复习题半导体物理学.docx

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复习题半导体物理学

一、填空题

1.半导体中的载流子主要受到两种散射，它们分别是（电离杂质散射）和（晶格振动散射）。

2.纯净半导体Si中掺V族元素的杂质，当杂质电离时释放（电子）。

这种杂质称（施主）杂质；相应的半导体称（N）型半导体。

3.当半导体中载流子浓度的分布不均匀时，载流子将做（扩散）运动；在半导体存在外加电压情况下，载流子将做（漂移）运动。

4.nopo=ni2标志着半导体处于（热平衡）状态，当半导体掺入的杂质含量改变时，乘积nopo改变否？

（不改变）；当温度变化时，nopo改变否？

（改变）。

5.硅的导带极小值位于布里渊区的（<100>方向上），根据晶体对称性共有（6）个等价能谷。

6.n型硅掺As后，费米能级向（Ec或上）移动，在室外温度下进一步升高温度，费米能级向（Ei或下）移动。

7.半导体中的陷阱中心使其中光电导灵敏度（增加），并使其光电导衰减规律（衰减时间延长）。

8.若用氮取代磷化镓中的部分磷，结果是（禁带宽度Eg增大）；若用砷的话，结果是（禁带宽度Eg减小）。

9.已知硅的Eg为1.12eV，则本征吸收的波长限为（1.11微米）；Ge的Eg为0.67eV，则本征吸收的波长限为（1.85微米）。

10.复合中心的作用是（促进电子和空穴复合），起有效复合中心的杂质能级必须位于（Ei或禁带中心线），而对电子和空穴的俘获系数rn或rp必须满足（rn=rp）

11.有效陷阱中心位置靠近（EF或费米能级）

12.计算半导体中载流子浓度时，不能使用波尔兹曼统计代替费米统计的判定条件是（Ec-EF≤2koT以及EF-EV≤2koT），这种半导体被称为（简并半导体）。

13.PN结电容可分为（扩散电容）和（势垒电容）两种。

14.纯净半导体Si中掺Ⅲ族元素的杂质，当杂质电离时在Si晶体的共价键中产生了一个（空穴），这种杂质称（受主）杂质；相应的半导体称（P）型半导体。

15.半导体产生光吸收的方式（本征）、（激子）、（杂质）、（晶格振动）。

半导体吸收光子后产生光生载流子，在均匀半导体中是（电导率）增加，可制成（光敏电阻）；在存在自建电场的半导体中产生（光生伏特），可制成（光电池）；光生载流子发生辐射复合时，伴随着（发射光子），这就是半导体的（发光）现象，利用这种现象可制成（发光管）。

16.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。

17.简并半导体一般是（重）掺杂半导体，这时（电离杂质）对载流子的散射作用不可忽略。

18.热平衡条件下，半导体中同时含有一种施主杂质和一种受主杂质情况下的电中性条件是（p0+nD+=n0+pA-）

19.有效质量概括了晶体部势场对载流子的作用，可通过（回旋共振）实验来测量。

20.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（通过禁带的复合中心进行复合）。

二、选择题

1.本征半导体是指（A）的半导体。

A．不含杂质和缺陷B．电阻率最高

C．电子密度和空穴密度相等D．电子密度与本征载流子密度相等

2.在P型半导体中（C）

A．电子是多数载流子，空穴是少数载流子B．空穴的数量略多于电子

C．空穴是多数载流子，电子是少数载流子D．没有电子

3.当PN结外加反向电压时，扩散电流与漂移电流的关系及耗尽层宽度的变化为（B）。

A．扩散电流大于漂移电流、耗尽层变宽B．扩散电流小于漂移电流、耗尽层变宽

C．扩散电流大于漂移电流、耗尽层变窄D．扩散电流小于漂移电流、耗尽层变窄

4.PN结击穿主要有下列哪三种物理机制（A）

A．雪崩击穿、隧道击穿、热电击穿B．高压击穿、跃迁击穿、热电击穿

C．雪崩击穿、隧道击穿、自发击穿D．隧道击穿、自发击穿、跃迁击穿

5.某一处于热平衡状态下的非简并半导体掺有施主杂质浓度为ND=5×1017cm-3，当温度为300K时杂质已全部电离，已知本征载流子浓度为ni=1015cm-3，则电子和空穴浓度分别为（B）。

A．n0=2×1015cm-3，p0=1×1017cm-3

B．n0=5×1017cm-3，p0=2×1012cm-3

C．n0=5×1017cm-3，p0=2×1015cm-3

D．n0=2×1015cm-3，p0=5×1015cm-3

6.在n型半导体中（C）

A．空穴是多数载流子，电子是少数载流子B．空穴的数量略多于电子

C．电子是多数载流子，空穴是少数载流子D．没有电子

7.杂质半导体中的载流子输运过程的散射机构中，当温度升高时，电离杂质散射的概率和晶格振动声子的散射概率的变化分别是（B）。

A．变大，变小；B．变小，变大；C．变小，变小；D．变大，变大。

8.当PN结外加正向电压时，扩散电流与漂移电流的关系及耗尽层宽度的变化为（C）。

A．扩散电流大于漂移电流、耗尽层变宽B．扩散电流小于漂移电流、耗尽层变宽

C．扩散电流大于漂移电流、耗尽层变窄D．扩散电流小于漂移电流、耗尽层变窄

9.如果杂质既有施主的作用又有受主的作用，则这种杂质称为（F）。

A.施主B.受主C.复合中心D.陷阱F.两性杂质

10.半导体中少数载流子寿命的大小主要决定于（A）

A、复合机构B、散射机构C、禁带宽度D、晶体结构

11.对大注入条件下，在一定的温度下，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

12.最有效的复合中心能级位置在（D）附近；最有利陷阱作用的能级位置在（C）附近，常见的是（E）陷阱。

A、EAB、EDC、EFD、EiE、少子F、多子

13.电子在晶体中的共有化运动时指（C）

A、电子在晶体中各处出现的几率相同

B、电子在晶体原胞中个点出现的几率相同

C、电子在晶体各原胞对应点出现的几率相同

D、电子在晶体各原胞对应点有相同位相

14.Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体中的M空位Vm是（A）

A、点阵中的金属原子空位

B、点阵中的原子间隙

C、一种在禁带中引入施主能级的点缺陷

D、一种在禁带中引入受主能级的位错

15.自补偿效应的起因是（B）

A、材料中先已预存在某种深能级杂质

B、材料中先已预存在某种深能级缺陷

C、掺入的杂质是双性杂质

D、掺杂导致某种缺陷产生

16.若某半导体导带中发现电子的几率为零，则该半导体必定（D）

A、不含施主杂质

B、不含受主杂质

C、不含任何杂质

D、处于绝对零度

17.半导体中的载流子扩散系数的大小取决于（B）

A、复合机构

B、散射机构

C、能带结构

D、晶体结构

18.硅中掺金的工艺主要用于制造（C）器件

A、高可靠性

B、高反压

C、高频

D、大功率

19.欲在掺杂适度的无表面态n型硅上做欧姆电极，以下四种金属中最合适的是（A）

A、In（Wm=3.8eV）

B、Cr（Wm=4.6eV）

C、Au（Wm=4.8eV）

D、Al（Wm=4.2eV）

20.在光电转换过程中，硅材料一般不如GaAs量子效率高，其因是（A）

A、禁带较窄

B、禁带是间接型跃迁

C、禁带较宽

D、禁带是直接型跃迁

21.GaAs的导带极值位于布里渊区（A）

A、中心

B、<111>方向边界处

C、<100>方向边界处

D、<110>方向边界处

22.重空穴指的是（C）

A、质量较大的原子组成的半导体中的空穴

B、价带顶附近曲率较大的等能面上的空穴

C、价带顶附近曲率较小的等能面上的空穴

D、自旋-轨道耦合分裂出来的能带上的空穴

23.对于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，随着平均原子序数的增加（B）

A、禁带宽度增大

B、禁带宽度减小

C、最低的导带极小值从布里渊区中心移向边界

D、最低的导带极小值在布里渊区中心不变

24.根据费米分布函数，电子占据（EF+KT）能级的几率（B）

A、等于空穴占据（EF+KT）能级的几率

B、等于空穴占据（EF-KT）能级的几率

C、大于电子占据EF的几率

D、大于空穴占据EF的几率

25.对于只含一种杂质的非简并n型半导体，费米能级EF随温度上升而（D）

A、单调上升

B、单调下降

C、经过一极小值趋近Ei

D、经过一极大值趋近Ei

26.某材料的电阻率随温度上升而先下降后上升，该材料是（C）

A、金属

B、本征半导体

C、掺杂半导体

D、高纯化合物半导体

27.如果在神州十号太空实验室里，生长的GaAs具有很高的载流子迁移率，这是因为（C）的缘故。

A、无杂质污染

B、受较强的宇宙射线照射

C、晶体生长完整性好

D、化学配比合理

三、名词解释

1.非平衡载流子的寿命：

非平衡载流子的平均生存时间。

2.迁移率：

单位场强下电子平均飘移速度。

3.光生伏特效应：

由于光子的吸收在非均匀半导体中形成建电场，半导体部产生电动势（光生电压），将半导体外部短路则出现电流（光生电流）。

这种由建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。

4.非平衡载流子的寿命：

非平衡载流子的平均生存时间。

5.载流子平均自由时间：

载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之间的时间称为自由时间，取极多次而求平均值，则称之为载流子的平均自由时间。

6.肖特基接触：

金属与半导体的接触是整流接触，形成阻挡层，即肖特基接触。

7.光子本征吸收：

半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。

8.电子有效质量：

该参数将晶体导带中电子的加速度与外加的作用力联系起来，该参数包含了晶体中的力。

9.状态密度函数：

有效量子态的密度。

它是能量的函数，表示单位体积代为能量中的量子态数量。

10.杂质补偿半导体：

同一半导体区域既含有施主杂质又含有受主杂质的半导体。

11.简并半导体：

电子或空穴的浓度大于有效状态密度，费米能级位于导带中（n型）或价带中（p型）。

12.非简并半导体：

掺入相对较少的施主（和）或受主杂质，使得施主和（或）受主能级分离、无相互作用的半导体。

13.本征半导体：

没有杂质原子且晶体中午晶格缺陷的纯洁半导体材料。

14.准费米能级：

电子和空穴的住费米能级分别将电子和空穴的非平衡状态浓度与本征载流子浓度以及本征费米能级联系起来。

15.线性缓变结：

pn结一侧的掺杂浓度远大于另一侧的掺杂浓度。

四、简答

1.简述金属半导体肖特基接触的整流特性形成机制。

答：

在金属半导体接触中，金属一侧势垒高度不随外加电压而变，半导体一侧势垒高度与外加电压相关。

因此，当外加电压使半导体一侧势垒高度降低时，形成从半导体流向金属的净电流密度，且随外加电压而变化；反之，则是从金属到半导体的电流密度，该电流较小，且与外加电压几乎无关。

这就是金属半导体接触整流特性。

2.简述准费米能级的概念。

答：

处于非平衡状态的半导体的导带和价带之间处于不平衡状态，而导带和价带中的电子各自处于平衡态。

这时系统无统一的费米能级，但费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然是适用的。

为了描述同一能带平衡而能带间非平衡的状态，引入导带费米能级和价带费米能级，即准费米能级概念，它们是局部的费米能级。

3.简单讨论不同温度区间p型半导体的载流子浓度（要说明电中性条件）。

答：

低温弱电离区：

电中性条件为p0=pA-。

受主杂质部分电离，空穴全部由杂质电离提供，空穴浓度等于电离杂质浓度。

强电离（饱和区）：

电中性条件为p0=NA，pA=D+NA。

受主杂质全部电离，杂质电离对载流子浓度起主导作用，空穴浓度等于受主杂质浓度。

过渡区：

电中性条件为p0=NA+n0。

本征激发和杂质电离对载流子浓度共同起作用，空穴浓度等于受主杂质浓度与本征载流子浓度之和。

高温本征激发区：

电中性条件为p0=n0，本征激发对载流子浓度起主导作用，空穴浓度等于本征载流子浓度。

4.分别画图说明平衡状态下、正向偏压和反向偏压下的pn结能带结构图。

平衡状态：

pn结p区、n区具有统一的费米能级，能带的弯曲量正好补偿了n区和p区的费米能级之差，即qVD=EFn-EFp。

正向偏压反向偏压

正向偏压：

用准费米能级取代原有统一费米能级，EFp从p型中性区到边界nn`处为一水平线，在空穴扩散区斜线上升，到注入空穴为零处EFp与EFn相等；EFn从n型中性区到边界pp`处为一水平线，在电子扩散区斜线下降，到注入电子为零处EFn与EFp相等。

准费米能级间距EFn-EFp=qV，能带弯曲q（VD-V）。

反向偏压：

反向偏压下准费米能级的变化规律与正向偏压情况正好相反，EFn和EFp的相对位置发生了变化。

准费米能级间距EFp-EFn=qV，能带弯曲q（VD+V）。

5.什么是载流子散射？

主要散射机制是什么？

答：

热运动中的载流子，由于晶格热振动或电离杂质以及其它因素的影响，不断地遭到散射，其速度的大小和方向不断地在改变着，这就是载流子的散射；主要的散射机构是电离杂质散射和晶格振动散射。

6.简单讨论不同温度区间n型半导体的载流子浓度（要说明电中性条件）。

答：

低温弱电离区：

电中性条件为n=nD+。

施主杂质部分电离，自由电子全部由杂质电离提供，自由电子浓度等于电离杂质浓度。

强电离（饱和区）：

电中性条件为n0=ND，nD=D-ND。

施主杂质全部电离，杂质电离对载流子浓度起主导作用，自由电子浓度等于施主杂质浓度。

过渡区：

电中性条件为n0=ND+p0。

本征激发和杂质电离对载流子浓度共同起作用，自由电子浓度等于施主杂质浓度与本征载流子浓度之和。

高温本征激发区：

电中性条件为n0=p0，本征激发对载流子浓度起主导作用，自由电子浓度等于本征载流子浓度。

7.简单说明pn结的作用和用途？

答：

通常pn结有如下作用和用途

pn结中由于空间电荷区作用，形成对电子运动有阻碍的势垒，载流子通过这个势垒时，按它的运动方向有难有易，利用这种现象可以制成二极管。

当光照射pn结时，由于自建电场的作用，是光照产生的电子-空穴对定向运动形成光电流。

利用这种现象的器件有太阳能电池、放射线、红外线探测器等。

利用pn结电容与偏压的关系可制成变容二极管。

利用高掺杂浓度制成隧道二极管，利用其独特的负阻特性。

当pn结上施加压力时，电导率有明显的变化。

利用这种原理看制造力敏器件。

8.何谓欧姆接触？

金属与半导体形成欧姆接触的方法有哪些？

答：

欧姆接触是金属与半导体接触时具有线性和对称的电流电压关系，其接触电阻远小于材料电阻，且金属与半导体之间无少数载流子注入。

形成欧姆接触的方法有三种。

选择合适电阻，使金属与半导体之间不形成势垒而形成表面积累层。

但由于表面态存在，是半导体表面总有一个耗尽层，且不受金属的影响，所以实质上选用的是低势垒欧姆接触。

选取的原则：

从理论上讲，金属的功函数必须小于n型半导体的功函数，或大于p型半导体的功函数。

半导体表面喷砂或粗磨，产生大量的缺陷，形成复合中心，是表面耗尽区的复合成为控制电流的主要机构，接触电阻大大降低，近似称为欧姆接触。

在靠近金属的半导体表面薄层用一定工艺方法形成高掺杂层，使半导体与金属接触时形成的表面耗尽层很薄，以至发生隧道效应。

具有较小的接触电阻，获得接近理想的欧姆电阻。

五、计算题

1.锑化铟的禁带宽度Eg=0.18eV，相对介电常数r=17，电子的有效质量

=0.015m0,m0为电子的惯性质量，根据氢原子模型计算施主杂质的电离能。

（P55页第7题）

2.n型硅中，掺杂浓度ND＝1016cm-3，光注入的非平衡载流子浓度Δn＝Δp＝1014cm-3。

计算无光照和有光照时的电导率（

）。

（第156页第5题）

3.设晶格常数为a的一维晶格，导带极小值附近能量Ec（k）和价带极大值附近能量Ev（k）分别为：

和

；

m0为电子惯性质量，k1＝π/a；a＝0.314nm。

试求：

①禁带宽度；②导带底电子有效质量；③价带顶电子有效质量；④价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。

（可能用到的公式：

，

，

）（第35页第1题）

4.试计算本征Si在室温时的电导率，设电子和空穴迁移率分别为1450cm2/V·S和500cm2/V·S。

当掺入百万分之一的As后，设杂质全部电离，试计算其电导率。

比本征Si的电导率增大了多少倍？

（室温下Si的密度为2.329g/cm3，其本征载流子浓度为1.02×1010cm-3，杂质全部电离时μn＝900cm2/V·S）（P125页第2题）