半导体物理第七章答案.docx
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半导体物理第七章答案
半导体物理第七章答案
【篇一：
半导体物理第六、七章习题答案】
1.一个ge突变结的p区n区掺杂浓度分别为na=1017cm-3和nd=5?
1015cm-3，该pn结室温下的自建电势。
解：
pn结的自建电势vd?
nnkt
（lnd2a）qni
已知室温下，kt?
0.026ev，ge的本征载流子密度ni?
2.4?
1013cm?
3
5?
1015?
1017
代入后算得：
vd?
0.026?
ln?
0.36v132
（2.4?
10）4.证明反向饱和电流公式（6-35）可改写为
b?
i2k0t11js?
（?
）2
（1?
b）q?
nln?
plp
式中b?
?
n
，?
n和?
p分别为n型和p型半导体电导率，?
i为本征半导体电导率。
?
p
ktkt?
p和dn?
?
n代入式（6-35）得qq
证明：
将爱因斯坦关系式dp?
js?
kt
?
n
ln
np0?
kt
?
p
lp
pn0?
kt?
n?
p（
np0ln?
p
?
pn0lp?
n
）
ni2ni2
因为np0?
，pn0?
，上式可进一步改写为
pp0nn0
js?
kt?
n?
pni2（
又因为
1ln?
ppp0
?
1lp?
nnn0
）?
qkt?
n?
pni2（
1ln?
p
?
1lp?
n
）
?
i?
niq（?
n?
?
p）
?
i2?
ni2q2（?
n?
?
p）2?
ni2q2?
p2（1?
b）2
即
?
i2?
i2
ni?
2?
q（?
n?
?
p）2q2?
p2（1?
b）2
2
将此结果代入原式即得证
ktb?
i211
js?
22（?
）?
?
?
（?
）22
q?
p（1?
b）ln?
plp?
nq（1?
b）ln?
plp?
n
1
1
qkt?
n?
p?
i2
注：
严格说，迁移率与杂质浓度有关，因而同种载流子的迁移率在掺杂浓度不同的p区和n
区中并不完全相同，因而所证关系只能说是一种近似。
2.试分析小注入时，电子（空穴）在5个区域中的运动情况（分析漂移和扩散的方向及相对大小）
答：
正向小注入下，p区接电源正极，n区接电源负极，势垒高度降低，p区空穴注入n区，n区电子注入p区。
注入电子在p区与势垒区交界处堆积，浓度高于p区平衡空穴浓度，形成流向中性p区的扩散流，扩散过程中不断与中性p区漂移过来的空穴复合，经过若干扩散长度后，全部复合。
注入空穴在n区与势垒区交界处堆积，浓度比n区平衡电子浓度高，形成浓度梯度，产生流向中性n区的空穴扩散流，扩散过程中不断与中性n区漂移过来的电子复合，经过若干扩散长度后，全部复合。
3.
在反向情况下坐上题。
答：
反向小注入下，p区接电源负极，n区接电源正极，势垒区电场强度增加，空间电荷增加，势垒区边界向中性区推进。
势垒区与n区交界处空穴被势垒区强电场驱向p区，漂移通过势垒区后，与p区中漂移过来的空穴复合。
中性n区平衡空穴浓度与势垒区与n区交界处空穴浓度形成浓度梯度，不断补充被抽取的空穴，对pn结反向电流有贡献。
同理，势垒区与p区交界处电子被势垒区强电场驱向n区，漂移通过势垒区后，与n区中漂移过来的电子复合。
中性p区平衡电子浓度与势垒区与p区交界处电子浓度形成浓度梯度，不断补充被抽取的电子，对pn结反向电流有贡献。
反向偏压较大时，势垒区与p区、n区交界处的少子浓度近似为零，少子浓度梯度不随外加偏压变化，反向电流饱和。
5.一硅突变pn结的n区?
n=5?
?
cm，?
p=1?
s；p区?
p=0.1?
?
cm，?
n=5?
s，计算室温下空穴电流与电子电流之比、饱和电流密度，以及在正向电压0.3v时流过p-n结的电流密度。
解：
由?
n?
5?
?
cm，查得nd?
9?
1014cm?
3，?
p?
420cm/v?
s
由?
p?
0.1?
?
cm，查得na?
5?
1017cm?
3，?
n?
500cm3/v?
s∴由爱因斯坦关系可算得相应的扩散系数分别为
3
dp?
kt
1kt1?
p?
?
420?
10.5cm
2/s，dn?
?
n?
?
500?
12.5cm2/sq40q40
相应的扩散长度即为
lp?
?
?
3.24?
10?
3cm
ln?
?
?
7.9?
10?
3cm
对掺杂浓度较低的n区，因为杂质在室温下已全部电离，nn0?
9?
10cm，所以
14
?
3
ni2（1.5?
1010）25?
3
pn0?
?
?
2.5?
10cm14
nn09?
10
对p区，虽然na=5?
1017cm-3时杂质在室温下已不能全部电离，但仍近似认为pp0=na，
ni2（1.5?
1010）2
np0?
?
?
4.5?
102cm?
317
pp05?
10
于是，可分别算得空穴电流和电子电流为
∴jp?
qdp
pn0lp
（e
qu
1.6?
10?
19?
10.5?
2.5?
105qu?
1）?
（e?
1）?
3
3.24?
10
?
1.30?
10
?
10
（e
qv
?
1）
jn?
qdn
np0ln
（e
qv
1.6?
10?
19?
12.5?
4.5?
102qv?
1）?
（e?
1）
7.9?
10?
3
?
1.14?
10
?
13
（e
qv
?
1）
1.30?
10?
10
空穴电流与电子电流之比?
?
1.14?
103?
13
jn1.14?
10
饱和电流密度：
jp
js?
qdp
pn0lp
?
qdn
np0ln
?
1.30?
10?
10?
1.14?
10?
13?
1.30?
10?
10a/cm2
当u=0.3v时：
j?
js（e
qv
?
1）?
1.30?
10?
10?
（e
?
1）?
1.30?
10?
10?
e
=1.29?
10?
5a/cm2
6．条件与上题相同，计算下列电压下的势垒区宽度和单位面积上的势垒电容：
①－10v；②0v；③0.3v。
解：
对上题所设的p+n结，其势垒宽度
xd?
?
?
k0tna?
nd19?
1014?
5?
1017
式中，vd?
（efn?
efp）?
ln?
0.026ln?
0.74v2102
qqni（1.5?
10）
外加偏压u后，势垒高度vd变为（vd?
u），因而①u=－10v时，势垒区宽度和单位面积势垒电容分别为
xd?
?
?
3.94?
10?
4cmct?
?
r?
0
xd
11.6?
8.85?
10?
14
?
?
2.6?
10?
9f/cm2?
4
3.94?
10
②u=0v时，势垒区宽度和单位面积势垒电容分别为
xd?
?
1.03?
10?
4cm11.6?
8.85?
10?
14?
92
ct?
?
9.97?
10f/cm?
4
1.03?
10
③u=
0.3v
xd?
?
?
7.97?
10?
5cm正向偏压下的pn结势垒电容不能按平行板电容器模型计算，但近似为另偏压势垒电容的4
倍，即
ct?
4ct（0）?
4?
9.97?
10?
9?
4?
10?
8f/cm2
7.计算当温度从300k增加到400k时，硅pn结反向电流增加的倍数。
解：
根据反向饱和电流js对温度的依赖关系（讲义式（6－26）或参考书p.193）：
js?
t（3?
?
/2）exp（?
式中，eg（0）表示绝对零度时的禁带宽度。
由于t
3?
?
/2
eg（0）kt
）
比其后之指数因子随温度的变化缓慢得
多，js主要是由其指数因子决定，因而
1.24
js（400k）e1200k
?
1.24?
e?
e12.4?
2.43?
105
?
js（300k）
e300k
?
1.24400k
9.已知突变结两边的杂质浓度为na=1016cm-3，nd=1020cm-3。
①求势垒高度和势垒宽度②画出e（x）和v（x）图。
解：
na?
1016cm?
3,nd?
1020cm?
3
平衡势垒高度为
qvd
kt?
q0
q
?
nand?
ln?
ni2?
?
1036
?
?
0.026qln?
0.94?
ev?
2?
1.5?
10?
xd?
?
?
4
?
3.5?
10?
cm?
【篇二：
半导体物理】
txt>2innovationbegins
在第二次世界大战刚结束不久的1947年三位贝尔实验室的科学家的研究使得世界上第一个双极晶体管问世,带领了人类迈向电子仪器还有产品的新纪元。
这三位科学家分别是:
jacks.kilby,williamshockleyandrobertnoyce.1960年代的电晶体原以锗（ge）电晶体为主，但因氧化锗为水溶性，锗的表面包护较困难，容易产生漏电流，矽（si）电晶体遂渐渐取而代之。
矽可经高温氧化形成二氧化矽表面保护层，兼具不溶于水、质硬和优良绝缘体等特性。
到了1970年代，积体电路的制造技术渐渐成熟，拥有100个、1,000个甚至10,000个电晶体的积体电路便循序发展成功，而有小型（ssi）、中型（msi）、大型（lsi）之别。
1968年intel公司，从事大型积体电路产品的生产，于该年代成功生产4位元（4004）、8位元（8080）次至于16位元（8086）的微处理机（microprocessor），开启了所谓的微电脑时代。
半导体元件除采用矽外，还有采用砷化镓的，后者见于1970年贝尔实验室所发明的室温半导体雷射，该雷射开启了光电及光纤通讯的新纪元。
砷化镓半导体元件在微波、快速电晶体及电路方面的应用也十分重要。
1980到1990年代个人计算机的观念开始风行。
主要的原因是因为intel所研发的pentium处理器.到了1990年代中叶发光二极管成功的研发出来。
.直到最近2000年代，我们生活在以硅晶体为基础的世界，同时看着硅晶体科技持续的快速发展。
2009年bell实验室的willards.boyle，georgee.smith因为发明半导体成像技术获得nobel物理学奖一个特点是，半导体物理的研究不但可以揭示崭新的物理现象，而且为人类社会特别是信息社会的发展奠定了几乎全部的基础和支柱（从信息的接受，处理，发射到传输无一不是基于半导体器件）。
以下讨论一下纳米半导体材料：
1990年代之前，作为第一代的半导体材料以硅（包括锗）材料为主元素半导体占统治地位。
但随着信息时代的来临，当人们对信息的存储、传输及处理的要求也越来越高时，以砷化镓（gaas）为代表的第二代化合物半导体材料显示了其巨大的优越性。
而以氮化物（包括sic、zno等宽禁带半导体）为第三代半导体材料，由于其优越的特征正成为最重要的半导体材料之一。
其中氮化镓是最早被利用的、并且研究得最充分的第三代半导体。
它有很强的键强度，决定了它的材料强度大，耐高温，耐缺陷，不易退化，在器件应用上有很多的优点。
sic是在历史上研究得较早的一种半导体，但由于它的晶相很多，单晶生长困难，成本高，没有得到重视。
近年来由于计算机控制的生长技术发展，它成为了又一种重要的第三代半导体。
它具有优良的热学、电学、力学和化学性质，它的热导率是蓝宝石的20倍，可有效地解决管芯的散热问题。
不但可以用作大功率gan发光二极管的衬底材料，而且也是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一。
zno是继gan以后出现的又一种第三代宽禁带半导体。
它在某些方面具有比gan更优越的性能，如：
更高的熔点和激子束缚能、激子增益更高、外延生长温度低、成本低、容易刻蚀而使后继工艺加工更方便等。
它的缺点是制作单晶比较困难。
第三代半导体器件由于它们的独特的优点，在国防建设和国民经济上有很重要的应用，前景无限。
当半导体光电子材料的尺寸减小到纳米量级时，其物理长度与电子自由程相当，载流子的输运将呈现量子力学特性，宏观固定的准连续能带消失而表现出分裂的能级，因而传统的理论
和技术已不再实用。
纳米半导体光电子材料的最终目标是以原子、分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。
由于纳米半导体光电子材料从维数上来说小于三维，故也称为低维半导体光电子材料，其中包括量子点（qd）材料（零维材料）、量子线（qwr）材料（一维材料）和量子阱（qw）材料（二维材料）。
量子阱的电子态密度呈台阶形状，而量子点和量子线的电子态密度分别呈现出一系列孤立的线形状和尖峰形状，因而量子点和量子线比量子阱更容易达到激光作用所必须的粒子数反转，故更适于制作激光器，而量子阱则需要考虑整个子带的填充。
由于量子点、量子线材料有很大的量子限制效应，故用量子点、量子线材料制作激光器将降低其阈值电流密度，提高直接调制速度，降低阈值电流对温度的敏感性。
此外量子点材料还可以用于制作单电子晶体管和光存储器等。
导致纳米半导体光电子材料产生得天独厚优异特性的主要原因是因为它具有表面效应、界面效应、量子效应、隧道效应和小尺寸效应。
纳米半导体光电子材料的研制成功，打破了过去以超薄层、叠层结构为中心研究半导体量子效应的局面，开辟了量子半导体研究的新领域。
从20世纪70年代以来，以分子束外延（mbe）、金属有机物化学气相淀积（mocvd）等为代表的先进薄层材料生长技术，超精细原子加工和电子束光刻技术等的不断发展、完善与进步，以及随后发展起来的应变自组装半导体量子点、量子线生长技术等，为纳米半导体材料的生长、制备和量子器件的研制创造了条件。
目前，超晶格、量子阱材料的工业生产制备技术已很成熟，基于它的量子器件如高电子迁移率晶体管（hemt）、双异质结晶体管（hbt）和量子阱激光器（qwld）等在光纤通信和移动通信领域得到了广泛的应用，并已形成了高科技产业。
纳米半导体量子点和量子线结构材料制备相当困难，虽然可采用超晶格、量子阱材料生长与高空间分辨的刻蚀工艺相结合（即所谓的“自上而下”技术）来制备纳米半导体量子点和量子线，并可在设备空间分辨率的范围内对其形状、密度和空间分布进行人为控制，从而得到希望的结构；但由于加工开来的边缘损伤和杂质污染等，导致器件的性能与理论的预测值相差甚远。
为此，在过去的20年里，人们又探索发展到了以半导体应变自组装和气-液-固（v-l-s）等为代表的所谓“自下而上”的生长技术。
近年来，采用这种技术，在制备无缺陷的纳米半导体量子点、量子线材料方面取得巨大成功，特别是大功率、高性能半导体量子点激光器和量子点红外探测器的研制取得了突破性进展，
例如：
2011年9月22日
三星电子再次创下了一个“世界首次”纪录，为世界半导体历史写下了新的一页在位于京畿道华城的第16生产线，开始首次批量生产20纳米级d-ram半导体。
去年7月，三星电子在世界上首次推出了30纳米级d-ram半导体，而现在出台的20纳米级d-ram，在功能方面和30纳米级相同，但是产量却提高了50%以上，耗电量也减少了40%。
所谓“20纳米”是指半导体电路线宽相当于成人头发丝直径的四千分之一。
半导体制造工艺越是趋于纳米级微加工技术，半导体芯片就会越小，在单一硅片上生产的半导体数就会越多，从而降低了生产成本。
硅微电子技术是不是可以按照《摩尔定律》永远发展下去呢？
目前硅的集成电路大规模生产技术已经达到0.13－0.09微米，进一步将到0.07微米，也就是70个纳米甚至更小。
根据预测，到2022年，硅集成电路技术的线宽可能达到10个纳米，这个尺度被认为是硅集成电路的“物理极限”。
就是说，尺寸再减小，就会遇到有很多难以克服的问题。
当然这里说的10纳米，并不是一个最终的结论。
随着技术的发展，特别是纳米加工技术的发展，也可能把这个“极限”尺寸进一步减小；但总有一天，当代的硅微电子技术会走到尽头。
随着集成电路线宽的进一步减小，硅微电子技术必然要遇到许多难以克服的问题，如cmos器件沟道掺杂原子的统计分布涨落问题。
比如说长度为100个纳米的源和漏电极之间，掺杂原子也只有100个左右，如何保证这100个原子在成千上万个器件里的分布保持一致，显然是不可能的，至少也是非常困难的。
也就说杂质原子分布的涨落，将导致器件性能不一，性质的不一致，就难保证电路的正常工作。
又如mos器件的栅极下面的绝缘层就是二氧化硅，它的厚度随着器件尺寸的变小而变小，当沟道长度达到0.1个微米时，sio2的厚度大概也在一个纳米左右。
尽管上面加的栅电压很低，如一个纳米上加0.5伏或者是一伏电压，但是加在其上的电场强度就要达到每厘米5-10兆伏以上，超过了材料的击穿电压。
当这个厚度非常薄的时候，即使不发生击穿，电子隧穿的几率也很高，将导致器件无法正常工作。
随着集成电路集成度的提高，芯片的功耗也急剧增加，使其难以承受；现在电脑cpu的功耗已经很高，如果说将来把它变成“纳米结构”，即不采用新原理，只是按《摩尔定律》走下去，进一步提高集成度，那么加在它上面的功耗就有可能把硅熔化掉！
另外一个问题是光刻技术，目前大约可以做到0.1微米，虽然还有些正在发展的光刻技术，如x光、超紫外光刻技术等，但要满足纳米加工技术的需求，还相差很远。
再者，就是电路器件之间的互连问题，对每一个芯片来说，每一个平方厘米上有上千万、上亿只管子，管子与管子之间的联线的长度要占到器件面积的60—70％，现在的连线就多达8层到10多层，尽管两个管子之间的距离可以做得很小，但是从这个管子到另外一个管子，电子走的路径不是直线，而要通过很长的连线。
我们知道线宽越窄，截面越小，电阻越大，加上分布电容，电子通过引线所需的时间就很长，这就使cpu的速度变慢。
另外纳米加工的制作成本也很高，由于这些原因，硅基微电子技术最终将没有办法满足人类对信息量不断增长的需求。
【篇三：
半导体物理期末作业led】
txt>题目：
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班级：
日期：
成绩：
光发射二极管（led）摘要：
本文简要叙述了半导体发光二极管的发展历史及工作原理和应用和前景，重点介绍了发光二极管的发光原理，并讲述了发光二极管的历史和应用前景。
无论在显示方面还是在电子通讯以及照明领域，led的应用正在迅速增长，高亮度的二极管可替代白炽灯等照明器具，具有很大开发潜力。
关键词：
半导体，发光二极管，发光原理，照明
一、发光二级管（led）的发展历史发光二极管
（英语：
light-emittingdiode，简称led是一种能发光的半导体电子元件。
）这种电子元件早在1962年
出现，早期只能发出低光度的
红光，之后发展出其他单色光
的版本，时至今日能发出的光
已遍及可见光、红外线及紫外
线，光度也提高到相当的光
度。
而用途也由初时作为指示
灯、显示板等；随着白光发光
二极管的出现而续渐发展至
被用作照明。
led只能往一个方向导通
（通电），叫作正向偏置（正向偏压），当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫点致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。
具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。
白光led的发光效率，在近几年来已经有明显的提升，同时，在每千流明的购入价格上，也因为投入市场的厂商相互竞争的影响，而明显下降。
虽然越来越多人使用led照明作办公室、家具、装饰、招牌甚至路灯用途，但在技术上，led在光电转换效率（有效照度对用电量的比值）上仍然低于新型的荧光灯。
1999年,国际上照明行业和半导体光电子行业发生了极为激动人心的事件,三大照明公司几乎在差不多时间内都与相应的半导体行业中的姣姣者成立合资的发光二极管（lightemittingdiode,led）照明公司,ge公司与emcore公司成立gelcore公司,philips照明公司与hp公司成立lumiledslighting公司,osram公司与西门子光电子部门成立osram光电子公司,并投入大量人力和财力进行研发工作,目标是使led成为21世纪的新光源.hp公司的haitzr等人从节约能源的角度更明确地提出,半导体已在电子学领域完成了第一次革命,而另一次革命就在照明领域.能源是国民经济的命脉,在美国有20%的电能（或者说能源总量的712%）用于照明,假如将发光二极管的发光效率提高到200lm/w（流明/瓦）,那么就超过目前所有的电光源效率,如果到2025年有50%的通用光源被取代,那就意味着全球每年能节约电费1000亿美元。
并减少3亿5千万吨二氧化碳等污染物的排放.美国能源部和日本政府都拨巨资支持有关企业加速led照明光源的研发工作。
二、发光二级管的工作原理
2.1简介：
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写
为led。
发光二极管与普通二极管一样是由一个pn结组成，也具有单
向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从p区注入到n区的空穴
和由n区注入到p区的电子，在pn结附近数微米内分别与n区的电子
和p区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和
空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，
释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或
黄光的二极管。
光通或黄极光管的一二样是极由或n区的空穴和由n制过管子的电流2.2工作原理发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n
型半导体之间有一个过渡层，称为pn结。
在某些半导体材料的pn结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
pn结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称led。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从led阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
半导体材料受到某种激发时，电子产生由低能级到高能级的跃迁，形成非平衡载流子。
这种处于激发态的电子在半导体中运动一段时间后，有回复到较低的能量状态，并发生电子—空穴对的复合。
复合过程中，电子以不同的形式释放出多余的能量。
从高能能量状态到较的能量状态的电子跃迁过程，主要有以下几种：
①有杂质或缺陷参与的跃迁。
②带与带之间的跃迁。
③热载流子在带内的跃迁，如过程?
。
2.2.1本证跃迁
本征辐射复合（带-带复合）导带电子跃迁到价带与空穴复合的过程称为本征跃迁。
本征跃迁伴随发射光子的过程称为本征辐射复合。
对于直接禁带半导体，本征跃迁为直接辐射复合全过程只涉及一个电子、空穴对和一个光子，辐射效率较高。
ii-vi族和具有直接禁带的部分iii-v族化合物的主要发光过程属于这种类型。
对于间接禁带半导体，本征跃迁必须借助声子，因而是间接复合。
其中包含不发射光子的多声子无辐射复合过程和同时发射光子和声子的间接辐射复合过程。
因此，间接禁带半导体中发生本征
辐射复合的几率较小，辐射效率低。
ge、si、sic和具有间
接禁带的部分iii-Ⅴ族化合物的本征复合发光属于这种类型
?
发光比较微弱。
因为带内高能状态是非稳状态，载流子
即便受激进入这些状态也会很快通过“热化”过程加入导带
底或价带顶。
显然，带间跃迁所发射的光子能量与eg有关。
对直接跃迁，发射光子的能量满足：
?
?
?
eg
式中ed和ea分别代表施主和受主的束缚能,r是发光材料的相对介电常数。
由于施主和受主一般以替位原子出现在晶格中，因此r只能取原子间距的整数倍，相应的光子能量为不连续数值，对应于一系列不连续的发射谱线。
但这只在
r较小，即电子在相邻的施主和受主间跃迁时才可区分，随着r的增大，发射光子的能量差别越来越小?
而且电子从施主向受主跃迁所要穿过的距离也越来越大，跃迁几率很小。
因此杂质发光主要发生在相邻施，受主之间。
2.2.3举例ga-p--gap中的非本征辐射复合机构
gap的室温禁带宽度eg?
2.26ev，但其本征辐射跃迁效率很低，主要依靠非本
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