半導體物理學題庫

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1、一.填空題 1 .能帶中載流子的有效質量反比于能量函數(shù)對于波矢的 ,引入有效質量的意義 在于其反映了晶體材料的 的作用。（二階導數(shù)，內(nèi)部勢場） 2 .半導體導帶中的電子濃度取決于導帶的 （即量子態(tài)按能量如何分布）和 （即電子在不同能量的量子態(tài)上如何分布）。（狀態(tài)密度，費米分布函數(shù)） 3 .兩種不同半導體接觸后,費米能級較高的半導體界面一側帶 電，達到熱平衡后 兩者的費米能級 。（正，相等） 4 .半導體硅的價帶極大值位于空間第一布里淵區(qū)的中央，其導帶極小值位于 方向 上距布里淵區(qū)邊界約 0.85倍處，因此屬于 半導體。（[100],間接帶隙） 5 .間隙原子和空位成對出現(xiàn)的點缺

2、陷稱為 ;形成原子空位而無間隙原子的點缺 陷稱為。（弗侖克耳缺陷，肖特基缺陷） 6 .在一定溫度下，與費米能級持平的量子態(tài)上的電子占據(jù)概率為 ,高于費米能 級2kT能級處的占據(jù)概率為 。 （1/2, 1/1+exp（2）） 7 .從能帶角度來看，錯、硅屬于 半導體，而神化稼屬于 半導體，后者 有利于光子的吸收和發(fā)射。（間接帶隙，直接帶隙） 8 .通常把服從 的電子系統(tǒng)稱為非簡并性系統(tǒng)，服從 的電子系統(tǒng)稱為簡 并性系統(tǒng)。（玻爾茲曼分布，費米分布） 9 .對于同一種半導體材料其電子濃度和空穴濃度的乘積與 有關，而對于不同的半 導體材料其濃度積在一定的溫度下將取決于 的大小。（溫度，

3、禁帶寬度） 10 .半導體的晶格結構式多種多樣的，常見的 Ge和Si材料，其原子均通過共價鍵四面體相 互結合，屬于 結構；與Ge和Si晶格結構類似，兩種不同元素形成的化合物半導體 通過共價鍵四面體還可以形成 和纖鋅礦等兩種晶格結構。（金剛石，閃鋅礦） 11 .如果電子從價帶頂躍遷到導帶底時波矢k不發(fā)生變化，則具有這種能帶結構的半導體稱 為 禁帶半導體，否則稱為 禁帶半導體。（直接，間接） 12 .半導體載流子在輸運過程中，會受到各種散射機構的散射，主要散射機構有 、 、中性雜質散射、位錯散射、載流子間的散射和等價能谷間散射。 （電離雜質的散射，晶格振動的散射） 13 .半導體中

4、的載流子復合可以有很多途徑，主要有兩大類： 的直接復合和通過 禁帶內(nèi)的 進行復合。（電子和空穴，復合中心） 14 .反向偏置pn結，當電壓升高到某值時，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱為pn結擊穿, 主要的擊穿機理有兩種： 擊穿和 擊穿。（雪崩，隧道） 15. 雜質可顯著改變載流子濃度; 雜質可顯著改變非平衡載流子的壽 命，是有效的復合中心。 （淺能級，深能級） ?選擇題 1 .本征半導體是指（ A .不含雜質和缺陷 A ）的半導體。 B.電阻率最高 C.電子密度和空穴密度相等 D .電子密度與本征載流子密度相等 2.如果一半導體的導帶中發(fā)現(xiàn)電

5、子的幾率為零，那么該半導體必定（ A.不含施主雜質 B.不含受主雜質 C.不含任何雜質 D.處于絕對零度 D ）。 3.有效復合中心的能級必靠近 A.禁帶中部 B.導帶 （A ）。 C.價帶 D.費米能級 4.對于只含一種雜質的非簡并 A.單調(diào)上升 C.經(jīng)過一個極小值趨近日 n型半導體，費米能級 B.單調(diào)下降 D.經(jīng)過一個極大值趨近 Ef隨溫度上升而（ D ）。 Ei 5 .當一種n型半導體的少子壽命由直接輻射復合決定時，其小注入下的少子壽命正比于 （A ）。 A. 1/n0B. 1/ △ n C. 1/p0 D. 1/ △ p 6 .在

6、Si材料中摻入P,則引入的雜質能級（ B ） A.在禁帶中線處 B.靠近導帶底 C.靠近價帶頂D.以上都不是 n ?、 7 .公式R=q7/m中的。是半導體載流子的（ C ）。 A.遷移時間 C.平均自由時間 B.壽命 D.擴散時間 8 .對于一定的n型半導體材料，溫度一定時，減少摻雜濃度，將導致（ D ）靠近Ei。 A. Ec C. Eg B. Ev D. Ef 9 .在晶體硅中摻入元素（ A.錯 B.磷 B ）雜質后，能形成 N型半導體。 C.硼 D.錫 10 .對大注入條件下，在一定的溫度下，非平衡載流子的壽命與（D ）。 A.平衡載流子濃度成正

7、比 C.平衡載流子濃度成反比 B.非平衡載流子濃度成正比 D.非平衡載流子濃度成反比 11 .重空穴是指（ C ） A.質量較大的原子組成的半導體中的空穴 B.價帶頂附近曲率較大的等能面上的空穴 C.價帶頂附近曲率較小的等能面上的空穴 D.自旋一軌道耦合分裂出來的能帶上的空穴 12 .電子在導帶能級中分布的概率表達式是（C ）。 A. exp( 一" koT 8. exp(一游)C. exP(-EkT)D. exP(-EkT) 13.如在半導體中以長聲學波為主要散射機構是, 電子的遷移率巳與溫度的（ B ）。 A.平方成正比 C.平方成反比

8、 3 ,、 ，、一 一 B. 士次萬成反比 2 3 D. 3次萬成正比 2 14. 把磷化錢在氮氣氛中退火，會有氮取代部分的磷，這會在磷化錢中出現(xiàn)（D ）。 A.改變禁帶寬度B.產(chǎn)生復合中心 C.產(chǎn)生空穴陷阱D.產(chǎn)生等電子陷阱 15. 一般半導體器件使用溫度不能超過一定的溫度，這是因為載流子濃度主要來源于 ,而將 忽略不計。（A ） A.雜質電離，本征激發(fā)B.本征激發(fā)，雜質電離 C.施主電離，本征激發(fā)D.本征激發(fā)，受主電離 16. . 一塊半導體壽命 ° =15從比照在材料中會產(chǎn)生非平衡載流子，光照突然停止30因后, 其中非平衡載流子將衰減到原來的（C ）。 A.

9、1/4B. 1/eC. 1/e2D. 1/2 17 .半導體中由于濃度差引起的載流子的運動為（B ）。 A.漂移運動 B.擴散運動 C.熱運動 D.共有化運動  18 .硅導帶結構為（D ）。 A.位于第一布里淵區(qū)內(nèi)沿 <100>方向的6個球形等能面 B. 一半位于第一布里淵區(qū)內(nèi)沿<111>方向的6個球形等能面 C. 一半位于第一布里淵區(qū)內(nèi)沿<111>方向的8個橢球等能面 D.位于第一布里淵區(qū)內(nèi)沿 <100>方向的6個橢球等能面 19 .雜質半導體中的載流子輸運過程的散射機構中，當溫度升高時，電離雜質散射的概率和 晶格振動聲子的散射概率的變化分別是（B ）。 A.變

10、大，變小B.變小，變大C.變小，變小D.變大，變大 20 .與半導體相比較，絕緣體的價帶電子激發(fā)到導帶所需的能量（A ）。 A.比半導體的大B.比半導體的小 C.與半導體的相等D.不確定 21 . 一般半導體它的價帶頂位于 ,而導帶底位于 。（ D ） A.波矢k=0或附近，波矢kw 0 B.波矢kw 0,波矢k=0或附近 C.波矢k=0,波矢kw0D.波矢k=0或附近，波矢 kw0或k=0 22 .錯的晶格結構和能帶結構分別是（ C ）。 A.金剛石型和直接禁帶型B.閃鋅礦型和直接禁帶型 C.金剛石型和間接禁帶型D.閃鋅礦型和間接禁帶型 23 .如果雜質既有施主的作用又有

11、受主的作用，則這種雜質稱為（D ）。 A.施主 B.復合中心C.陷阱 D.兩性雜質 24 .雜質對于半導體導電性能有很大影響，下面哪兩種雜質分別摻雜在硅中能顯著地提高硅 的導電性能 （ C ）。 A.硼或鐵 B.鐵或銅 C.硼或磷 D.金或銀 Ef相等時，電離施主的濃度為施主濃度的（ C. 1/3 D. 1/4 ）倍; 25 .當施主能級Ed與費米能級 A. 1B. 1/2 26 .同一種施主雜質摻入甲、乙兩種半導體，如果甲的相對介電常數(shù) 才是乙的 3/4, mn*/mo 值是乙的2倍，那么用類氫模型計算結果是（ D ）。 A.甲的施主雜質電離能是乙的 8/3,弱束

12、縛電子基態(tài)軌道半徑為乙的 3/4 B.甲的施主雜質電離能是乙的 3/2,弱束縛電子基態(tài)軌道半徑為乙的 32/9 C.甲的施主雜質電離能是乙的 16/3,弱束縛電子基態(tài)軌道半徑為乙的 8/3 D.甲的施主雜質電離能是乙的 32/9,的弱束縛電子基態(tài)軌道半徑為乙的 3/8 27 .本征半導體費米能級的表達式是 。 （ B ） A. J wm 2 2 2Nc B. Ec Ev koT . Nv ln —— 2 2 Nc c C. Ec kJ ln ND N c D. Ec Ev 2 28.載流子在電場作用下的運動為（ A.漂移運動 B.擴散運動 A

13、）。 C.熱運動 D.共有化運動 29 .下面情況下的材料中，室溫時功函數(shù)最大的是（A ）。 A.含硼1 x 1015cm3的硅B.含磷1 x 1016cm3的硅 C.含硼1 x 1015cm3,磷1 x 1016cm3的硅D.純凈的硅 30 .一般可以認為，在溫度不很高時，能量大于費米能級的量子態(tài)基本上 ,而能量 小于費米能級的量子態(tài)基本上為 ,而電子占據(jù)費米能級的概率在各種溫度下總是 ,所以費米能級的位置比較直觀地標志了電子占據(jù)量子態(tài)的情況，通常就說費米 能級標志了電子填充能級的水平。（ A ） A.沒有被電子占據(jù)，電子所占據(jù)，1/2B.電子所占據(jù)，沒有被電子占據(jù)，1

14、/2 C.沒有被電子占據(jù)，電子所占據(jù)，1/3D.電子所占據(jù)，沒有被電子占據(jù)，1/3 三.簡答題 1 .簡要說明費米能級的定義、作用和影響因素。 答：電子在不同能量量子態(tài)上的統(tǒng)計分布概率遵循費米分布函數(shù): f(E)= 1 exp E -Ef kT 費米能級Ef是確定費米分布函數(shù)的一個重要物理參數(shù)，在絕對零度是，費米能級Ef反 映了未占和被占量子態(tài)的能量分界線，在某有限溫度時的費米能級Ef反映了量子態(tài)占據(jù)概 率為二分之一時的能量位置。確定了一定溫度下的費米能級Ef位置，電子在各量子態(tài)上的 統(tǒng)計分布就可完全確定。 費米能級Ef的物理意義是處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)的化學勢，

15、即在不對外做功的情 況下，系統(tǒng)中增加一個電子所引起的系統(tǒng)自由能的變化。 半導體中的費米能級 Ef一般位于禁帶內(nèi)，具體位置和溫度、導電類型及摻雜濃度有關。 只有確定了費米能級 Ef就可以統(tǒng)計得到半導體導帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度。 2 .在本征半導體中進行有意摻雜各種元素，可改變材料的電學性能。請解釋什么是淺能級 雜質、深能級雜質，它們分別影響半導體哪些主要性質；什么是雜質補償？雜質補償?shù)囊饬x 何在？ 答：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁帶寬度的雜質。它們電離后將成 為帶正電（電離施主）或帶負電（電離受主）的離子，并同時向導帶提供電子或向價帶提供 空穴。它可有效地提高

16、半導體的導電能力。摻雜半導體又分為n型半導體和p型半導體。 深能級雜質是指雜質所在的能級位置在禁帶中遠離導帶或價帶，在常溫下很難電離，不能對 導帶的電子或價帶的空穴的濃度有所貢獻，但它可以提供有效的復合中心，在光電子開關器 件中有所應用。 當半導體中既有施主又有受主時，施主和受主將先互相抵消，剩余的雜質最后電離，這就是 雜質補償。 利用雜質補償效應，可以根據(jù)需要改變半導體中某個區(qū)域的導電類型，制造各種器件。 3 .什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后有何特征？ 答：半導體中摻入受主雜質后， 受主電離后將成為帶負電的離子，并同時向價帶提供空穴， 這種雜質就叫受主。 受主電

17、離成為帶負電的離子（中心）的過程就叫受主電離。 受主電離前帶不帶電，電離后帶負電。 4 .什么叫復合中心？何謂間接復合過程？有哪四個微觀過程？試說明每個微觀過程和哪些 參數(shù)有關。 答：半導體內(nèi)的雜質和缺陷能夠促進復合，稱這些促進復合的雜質和缺陷為復合中心； 間接復合：非平衡載流子通過復合中心的復合； 四個微觀過程：俘獲電子，發(fā)射電子，俘獲空穴，發(fā)射空穴； 俘獲電子：和導帶電子濃度和空穴復合中心濃度有關。 發(fā)射電子：和復合中心能級上的電子濃度。 俘獲空穴：和復合中心能級上的電子濃度和價帶空穴濃度有關。 發(fā)射空穴：和空的復合中心濃度有關。 5 .漂移運動和擴散運動有什么不同？兩者

18、之間有什么聯(lián)系？ 答：漂移運動是載流子在外電場的作用下發(fā)生的定向運動，而擴散運動是由于濃度分布不均 勻導致載流子從濃度高的地方向濃度底的方向的定向運動。前者的推動力是外電場，后者的 推動力則是載流子的分布引起的。 漂移運動與擴散運動之間通過遷移率與擴散系數(shù)相聯(lián)系。而非簡并半導體的遷移率與擴 散系數(shù)則通過愛因斯坦關系相聯(lián)系，二者的比值與溫度成反比關系。即 二=_q_ D koT 6 .簡要說明pn結空間電荷區(qū)如何形成？ 答：當p型半導體和n型半導體結合形成 pn結時，由于兩者之間存在載流子濃度梯度，從 而導致了空穴從 p區(qū)到n區(qū)、電子從n區(qū)到p區(qū)的擴散運動。對于p區(qū)，空穴離開后

19、留下了 不可動的帶負電荷的電離受主，因此在p區(qū)一側出現(xiàn)了一個負電荷區(qū)；同理對于n區(qū)，電子 離開后留下了不可動的帶正電荷的電離施主，因此在n區(qū)一側出現(xiàn)了一個正電荷區(qū)。這樣帶 負電荷的電離受主和帶正電荷的電離施主形成了一個空間電荷區(qū)，并產(chǎn)生了從n區(qū)指向p 區(qū)的內(nèi)建電場。 在內(nèi)建電場作用下，載流子的漂移運動和擴散運動方向相反， 內(nèi)建電場阻礙載流子的擴 散運動。隨內(nèi)建電場增強，載流子的擴散和漂移達到動態(tài)平衡。 此時就形成了一定寬度的空 間電荷區(qū)，并在空間電荷區(qū)兩端產(chǎn)生了電勢差，即 pn結接觸電勢差。 7 .簡要說明載流子有效質量的定義和作用。 2 答：能帶中電子或空穴的有效質量m的定義式

20、為：m 一 d2E(k) dk2 有效質量 m與能量函數(shù)E(k)對于波矢k的二次微商，即能帶在某處的曲率成反比；能 帶越窄，曲率越小，有效質量越大，能帶越寬，曲率越大，有效質量越??； 在能帶頂部，曲率小于零，則有效質量為負值，在能帶底部，曲率大于零，則有效質 量為正值。 有效質量的意義在于它概括了內(nèi)部勢場的作用，使得在解決半導體中載流子在外場作用下的 運動規(guī)律時，可以不涉及內(nèi)部勢場的作用。 8 .對于摻雜的元素半導體 Si、Ge中，一般情形下對載流子的主要散射機構是什么？寫出其 主要散射機構所決定的散射幾率和溫度的關系。 答：對摻雜的元素半導體材料Si、Ge,其主要的散射機

21、構為長聲學波散射和電離雜質散射 其散射幾率和溫度的關系為： 3/2—3/2 聲學波散射：ps s T ,電離雜質散射：R R NiT 9 .說明能帶中載流子遷移率的物理意義和作用。 答：載流子遷移率 R反映了單位電場強度下載流子的平均漂移速度，其定義式為： I Vd2 N 二 丁丁 ；其單位為：cm/V s E 半導體載流子遷移率的計算公式為： m 其大小與能帶中載流子的有效質量成反比，與載流子連續(xù)兩次散射間的平均自由時間成正 比。確定了載流子遷移率和載流子濃度就可確定該載流子的電導率。 四.證明題 1.試推證：對于只含一種復合中心的間接帶隙半導體晶體材料，在穩(wěn)定條

22、件下非平衡載流 子的凈復合率公式 _ _2 Nmpnp-n U 二 rn n nirp pPi 證： 題中所述情況，主要是間接復合起作用，包含以下四個過程。 甲：電子俘獲率=r nn(Nt -n t) 乙：電子產(chǎn)生率 =r nnintn i=ni exp((E t-Ei)/k oT) 丙：空穴俘獲率=r ppnt ?。嚎昭óa(chǎn)生率 =r ppi(Nt-nt) p i=niexp((E i-Et)/k oT) 穩(wěn)定情況下凈復合率 U=甲-乙=丙-丁(1) 穩(wěn)定時 甲+丁=丙+乙 將四個過程的表達式代入上式解得 (2) (3) znrnpirp nt = Nt

23、 rn(n ni) rp(p p〔) 將四個過程的表達式和(2)式代入(1)式整理得 帥口加-門市1) U 二 rn (n n〔)rp(p p1) 2 由p1和m的表達式可知 p 1m=ni代入上式可得 Njnrpnp-ni2 U 二 rn n n1％ p p1 2.試用一維非均勻摻雜(摻雜濃度隨x的增加而下降)，非簡并p型半導體模型導出愛因斯 坦關系式: Dp _koT % q 證明：由于摻雜濃度不均勻，電離后空穴濃度也不均勻，形成擴散電流： dpo jp -qDp - dx 空穴向右擴散的結果，使得左邊帶負電，右邊帶正電，形成反x方向的自建電場 E,

24、產(chǎn)生漂 移電流： j 漂=q%PoE 穩(wěn)定時兩者之和為零，即： -qDpdp0 q」pPoE =0 dx 一 dV 而E =-——，有電場存在時，在各處產(chǎn)生附加勢能—qV(x),使得能帶發(fā)生傾斜。 在x處的價帶頂為：Ev(x尸E v-qV(x),則x處的空穴濃度為： P0(x).Nvexp(-EF-EVTqV(X)) koT 則：dp0 = Nv exp( dx Ef - Ev qV(x) koT )( q dV koT dx q dV *p0(x)"最 q dV . 故：qDpP0荷晟Y ppo dV 八 ——二0 dx Dp 」p k°T t 3.證明非平衡載流子的壽命滿足 &p(t)=△p0e ,并說明式中各項的物理意義。 證明： 單位時間內(nèi)非平衡載流 子的減少數(shù)=一他兇厘 dt 而在單位時間內(nèi)復合的 非平衡載流子數(shù)=竺 如果在t = 0時刻撤除光照 則在單位時間內(nèi)減少的非平衡載流子數(shù)=在單位時間內(nèi)復合的非平衡載流子數(shù)，即 dt 在小注入條件下，。為常數(shù)，解方程(1),得到 t . ：p t = =p 0 e p > 2 式中，Ap (0)為t=0時刻的非平衡載流子濃度。此式表達了非平衡載流子隨時間呈指數(shù)衰 減的規(guī)律。得證。