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半导体物理习题及答案

复习思考题与自测题

第一章

1.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同, 原子中内层电子和外层

电子参与共有化运动有何不同。

答:原子中的电子是在原子核与电子库伦相互作用势的束缚作用下以电子云的形式存在,没有一个固定的轨道;而晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子,在晶体周期性势场中运动。当原子互相靠近结成固体时,各个原子的内层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层,和孤立原子一样;然而,外层价电子则参与原子间的相互作用,应该把它们看成是属于整个固体的一种新的运动状态。组成晶体原子的外层电子共有化运动较强,其行为与自由电子相似,称为准自由电子,而内层电子共有化运动较弱,其行为与孤立原子的电子相似。

2.描述半导体中电子运动为什么要引入"有效质量"的概念, 用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性。

答:引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用,使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时,可以不涉及半导体内部势场的作用。惯性质量描述的是真空中的自由电子质量,而不能描述能带中不自由电子的运动,通常在晶体周期性势场作用下的电子惯性运动,成为有效质量

3.一般来说, 对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此,为什么?

答:不是,能级的宽窄取决于能带的疏密程度,能级越高能带越密,也就是越窄;而禁带的宽窄取决于掺杂的浓度,掺杂浓度高,禁带就会变窄,掺杂浓度低,禁带就比较宽。

4.有效质量对能带的宽度有什么影响,有人说:"有效质量愈大,能量密度也愈大,因而能带愈窄.是否如此,为什么?

答:有效质量与能量函数对于K的二次微商成反比,对宽窄不同的各个能带,1(k)随k的变化情况不同,能带越窄,二次微商越小,有效质量越大,内层电子的能带窄,有效质量大;外层电子的能带宽,有效质量小。

5.简述有效质量与能带结构的关系;

答:能带越窄,有效质量越大,能带越宽,有效质量越小。

6.从能带底到能带顶,晶体中电子的有效质量将如何变化?外场对电子的作用效果有什么不同;答:在能带底附近,电子的有效质量是正值,在能带顶附近,电子的有效质量是负值。在外电F

作用下,电子的波失K不断改变,

dk

f h

dt

,其变化率与外力成正比,因为电子的速度与k有关,

既然k状态不断变化,则电子的速度必然不断变化。

7.以硅的本征激发为例,说明半导体能带图的物理意义及其与硅晶格结构的联系,为什么电子从其价键上挣脱出来所需的最小能量就是半导体的禁带宽度?

答:沿不同的晶向,能量带隙不一样。因为电子要摆脱束缚就能从价带跃迁到导带,这个时候的能量就是最小能量,也就是禁带宽度。

2.为什么半导体满带中的少量空状态可以用具有正电荷和一定质量的空穴来描述?

答:空穴是一个假想带正电的粒子,在外加电场中,空穴在价带中的跃迁类比当水池中气

泡从水池底部上升时,气泡上升相当于同体积的水随气泡的上升而下降。把气泡比作空穴,

下降的水比作电子,因为在出现空穴的价带中,能量较低的电子经激发可以填充空穴,而填

充了空穴的电子又留下了一个空穴。因此,空穴在电场中运动,实质是价带中多电子系统在

电场中运动的另一种描述。因为人们发现,描述气泡上升比描述因气泡上升而水下降更为方

便。所以在半导体的价带中,人们的注意力集中于空穴而不是电子。

3.有两块硅单晶,其中一块的重量是另一块重量的二倍.这两块晶体价带中的能级数是否相等,彼

此有何联系?

答:相等,没任何关系

4.为什么极值附近的等能面是球面的半导体,当改变磁场方向时只能观察到一个共振吸收峰。

答:各向同性。

5.金刚石晶体结构和闪锌矿晶体结构的晶向对物理性质的影响。

6.典型半导体的带隙。

一般把禁带宽度等于或者大于2.3ev的半导体材料归类为宽禁带半导体,主要包括金刚石,SiC,GaN,金刚石等。26族禁带较宽,46族的比较小,如碲化铅,硒化铅(0.3ev),35族的砷化镓(1.4ev)。

第二章

1.说明杂质能级以及电离能的物理意义。为什么受主、施主能级分别位于价带之上或导带之下,

而且电离能的数值较小?

答:被杂质束缚的电子或空穴的能量状态称为杂质能级,电子脱离杂质的原子的束缚成为导电电子的过程成为杂质电离,使这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量成为杂质电离能。杂质能级离价带或导带都很近,所以电离能数值小。

2.纯锗,硅中掺入III或Ⅴ族元素后,为什么使半导体电学性能有很大的改变?杂质半导体(p型或

n型)应用很广,但为什么我们很强调对半导体材料的提纯?

答:因为掺入III或Ⅴ族后,杂质产生了电离,使得到导带中得电子或价带中得空穴增多,增强了半导体的导电能力。极微量的杂质和缺陷,能够对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响,,当然,也严重影响着半导体器件的质量。

3.把不同种类的施主杂质掺入同一种半导体材料中,杂质的电离能和轨道半径是否不同? 把同一

种杂质掺入到不同的半导体材料中(例如锗和硅),杂质的电离能和轨道半径又是否都相同?

答:不相同

4.何谓深能级杂质,它们电离以后有什么特点?

答:杂质电离能大,施主能级远离导带底,受主能级远离价带顶。特点:能够产生多次电离,每一次电离相应的有一个能级。

5.为什么金元素在锗或硅中电离后可以引入多个施主或受主能级?

答:因为金是深能级杂质,能够产生多次电离,每一次电离相应的有一个能级,因此,金在硅锗的禁带往往能引入若干个能级。

6.说明掺杂对半导体导电性能的影响。

答: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,在常温情况下,本征Si中的电子浓度和空穴浓度均为1.5╳1010cm-3。当在Si中

掺入1.0╳1016cm-3后,半导体中的电子浓度将变为1.0╳1016cm-3,而空穴浓度将近似为

2.25╳104cm-3。半导体中的多数载流子是电子,而少数载流子是空穴。

7.说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质的作用有何不同?

答:深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用。

浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用

8.什么叫杂质补偿,什么叫高度补偿的半导体,杂质补偿有何实际应用。

答:当半导体中既有施主又有受主时,施主和受主将先相互抵消,剩余的杂志最后电离,这就是杂质补偿,若施主电子刚好填充受主能级,虽然杂质很多,但不能向导带和价带提供电子和空穴,这种现象称为杂质的高度补偿。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。

9.什么是半导体的共掺杂

答:掺入两种或两种元素以上

10.用氢原子模型计算杂质电离能

第三章

1.半导体处于怎样的状态才能叫处于热平衡状态,其物理意义如何?

载流子激发和载流子复合之间建立起动态平衡时称为热平衡状态,这时电子和空穴的浓度都保持一个稳定的数值,处在这中状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。

2.什么是能量状态密度

能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。

3.什么叫统计分布函数,费米分布和玻耳兹曼分布的函数形式有何区别?在怎样的条件下前者可

以过渡到后者,为什么半导体中载流子分布可以用玻耳兹曼分布描述?

统计分布函数描述的事热平衡状态下电子在允许的量子态如何分布的一个统计分布函数。

当E-EF>>kT时,前者可以过度到后者。

4.说明费米能级的物理意义,根据费米能级位置如何计算半导体中电子和空穴浓度,如何理解费

米能级是掺杂类型和掺杂程度的标志。

费米能级的意义:当系统处于热平衡状态,也不对外界做功的情况下,系统增加一个电子所引起的系统自由能的变化,等于系统的化学能。

n型掺杂越高,电子浓度越高,EF就越高。

5.在半导体计算中,经常应用这个条件把电子从费米能级统计过渡到玻耳兹曼统计,试说明这种

过渡的物理意义。

E-EF>>kT时,量子态为电子占据的概率很小,适合于波尔兹曼分布函数,泡利原理失去作用,两者统计结果变得一样了。

6.写出半导体的电中性方程,此方程在半导体中有何重要意义?

电子浓度等于空穴浓度。

意义:平衡状态下半导体体内是电中性的。

7.半导体本征载流子浓度的表达式及其费米能级

载流子浓度:ni=n0p0=(NcNv)1/2exp(-Eg/2kT)

费米能级:Ei=Ef=(Ec+Ev)/2+(3kT/4)*ln(mp/mn)

8.若n型硅中掺入受主杂质,费米能级升高还是降低?若温度升高当本征激发起作用时,费米能级

在什么位置,为什么?

费米能级降低了。

费米能级在本征费米能级以上。

9.如何理解分布函数与状态密度的乘积再对能量积分即可求得电子浓度?

根据公式和常识,必然是这样。

10.为什么硅半导体器件比锗器件的工作温度高?

硅的禁带宽度比锗大,且在相同温度下,锗的本征激发强于硅,很容易就达到较高的本征载流子浓度,使器件失去性能。

11.当温度一定时,杂质半导体的费米能级主要由什么因素决定?试把强n,弱n型半导体与强p,

弱p半导体的费米能级与本征半导体的费米能级比较。

决定因素:掺杂浓度,掺杂能级,导带的电子有效态密度等。

费米能级比较:强n>弱n>本征>弱p>强p

12.如果向半导体中重掺施主杂质,就你所知会出现一些什么效应?

费米能级深入到导带或者价带中

13.半导体的简并化判据

Ec-Ef<=0

第四章

1.试从经典物理和量子理论分别说明载流子受到散射的物理意义。

经典:电子在运动中和晶格或者杂质离子发生碰撞导致载流子速度的大小和方向发生了改变。

量子理论:电子波仔半导体传播时遭到了散射。

2.半导体的主要散射机制。

电离杂质散射;

晶格振动散射,包括声子波和光学波散射;

其他因素散射:等能谷散射,中性杂质散射,位错散射,合金散射,等。

3.比较并区别下述物理概念:电导迁移率,漂移迁移率和霍耳迁移率。

电导迁移率:

漂移迁移率:载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度,运动得越快,迁移率越大;运动得慢,迁移率小

霍尔迁移率:Hall系数RH与电导率σ的乘积,即│RH│σ,具有迁移率的量纲,Hall迁移率μH实际上不一定等于载流子的电导迁移率μ, 因为载流子的速度分布会影响到电导迁移率

4.什么是声子? 它对半导体材料的电导起什么作用?

声子是晶格振动的简正模能量量子,声子可以产生和消灭,有相互作用的声子数不守恒,声子动量的守恒律也不同于一般的粒子,并且声子不能脱离固体存在。

电子在半导体中传输时若发生晶格振动散射,则会发出或者吸收声子,使电子动量发生改变,从而影响到电导率。

5.平均自由程,平均自由时间,散射几率

平均自由程:电子在受到两次散射之间所走过的平均距离;

平均自由时间:电子在受到两次散射之间运动的平均时间;

散射几率:用来描述散射的强弱,代表单位时间内一个载流子受到散射的次数。

6.几种散射机制同时存在,总的散射几率

总散射概率等于多种散射概率之和。

7.一块本征半导体样品,试描述用以增加其电导率的两个物理过程。

提高迁移率和和提高本征载流子浓度

8.如果有相同的电阻率的掺杂锗和硅半导体, 问哪一个材料的少子浓度高,为什么?

锗的少子浓度高。由电阻率=1/nqu和(ni)2=n0p0以及硅和锗本征载流子浓度的数量级差别,可以算出锗的少子浓度高。

9.硅电阻率与温度的关系图

10.光学波散射和声学波散射的物理机构有何区别?各在什么样晶体中起主要作用?

光学波散射:弹性散射,散射前后电子能量基本不变。主要在离子性晶体中起作用

声学波散射:非弹性散射,散射前后电子能量发生改变。主要在共价性晶体中起作用。

11.说明本征锗和硅中载流子迁移率随温度增加如何变化?

迁移率随温度的升高逐渐降低

12.电导有效质量和状态密度有效质量有何区别?它们与电子的纵向有效质量和横向有效

质量的关系如何?

当导带底的等能面不是球面时,不同方向的电导的有效质量就不同,且态密度分布可能不同,通过把不同的电导有效质量进行加权平均,就可以换算得到状态密度的有效质量。

13.对于仅含一种杂质的锗样品,如果要确定载流子符号、浓度、迁移率和有效质量,应进

行哪些测量?

进行霍尔系数测量和回旋共振法测有效质量。

14.解释多能谷散射如何影响材料的导电性。

多能谷之间有效质量不同导致迁移率不同,当电子从一能谷跃迁到另一能谷时,迁移率会

减低,导致导电性降低。

15.解释耿氏振荡现象,振荡频率取决于哪些参数?

耿氏振荡来源于半导体内的负微分电导,振荡频率决定于外加电压和器件的长度。16.半导体本征吸收与本征光电导

本征吸收:半导体吸收光子能量大于带隙的光子,使电子直接跃迁到导带。

又本征吸收产生的非平衡载流子的增加使半导体电导率增加。

17.光电导灵敏度与光电导增益因子

光电导灵敏度:单位光照度所引起的光电导

增益因子:铜一种材料由于结构不同,可以产生不同的光电导效果,用增益因子来表示光电导的增强。

第五章

1. 区别半导体平衡状态和非平衡状态有何不同?什么叫非平衡载流子?什么叫非平衡载流子的稳定分布?

半导体的热平衡状态是相对的,有条件的。如果对半导体施加外界作用,破坏了热平衡条件,这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态,称为非平衡状态。处于非平衡态的半导体比平衡态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。

2. 掺杂、改变温度和光照激发均能改变半导体的电导率,它们之间有何区别?试从物理模型上予以说明。

掺杂:增加浓度,

温度:增加本征载流子

光照:产生非平衡载流子,增加载流子数目

3. 在平衡情况下,载流子有没有复合这种过程?为什么着重讨论非平衡载流子的复合过程?

有,

4. 为什么不能用费米能级作为非平衡载流子浓度的标准而要引入准费米能级?费米能级和准费米能级有何区别?

当热平衡状态受到外界影响,遭到破坏, 使半导体处于非平衡状态,不再存在统一的费米能级,因为费米能级和统计分布函数都是指热平衡状态下。而分别就价带和导带中的电子来说,它们各自基本上处于平衡状态,导带和价带之间处于不平衡状态,准费米能级是不重合

的。

5. 在稳定不变的光照下,半导体中电子和空穴浓度也是保持恒定不变的,但为什么说半导体处于非平衡状态?

光照是外部条件,

6. 说明直接复合、间接复合的物理意义。

直接:电子在导带和价带之间的直接跃迁而引起的电子和空穴的复合消失过程

间接复合:电子空穴通过禁带中的能级复合;

7. 区别: 复合效应和陷阱效应,复合中心和陷阱中心,俘获和复合,俘获截面和俘获几率。复合效应:

陷阱效应:积累非平衡载流子的作用。相应的杂质和缺陷为陷阱中心

8. 非辐射复合主要有哪几种?

非辐射复合:表面复合;深能级复合;俄歇(Auger)复合;

9. 载流子的寿命

非平衡载流子浓度减少到1/e所经历的时间。

10. 扩散流密度与稳态扩散方程

单位时间通过单位面积的粒子数称为扩散流密度;

参考P165 5-81

11. 爱因斯坦关系的推导

P170-171

半导体物理习题及答案

12. 连续性方程中各项的物理意义及其典型器件结构的解

第1项---由于扩散运动,单位时间单位体积中积累的空穴数;

第2,3项---由于漂移运动,单位时间单位体积中积累的空穴数;

第4项---由于其它某种因素单位时间单位体积中产生的空穴数(产生率);

第5项---为由于存在复合过程单位时间单位体积中复合消失的空穴数;

第六章

1.平衡pn结有什么特点,画出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向。

半导体物理习题及答案

2.定性地画出正向偏置时pn结能带图;在图上标出准费米能级的位置,并与平衡时pn结能

带图进行比较。

半导体物理习题及答案

半导体物理习题及答案

3.写出pn结整流方程,并说明方程中每一项的物理意义,对于较大的正向偏置和反向偏置,这个方程分别说明什么样的物理过程。

半导体物理习题及答案

正向偏压, V>0, 正向电流密度随正向偏压指数增大。

反向电流密度为常数,不随偏压改变

4.反向电流由哪几部分构成的?在一般情况下什么是主要的?为什么反向电流和温度关系

很大?

半导体物理习题及答案

5.解释硅pn结的反向电流随反向电压增加而增大的原因。

半导体物理习题及答案

6.为什么pn结的接触电位差不能通过万用表跨接在二极管两端的方法进行测量。

7.当pn结n型区的电导率远远大于p型区的电导率时,pn结电流主要是空穴流还是电子流?

8.说明pn结理想模型的基本假设, 在推导pn结电流–电压关系时,这些基本假设体现在哪些

地方?

①小注入---即注入少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多;

②突变耗尽层---即外加电压和接触电势差都落在耗尽层上,耗尽层中

的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成,耗尽层外的半导体是

电中性的。因此,注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动;

③通过耗尽层的电子和空穴电流为常量---耗尽层中没有载流子的产生

及复合作用;

④玻耳兹曼边界条件---即在耗尽层两端,载流子分布满足玻耳兹曼统

计分布.

9. 分别画出正向、反向偏置pn结n侧少数载流子的浓度与到pn结距离之间的函数关系曲线,指出过剩载流子浓度何处为正、何处为负?

10. 对于非理想pn情况应做如何修正(着重从物理角度予以说明)。

测量结果与理论值存在差异的主要原因:

①势垒区中载流子的产生与复合对电流影响;

②大的注入条件

③表面复合

④串联电阻效应

(整理者:宋凌云)