半导体物理习题.docx

1、半导体物理习题第一篇半导体中的电子状态1-1、什么叫本征激发？为什么温度越高，本征激发的载流子越多。 1-2、 试定性说明 Ge， Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。1-3、试指出空穴的主要特征。1-4、简述 Ge 、Si 和 GaAS 的能带结构的主要特征。1-5、能带分析半导体，导体，绝缘体导电机制。1-6 、某一维晶体的电子能带为其中 E 0 =3eV ，晶格常数 a=5 10 -11 m 。求：（1）能带宽度；（2能带底和能带顶的有效质量。第一篇 题解 半导体中的电子状态1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（ E g ）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。其结

2、果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。反之，温度降低，将导致禁带变宽。因此，Ge 、 Si 的禁带宽度具有负温度系数。1-3、 解： 空穴是未被电子占据的空量子态，被用来描述半满带中的大量电子的集体运动状态，是准粒子。主要特征如下：A 、荷正电 +q ；B 、空穴浓度表示为 p （电子浓度表示为 n ）；C 、 E P =-E n D 、

3、 m p *=-m n * 。1-4、 解：（1）Ge 、Si能带主要特征 a ） Eg (Si ：0K) = 1.21eV ； Eg (Ge :0K) = 1.170eV ； b ） 间接能隙结构c ） 禁带宽度E g随温度增加而减小；（2）GaAs a ）E g（300K）= 1.424eV ，Eg (0K) = 1.519eV ；b ） 直接能隙结构；c ） Eg 负温度系数特性：dE g /dT = -3.95 10 -4 eV/K ；1-5，按固态能带理论物质的核外电子有不同能量。根据核外电子能级不同，把它们的能级划分为三种能带（导带，禁带，价带），在禁带不允许有电子存在，禁带把导带

4、和价带分开，对于导体，它的大量电子处于导带，能自由移动。在电场作用下，成为载流子。因此，导体载流子的浓度很大，对于绝缘体和半导体，它的电子大多数处于价带，不能自由移动，但在热，光等外界因素的作用下，可以使少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上成为载流子，绝缘体和半导体的区别是禁带宽度的不同。半导体的禁带很窄（一般低于3ev）,绝缘体的禁带宽一些，电子的跃迁困难很多。因此，绝缘体的载流子浓度很少，导电性能很弱。 1-6、 解：由题意得：答：能带宽度约为 1.1384Ev ，能带顶部电子的有效质量约为 1.925x10 -27 kg ，能带底部电子的有效质量约为 -1.925x10 -27 kg

5、。第二篇 习题 - 半导体中的杂质和缺陷能级2-1 、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？2-2 、什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出 n 型半导体。2-3 、什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出 p 型半导体。2-4 、掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响。2-5 、两性杂质和其它杂质有何异同？2-6 、深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？2-7 、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？第二篇 题解 半导体中的杂质与缺陷能级2-1 、解：浅能级杂质是指其杂质电离能

6、远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离受主）的离子，并同时向导带提供电子或向价带提供空穴。2-2 、解：半导体中掺入施主杂质后，施主电离后将成为带正电离子，并同时向导带提供电子，这种杂质就叫施主。施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离。施主电离前不带电，电离后带正电。例如，在 Si 中掺 P ， P 为 族元素，本征半导体 Si 为 族元素，P掺入Si中后，P的最外层电子有四个与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而P的第五个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自由电子。这个过程就是施主电离。n 型半导体的能带图如图所示：其费

7、米能级位于禁带上方2-3 、解：半导体中掺入受主杂质后，受主电离后将成为带负电的离子，并同时向价带提供空穴，这种杂质就叫受主。 受主电离成为带负电的离子（中心）的过程就叫受主电离。受主电离前带不带电，电离后带负电。例如，在 Si 中掺 B ， B 为 族元素，而本征半导体 Si 为 族元素，P掺入B中后，B的最外层 三 个电子与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而B倾向于接受一个由价带热激发的电子。这个过程就是受主电离。p 型半导体的能带图如图所示：其费米能级位于禁带下方2-4 、解：在纯净的半导体中掺入杂质后，可以控制半导体的导电特性。掺杂半导体又分为 n 型半导体和 p 型半导体。例如

8、，在常温情况下，本征 Si 中的电子浓度和空穴浓度均为 1.5 10 10 cm -3 。当在 Si 中掺入 1.0 10 16 cm -3 后，半导体中的电子浓度将变为 1.0 10 16 cm -3 ，而空穴浓度将近似为 2.25 10 4 cm -3 。半导体中的多数载流子是电子，而少数载流子是空穴。2-5 、解：两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的杂质。如 - 族 GaAs 中掺 族 Si 。如果 Si 替位 族 As ，则 Si 为施主；如果 Si 替位 族 Ga ，则 Si 为受主。所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。2-6 、解：深能级杂质在半导体中起复合中心或陷

9、阱的作用。浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用。2-7 、当半导体中既有施主又有受主时，施主和受主将先互相抵消，剩余的杂质最后电离，这就是杂质补偿。利用杂质补偿效应，可以根据需要改变半导体中某个区域的导电类型，制造各种器件。第三篇 习题 半导体中载流子的统计分布3-1 、对于某 n 型半导体，试证明其费米能级在其本征半导体的费米能级之上。即 E Fn E Fi 。3-2 、试分别定性定量说明：1）在一定的温度下，对本征材料而言，材料的禁带宽度越窄，载流子浓度越高；（2对一定的材料，当掺杂浓度一定时，温度越高，载流子浓度越高。3-3 、若两块 Si 样品中的电子浓度分别为 2.25 10 10

10、 cm -3 和 6.8 10 16 cm -3 ，试分别求出其中的空穴的浓度和费米能级的相对位置，并判断样品的导电类型。假如再在其中都掺入浓度为 2.25 10 16 cm -3 的受主杂质，这两块样品的导电类型又将怎样？3-4 、含受主浓度为 8.0 10 6 cm -3 和施主浓度为 7.25 10 17 cm -3 的 Si 材料，试求温度分别为 300K 和 400K 时此材料的载流子浓度和费米能级的相对位置。3-5 、试分别计算本征 Si 在 77K 、 300K 和 500K 下的载流子浓度。3-6 、 Si 样品中的施主浓度为 4.5 10 16 cm -3 ，试计算 300K

11、 时的电子浓度和空穴浓度各为多少？3-7 、某掺施主杂质的非简并 Si 样品，试求 E F = （ E C +E D ） /2 时施主的浓度。第三篇 题解 半导体中载流子的统计分布3-1 、 证明： 设 n n 为 n 型半导体的电子浓度， n i 为本征半导体的电子浓度。显然n n n i即3-2 、解：(1) 在一定的温度下，对本征材料而言，材料的禁带宽度越窄，则跃迁所需的能量越小，所以受激发的载流子浓度随着禁宽度的变窄而增加。由公式也可知道，温度不变而减少本征材料的禁带宽度，上式中的指数项将因此而增加，从而使得载流子浓度因此而增加。（ 2 ）对一定的材料，当掺杂浓度一定时，温度越高，受激

12、发的载流子将因此而增加。由公式可知， 这时两式中的指数项将因此而增加，从而导致载流子浓度增加。3-3 、解：由 得 可见，又因为 ，则假如再在其中都掺入浓度为 2.25 10 16 cm -3 的受主杂质，那么将出现杂质补偿，第一种半导体补偿后将变为 p 型半导体，第二种半导体补偿后将近似为本征半导体。答：第一种半导体中的空穴的浓度为 1.1 x10 10 cm -3 , 费米能级在价带上方 0.234eV 处；第一种半导体中的空穴的浓度为 3.3 x10 3 cm -3 , 费米能级在价带上方 0.331eV 处。掺入浓度为 2.25 10 16 cm -3 的受主杂质后，第一种半导体补偿后

13、将变为 p 型半导体，第二种半导体补偿后将近似为本征半导体。3-4 、解：由于杂质基本全电离，杂质补偿之后，有效施主浓度则 300K 时，电子浓度 空穴浓度 费米能级 在 400K 时，根据电中性条件 和 得到 费米能级答： 300K 时此材料的电子浓度和空穴浓度分别为 7.25 x10 17 cm -3 和 3.11 x10 2 cm -3 ，费米能级在价带上方 0.3896eV 处； 400 K 时此材料的电子浓度和空穴浓度分别近似为为 7.248 x10 17 cm -3 和 1.3795 x10 8 cm -3 ，费米能级在价带上方 0.08196eV 处。3-5 、解： 假设载流子的

14、有效质量近似不变，则所以，由 ，有 答： 77K 下载流子浓度约为 1.159 10 -80 cm -3 ， 300 K 下载流子浓度约为 3.5 10 9 cm -3 ， 500K 下载流子浓度约为 1.669 10 14 cm -3 。3-6 、解：在 300K 时，因为 N D 10n i ，因此杂质全电离n 0 =N D 4.5 10 16 cm -3答： 300K 时样品中的的电子浓度和空穴浓度分别是 4.5 10 16 cm -3 和 5.0 10 3 cm -3 。3-7 、解：由于半导体是非简并半导体，所以有电中性条件n 0 =N D +答： N D 为二倍 N C 。第四篇

15、习题 - 半导体的导电性4-1 、对于重掺杂半导体和一般掺杂半导体，为何前者的迁移率随温度的变化趋势不同？试加以定性分析。4-2 、何谓迁移率？影响迁移率的主要因素有哪些？ 4-3 、试定性分析 Si 的电阻率与温度的变化关系。4-4 、证明当 n p ，且电子浓度 ，空穴浓度 时半导体的电导率有最小值，并推导 的表达式。4-5、0.12kg的Si单晶掺有 3.0 10 -9 kg的Sb，设杂质全部电离，试求出此材料的电导率。（Si单晶的密度为2.33g/cm 3 ，Sb的原子量为121.8）第四篇 题解 - 半导体的导电性4-1 、解：对于重掺杂半导体，在低温时，杂质散射起主体作用，而晶格振

16、动散射与一般掺杂半导体的相比较，影响并不大，所以这时侯随着温度的升高，重掺杂半导体的迁移率反而增加；温度继续增加后，晶格振动散射起主导作用，导致迁移率下降。对一般掺杂半导体，由于杂质浓度较低，电离杂质散射基本可以忽略，起主要作用的是晶格振动散射，所以温度越高，迁移率越低。4-2 、解：迁移率是单位电场强度下载流子所获得的漂移速率。影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）、温度和各种散射机构。4-3 、解： Si 的电阻率与温度的变化关系可以分为三个阶段：（1） 温度很低时，电阻率随温度升高而降低。因为这时本征激发极弱，可以忽略；载流子主要来源于杂质电离，随着温度升高，载流子浓度逐步增加

17、，相应地电离杂质散射也随之增加，从而使得迁移率随温度升高而增大，导致电阻率随温度升高而降低。（2 温度进一步增加（含室温），电阻率随温度升高而升高。在这一温度范围内，杂质已经全部电离，同时本征激发尚不明显，故载流子浓度基本没有变化。对散射起主要作用的是晶格散射，迁移率随温度升高而降低，导致电阻率随温度升高而升高。（3）温度再进一步增加，电阻率随温度升高而降低。这时本征激发越来越多，虽然迁移率随温度升高而降低，但是本征载流子增加很快，其影响大大超过了迁移率降低对电阻率的影响，导致电阻率随温度升高而降低。当然，温度超过器件的最高工作温度时，器件已经不能正常工作了。4-4 、证明：4-5、解：故材料

18、的电导率为答：此材料的电导率约为24.04 -1 cm -1 。第五篇 习题 非平衡载流子5-1 、何谓非平衡载流子？非平衡状态与平衡状态的差异何在？5-2 、漂移运动和扩散运动有什么不同？5-3 、漂移运动与扩散运动之间有什么联系？非简并半导体的迁移率与扩散系数之间有什么联系？5-4 、平均自由程与扩散长度有何不同？平均自由时间与非平衡载流子的寿命又有何不同？5-5 、证明非平衡载流子的寿命满足 ，并说明式中各项的物理意义。5-6 、导出非简并载流子满足的爱因斯坦关系。5-7 、间接复合效应与陷阱效应有何异同？5-8 、光均匀照射在 6 的 n 型 Si 样品上，电子 - 空穴对的产生率为

19、4 10 21 cm -3 s -1 ，样品寿命为8s。试计算光照前后样品的电导率。5-9、证明非简并的非均匀半导体中的电子电流形式为 。5-10、假设Si中空穴浓度是线性分布，在4m内的浓度差为 2 10 16 cm -3 ，试计算空穴的扩散电流密度。5-11、试证明在小信号条件下，本征半导体的非平衡载流子的寿命最长。第五篇 题解 - 非平衡载流子5-1 、解：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度，额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。通常所指的非平衡载流子是指非平衡少子。热平衡状态下半导体的载流子浓度是一定的，产生与复合处于动态平衡状态，跃迁引起的产生、复合

20、不会产生宏观效应。在非平衡状态下，额外的产生、复合效应会在宏观现象中体现出来。5-2 、解：漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动，而扩散运动是由于浓度分布不均匀导致载流子从浓度高的地方向浓度底的方向的定向运动。前者的推动力是外电场，后者的推动力则是载流子的分布引起的。5-3 、解：漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系。而非简并半导体的迁移率与扩散系数则通过爱因斯坦关系相联系，二者的比值与温度成反比关系。即5-4 、答：平均自由程是在连续两次散射之间载流子自由运动的平均路程。而扩散长度则是非平衡载流子深入样品的平均距离。它们的不同之处在于平均自由程由散射决定，而扩散长度由扩

21、散系数和材料的寿命来决定。 平均自由时间是载流子连续两次散射平均所需的自由时间，非平衡载流子的寿命是指非平衡载流子的平均生存时间。前者与散射有关，散射越弱，平均自由时间越长；后者由复合几率决定，它与复合几率成反比关系。5-5 、证明：则在单位时间内减少的非平衡载流子数 = 在单位时间内复合的非平衡载流子数，即在小注入条件下， 为常数，解方程（1），得到式中， p （ 0 ）为 t=0 时刻的非平衡载流子浓度。此式表达了非平衡载流子随时间呈指数衰减的规律。 得证。5-6 、证明：假设这是 n 型半导体，杂质浓度和内建电场分布入图所示E 内稳态时，半导体内部是电中性的，Jn=0即 对于非简并半导体

22、这就是非简并半导体满足的爱因斯坦关系。得证。5-7 、答：间接复合效应是指非平衡载流子通过位于禁带中特别是位于禁带中央的杂质或缺陷能级 E t 而逐渐消失的效应， E t 的存在可能大大促进载流子的复合；陷阱效应是指非平衡载流子落入位于禁带中的杂质或缺陷能级 E t 中，使在 E t 上的电子或空穴的填充情况比热平衡时有较大的变化，从引起 np，这种效应对瞬态过程的影响很重要。此外，最有效的复合中心在禁带中央，而最有效的陷阱能级在费米能级附近。一般来说，所有的杂质或缺陷能级都有某种程度的陷阱效应，而且陷阱效应是否成立还与一定的外界条件有关。5-8 、解：光照前光照后 p=G = （ 4 10 21 ）（ 8 10 -6 ） =3.2 10 17 cm -3则 答： 光照前后样品的电导率分别为1.167 -1 cm -1 和3.51 -1 cm -1 。5-9、证明：对于非简并的非均匀半导体由于 则同时利用非简并半导体的爱因斯坦关系，所以 得证。5-10、解： 答：空穴的扩散电流密度为7.15 10 -5 A/m 2 。5-11、证明：在小信号条件下，本征半导体的非平衡载流子的寿命而 所以 本征半导体的非平衡载流子的寿命最长。