导体不可能绝对地纯净，本征半导体一般是指导电主要由本征激发决定的纯净半导体。3、多子、少子（1）少子：指少数载流子，是相对于多子而言的。如在半导体材料中某种载流子占少数，在导电中起到次要作用，则称它为少子。（2）多子：指多数载流子，是相对于少子而言的。如在半导体材料中某种载流子占多数，在导电中起到主要作用，则称它为多子。4、欧姆接触指金属与半导体的接触，其接触面的电阻远小于半导体本身的电阻，实现的主要措施是在半导体表面层进行高参杂或引入大量的复合中心。5、（1）费米能级:费米能级是绝对零度时电子的最高能级。（2）受主能级:被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称为受主能级（3）施主能级：被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级6、电子亲和能：真空的自由电子能级与导带底能级之间的能量差，也就是把导带底的电子拿出到真空去而变成自由电子所需要的能量。7、深/浅能级（1）浅能级杂质：在半导体中，能够提供能量靠近导带的电子束缚态或能量接近价带的空穴束缚态的杂质称为浅能级杂质。（2）深能级杂质：在半导体中，能够提供能量接近价带的电子束缚态或能量接近导带的空穴束缚态的杂质称为深能级杂质。8、肖特基势垒金属与半导体接触时，若二者功函不同，载流子会在金属与半导体之间流动，稳定时系统费米能级统一，在半导体表面一层形成表面势垒，是一个高阻区域，称为阻挡层。电子必须跨越的界面处势垒通常称为肖特基势垒。二、简答题1.简述PN结反向击穿的原理（雪崩效应、齐纳击穿、热电击穿）答：（1）雪崩击穿：半导体中，pn结反向电压增大时，势垒区中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大的动能，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子和空穴碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴。新产生的载流子在电场作用下碰撞出其他价电子产生新的自由电子和空穴对。如此连锁反应，使得阻挡层中载流子数量急剧增加，流过PN结的电流急剧增加击穿PN结。（2）齐纳击穿：当pn结加反向偏压时，势垒区能带发生倾斜；反向偏压越大，势垒越高，势垒区的内建电场也越强，势垒区能带也越加倾斜，甚至可以使n区的导带底比p区的价带顶还低。内建电场E使p区的价带电子得到附加势能qEx；当内建电场E大到某值以后，价带中的部分电子所得到的附加势能qEx可以大于禁带宽度Eg。如图示，当AB点的水平禁带宽度随着偏压的继续增大而短到一定量度是时，p区价带中的电子将以一定的概率通过隧道效应穿过禁带而到达n区导带中。并且，势垒区的电场越强，水平禁带宽度越窄，隧穿概率越大。（3）热电击穿：当pn结施加反向电压时，流过pn结的反向电流要引起损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热量，进而导致结的温度上升，反向饱和电流密度增大。如此反复循环下去，最后电流密度无限增大而发生击穿。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热点击穿。对于禁带宽度较小的半导体，由于反向饱和电流密度较大，在室温下这种击穿很重要。2.电子有效质量的意义是什么？它与能带有什么关系？答：有效质量概括了晶体中电子的质量以及内部周期势场对电子的作用，引入有效质量后，晶体中电子的运动可用类似于自由电子运动来描述。有效质量与电子所处的状态有关，与能带结构有关：（1）、有效质量反比于能谱曲线的曲率：（2）、有效质量是k的函数，在能带底附近为正值，能带顶附近为负值。（3）、具有方向性——沿晶体不同方向的有效质量不同。只有当等能面是球面时，有效质量各向同性。3.PN结电容的起源（扩散电容和势垒电容）答：pn结的电容来源主要有势垒电容和扩散电容：（1）势垒电容：当pn结加正向电压时，势垒区的电场将随正向偏压的增加而减弱，势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少。因为空间电荷是由不可移动的杂质离子组成的，所以空间电荷的减少是由于n区的电子和p区的空穴过来中和了势垒区的一部分电离施主和电离受主。Pn结上外加电压的变化而引起的电子和空穴在势垒区的”存入“和”取出“作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这与一个电容器的充电盒放电作用相似。这就是pn结的势垒电容。（2）外加电压变化时，n区扩散区内积累的非平衡空穴也增加，与它保持电中性的电子也相应增加。同样，p区扩散区内积累的非平衡电子和它保持电中性的空穴也要增加。这种由于扩散区的电荷量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为pn结的扩散电容。4.金属-半导体接触如何形成欧姆接触？答：在不考虑表面态的时候，重掺杂的pn结可以产生显著的隧道电流。金属和半导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度很薄，电子也要通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。所以，当半导体重掺杂时，它与金属的接触可以形成接近理想的欧姆接触。5.简述什么是MIS结构，并简单介绍MIS器件的功能。MIS结构是指金属-绝缘层-半导体结构。假若绝缘体层的厚度足够大，则基本上不导电，这时即为MIS电容器；假若绝缘体层的厚度足够薄，则绝缘体基本上不起阻挡导电的作用（阻抗极小），这时即为肖基特二极管；假若绝缘体层的厚度不是很薄、也不是很厚，则这时载流子有较大的几率通过隧道效应而穿过绝缘体层，这种结构的器件即称为MIS隧道二极管。（答案来源书本加百度）计算题1.在一个均匀的n型半导体的表面的一点注入少数载流子空穴。在样品上施加一个50V/cm的电场，在电场力的作用下这些少数载流子在100μs的时间内移动了1cm，求少数载流子的漂移速率、迁移率和扩散系数。（kT=0.026eV）(5分)解：在电场下少子的漂移速率为：4110/100cmvcmss迁移率为：4210/50vcmVsE扩散系数为：220.026200/5.2/pkTDcmscmsq2.一束恒定光源照在n型硅单晶样品上，其平衡载流子浓度n0=1014cm-3，且每微秒产生电子－空穴为1013cm-3。如τn=τp=2μs，试求光照后少数载流子浓度。（已知本征载流子浓度ni=9.65×109cm-3）(5分)解：光照后：0201356133622109.3110210210110pipppGnGncm分分3.掺杂浓度为ND=1016cm-3的n型单晶硅材料和金属Au接触，忽略表面态的影响，已知：WAu=5.20eV,χn=4.0eV,Nc=1019cm-3,ln103=6.9在室温下kT=0.026eV,半导体介电常数εr=12,ε0=8.854×10-12F/m，q=1.6×10-19库，试计算：⑴半导体的功函数；⑵在零偏压时，半导体表面的势垒高度，并说明是哪种形式的金半接触，半导体表面能带的状态；⑶半导体表面的势垒宽度。解：⑴由0exp()FDEcENnNckT得：1916010ln0.026ln.184.0181()FDsFNcEcEkTeVNWsEcEeV⑵在零偏压下，半导体表面的势垒高度为：5.204.181.02DqVWmWseV对n型半导体，因为Wm＞Ws，所以此时的金半接触是阻挡层（或整流）接触，半导体表面能带向上弯曲（或：直接用能带图正确表示出能带弯曲情况）。⑶势垒的宽度为：1/20141/21916512()2128.8510()1.610103.710().02rDDVdqNcm4.掺杂浓度ND=1015cm-3的n型硅，由于光照产生了非平衡载流子△n=△p=1014cm-3。试计算这种情况下准费米能级的位置，并和原来的费米能级进行比较。（自己找答案）解：设杂质全部电离，则无光照时由得光照前光照后n=,这种情况下的电子准费米能级=空穴准费米能级与相比，电子准费米能级之差，相差甚微：而空穴准费米能级只差即空穴费米能级相比平衡费米能级下降了0.52eV。由此可见，对n型半导体，小注入条件下电子准费米能级相对于热平衡费米能级的变化很小，但空穴准费米能级变化很大。