2016郑州轻工业学院半导体物理期末试卷(含部分答案

1．能带晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。3．深杂质能级一些非IIIV族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，它们产生的受主能级距离价带顶也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。4．直接复合导带中的电子不通过任何禁带中的能级直接与价带中的空穴发生的复合5．间接复合杂质或缺陷可在禁带中引入能级，通过禁带中能级发生的复合被称作间接复合。相应的杂质或缺陷被称为复合中心。6．俄歇复合载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴复合时，把多余的能量付给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量常以声子形式放出，这种复合称为俄歇复合。7．扩散由于浓度不均匀而导致的微观粒子从高浓度处向低浓度处逐渐运动的过程。8．空穴空穴是为处理价带电子导电问题而引进的概念。设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷，并赋予其与电子符号相反、大小相等的有效质量，这样就引进了一个假想的粒子，称其为空穴。它引起的假想电流正好等于价带中的电子电流。9．过剩载流子在光注入、电注入、高能辐射注入等条件下，半导体材料中会产生高于热平衡时浓度的电子和空穴，超过热平衡浓度的电子△n=n-n0和空穴△p=p-p0称为过剩载流子。10．准费米能级对于非平衡半导体，导带和价带间的电子跃迁失去了热平衡。但就它们各自能带内部而言，由于能级非常密集、跃迁非常频繁，往往瞬间就会使其电子分布与相应的热平衡分布相接近，因此可用局部的费米分布来分别描述它们各自的电子分布。这样就引进了局部的非米能级，称其为准费米能级。11．费米能级费米能级不一定是系统中的一个真正的能级，它是费米分布函数中的一个参量，具有能量的单位，所以被称为费米能级。它标志着系统的电子填充水平，其大小等于增加或减少一个电子系统自由能的变化量。12．势垒电容PN结上外加电压的变化，导致势垒去区的空间电荷数量随外加电压变化，这种电容效应称为势垒电容。在耗尽层近似下，PN结反向偏压下的势垒电容可以等效为一个平行板电容器的电容。13．扩散电容正向偏压下，PN结扩散长度内形成非平衡空穴和电子的积累，当偏压变化时，扩散区内积累的非平衡载流子发生改变，这种扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，成为PN结的扩散电容。14．欧姆接触欧姆接触是指金属和半导体之间形成的接触电压很小，基本不改变半导体器件特性的非整流接触。15．表面电场效应在半导体MIS结构的栅极施加栅压后，半导体表面的空间电荷区会随之发生变化，通过控制栅压可使半导体表面呈现出不同的表面状态，这种现象就是所谓的表面电场效应。16．理想PN结电流电压方程及IV图1/0kTqVAeII17．表面态它是由表面因素引起的电子状态，这种表面因素通常是悬挂键、表面杂质或缺陷，表面态在表面处的分布几率最大。18．表面电场效应在半导体MIS结构的栅极施加栅压后，半导体表面的空间电荷区会随之发生变化，通过控制栅压可使半导体表面呈现出不同的表面状态，这种现象就是所谓的表面电场效应。19．激子吸收在低温时发现，某些晶体在本征吸收连续光谱区的低能侧靠近吸收限附近存在一系列吸收线，并且对应于这些吸收线不伴随有光电导，这种吸收成为激子吸收。20．自由载流子吸收当入射光的波长较长，不足以引起带间跃迁或形成激子时，半导体中仍然存在光吸收，而且吸收系数随着波长的增加而增加。这种吸收是自由载流子在同一能带内的跃迁引起的，称为自由截流子吸收。一、填空题1．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。2．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。3．nopo=ni2标志着半导体处于平衡状态，当半导体掺入的杂质含量改变时，乘积nopo改变否？不变；当温度变化时，nopo改变否？改变。4．非平衡载流子通过复合作用而消失，非平衡载流子的平均生存时间叫做寿命τ，寿命τ与复合中心在禁带中的位置密切相关，对于强p型和强n型材料，小注入时寿命τn为，寿命τp为.5．迁移率是反映载流子在电场作用下运动难易程度的物理量，扩散系数是反映有浓度梯度时载流子运动难易程度的物理量，联系两者的关系式是qTkDnn0，称为爱因斯坦关系式。6．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。前者在电离施主或电离受主形成的库伦势场下起主要作用，后者在温度高下起主要作用。7．半导体中浅能级杂质的主要作用是影响半导体中载流子浓度和导电类型；深能级杂质所起的主要作用对载流子进行复合作用。12.以长声学波为主要散射机构时，电子迁移率μn与温度的-3/2次方成正比13半导体中载流子的扩散系数决定于其中的载流子的浓度梯度。14电子在晶体中的共有化运动指的是电子不再完全局限在某一个原子上，而是可以从晶胞中某一点自由地运动到其他晶胞内的对应点，因而电子可以在整个晶体中运动。三、简答题1简述常见掺杂半导体材料（Si，Ge）中两种主要的散射机构，并说明温度及掺杂浓度对这两种散射机构几率的影响及原因。答：主要的散射机构为晶格振动散射和电离杂质散射其散射几率和温度的关系为：晶格振动散射：3/2spT，电离杂质散射：3/2iipNT2有4块Si半导体样品，除掺杂浓度不同外，其余条件均相同。根据下列所给数据判断哪块样品电阻率最大？哪块样品的电阻率最小？并说明理由。（1）NA=1.2×1013/cm3,ND=8×1014/cm3;（2）NA=8×1014/cm3,ND=1.2×1015/cm3;（3）NA=4×1014/cm3;（4）ND=4×1014/cm3.3当PN结两侧掺杂浓度ND及NA相同时，比较Si、Ge、GaAs材料PN结内建电势的大小，为什么？6室温下某n型Si单晶掺入的施主浓度ND大于另一块n型Ge掺入的施主浓度ND1，试问哪一块材料的平衡少子浓度较大？为什么？7以n型Si材料为例，画出其电阻率随温度变化的示意图，并作出说明和解释。答：设半导体为n型，有nnq1AB：本征激发可忽略。温度升高，载流子浓度增加，杂质散射导致迁移率也升高，故电阻率ρ随温度T升高下降；BC：杂质全电离，以晶格振动散射为主。温度升高，载流子浓度基本不变。晶格振动散射导致迁移率下降，故电阻率ρ随温度T升高上升；CD：本征激发为主。晶格振动散射导致迁移率下降，但载流子浓度升高很快，故电阻率ρ随温度T升高而下降；8．金属和半导体导电类型上有何不同?金属自由电子导电，半导体非平衡载流子导电TkEEFeEf0/)(11)(TkEEBoFeEf)(3150102cmNNpDA353162100010125.1cm102.0)105.1(cmpnni9．平衡p-n结的空间电荷区示意图如下，画出空间电荷区中载流子漂移运动和扩散运动的方向（在下图右侧直线上添加尖头即可）。并说明扩散电流和漂移电流之间的关系。（大小相等，方向相反）10型半导体的电阻率随温度的变化曲线如图所示，试解释为什么会出现这样的变化规律。四计算题1．InSb禁带宽度0.23gEeV，相对介电常数25r，电子有效质量*00.015nmm。试采用类氢模型计算施主杂质电离能。2．单晶硅中均匀地掺入两种杂质掺硼1.51016cm-3,掺磷5.01015cm-3。试计算：（1）室温下载流子浓度；（2）室温下费米能级位置；（3）室温下电导率；（4）600K下载流子浓度。已知：室温下ni=1.51010cm-3,NC=2.81019cm-3,NV=1.01019cm-3,k0T=0.026eV；)/(1300),/(50022sVcmsVcmpn；600K时ni=61015cm-3。解：（1）对于硅材料：ND=5×1015cm-3；NA＝1.5×1016cm-3；T＝300k时ni=1.5×1010cm-3：3.FEE为004,10kTkT时，分别用费米分布函数和玻尔兹曼分布函数计算电子占据该能级的几率。解：费米分布函数为当E－EF等于4k0T时，f＝0.01799；当E－EF等于10k0T时，f＝4.54*510玻耳兹曼分布函数为当E－EF等于4k0T时，f＝0.01832；当E－EF等于10k0T时，f＝4.54*510；上述结果显示在费米能级附近费米分布和玻耳兹曼分布有一定的差距。4.有三块半导体硅材料，已知在室温下（300K）空穴浓度分别为34033100231601/1025.2,/105.1,/1025.2cmpcmpcmp。1）分别计算这三块材料的电子浓度030201,,nnn2）判断三块材料的导电类型；3）分别计算这三块材料费米能级的位置（与本征费米能级比较）。5．求本征半导体的费米能级