半導(dǎo)體物理考試重點(diǎn)(1)

1、半導(dǎo)體物理考試重點(diǎn)題型：名詞解釋3*10=30分；簡(jiǎn)答題4*5=20分；證明題10*2=20分；計(jì)算題15*2=30分1 名詞解釋1、 施主雜志：在半導(dǎo)體中電離時(shí)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。2、 受主雜志：在半導(dǎo)體中電離時(shí)，能夠釋放空穴而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。3、 本征半導(dǎo)體：完全不含缺陷且無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。實(shí)際半導(dǎo)體不可能絕對(duì)地純凈，本征半導(dǎo)體一般是指導(dǎo)電主要由本征激發(fā)決定的純凈半導(dǎo)體。4、 多子、少子（1）少子：指少數(shù)載流子，是相對(duì)于多子而言的。如在半導(dǎo)體材料中某種載流子占少數(shù)，在導(dǎo)電中起到次要作用，則稱它為少子

2、。（2）多子：指多數(shù)載流子，是相對(duì)于少子而言的。如在半導(dǎo)體材料中某種載流子占多數(shù)，在導(dǎo)電中起到主要作用，則稱它為多子。5、 禁帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶（1）禁帶：能帶結(jié)構(gòu)中能量密度為0的能量區(qū)間。常用來表示導(dǎo)帶與價(jià)帶之間能量密度為0的能量區(qū)間。（2）導(dǎo)帶：對(duì)于被電子部分占滿的能帶，在外電場(chǎng)作用下，電子可以從外電場(chǎng)中吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的能級(jí)去，形成電流，起導(dǎo)電作用，常稱這種能帶為導(dǎo)帶（3）價(jià)帶：電子占據(jù)了一個(gè)能帶中的所有的狀態(tài)，稱該能帶為滿帶，最上面的一個(gè)滿帶稱為價(jià)帶6、 雜質(zhì)補(bǔ)償 施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)有互相抵消的作用，通常稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。7、 電離能：使多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的

3、能量稱為電離能8、 （1）費(fèi)米能級(jí):費(fèi)米能級(jí)是絕對(duì)零度時(shí)電子的最高能級(jí)。（2）受主能級(jí)：被受主雜質(zhì)所束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)（3）施主能級(jí)：被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)9、 功函數(shù)：功函數(shù)是指真空電子能級(jí)E0 與半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EF 之差。10、 電子親和能：真空的自由電子能級(jí)與導(dǎo)帶底能級(jí)之間的能量差，也就是把導(dǎo)帶底的電子拿出到真空去而變成自由電子所需要的能量。11、 直/間接復(fù)合（1） 直接復(fù)合：電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的直接躍遷，引起電子和空穴的復(fù)合，稱為直接復(fù)合。（2）間接復(fù)合：電子和空穴通過禁帶的能級(jí)（復(fù)合中心）進(jìn)行的復(fù)合方式稱為間接復(fù)合。12、 （1）非平衡載流子：

4、半導(dǎo)體中比熱平衡時(shí)所多出的額外載流子。 （2）非平衡載流子的壽命：非平衡載流子的平均生存時(shí)間。13、 小注入條件：當(dāng)注入半導(dǎo)體材料的非平衡載流子的濃度遠(yuǎn)小于平衡時(shí)多數(shù)載流子的濃度時(shí)，滿足這個(gè)條件的注入稱為小注入。14、 （1）載流子遷移率：?jiǎn)挝浑妶?chǎng)強(qiáng)度下載流子所獲得的平均漂移速率。 （2）載流子產(chǎn)生率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)載流子的產(chǎn)生數(shù)量15、 深/淺能級(jí)（1）淺能級(jí)雜質(zhì)：在半導(dǎo)體中，能夠提供能量靠近導(dǎo)帶的電子束縛態(tài)或能量接近價(jià)帶的空穴束縛態(tài)的雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。（2）深能級(jí)雜質(zhì)：在半導(dǎo)體中，能夠提供能量接近價(jià)帶的電子束縛態(tài)或能量接近導(dǎo)帶的空穴束縛態(tài)的雜質(zhì)稱為深能級(jí)雜質(zhì)。16、 同/異質(zhì)結(jié)（1）同質(zhì)結(jié)：

5、由同一種半導(dǎo)體材料形成的結(jié)稱之為同質(zhì)結(jié)，包括pp結(jié)、nn結(jié)、pn結(jié)。（2）異質(zhì)結(jié)：由不同種半導(dǎo)體材料形成的結(jié)稱之為異質(zhì)結(jié)，包括pp結(jié)、nn結(jié)、pn結(jié)、np結(jié)。17、 表面態(tài)與表面態(tài)密度釘扎(1) 表面態(tài)： 晶體的自由表面的存在，使得周期性勢(shì)場(chǎng)在表面處發(fā)生中斷，引起附加能級(jí)，電子被局域在表面附近，這種電子狀態(tài)稱為表面態(tài)，所對(duì)應(yīng)的能級(jí)為表面能級(jí)。(2) 表面密度釘扎：在半導(dǎo)體表面，費(fèi)米能級(jí)的位置由表面態(tài)決定，而與半導(dǎo)體摻雜濃度等因素?zé)o關(guān)的現(xiàn)象。18、 陷阱效應(yīng)：雜質(zhì)能級(jí)積累非平衡載流子的作用，被稱為陷阱效應(yīng)19、 歐姆接觸：指金屬與半導(dǎo)體的接觸，其接觸面的電阻遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻，實(shí)現(xiàn)的主要措施

6、是在半導(dǎo)體表面層進(jìn)行高參雜或引入大量的復(fù)合中心。20、 鏡像力：在金屬真空系統(tǒng)中，一個(gè)在金屬外面的電子，要在金屬表面感應(yīng)出正電荷，電子也受到感應(yīng)的正電荷的吸引如負(fù)電荷距離金屬表面為x，則它與感應(yīng)出的金屬表面的正電荷之間的吸引力，相當(dāng)于在-x處有個(gè)等量的正電荷之間的作用力，即鏡像力21、 隧道（齊納）擊穿隧道擊穿是在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，有隧道效應(yīng)，使大量電子從價(jià)帶穿過禁帶而進(jìn)入到導(dǎo)帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。因?yàn)樽钤缡怯旋R納提出來解釋電解質(zhì)擊穿現(xiàn)象的，故叫齊納擊穿。22、 雪崩擊穿雪崩擊穿是PN結(jié)反向電壓增大到一數(shù)值時(shí)，在反向強(qiáng)電場(chǎng)下的碰撞電離, 使載流子倍增就像雪崩一樣，增加得多而快。雪崩擊穿一般發(fā)生在

7、摻雜濃度較低、外加電壓又較高的PN結(jié)中。23、 肖特基二極管金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)，若二者功函不同，載流子會(huì)在金屬與半導(dǎo)體之間流動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)系統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)一，在半導(dǎo)體表面一層形成表面勢(shì)壘，是一個(gè)高阻區(qū)域，稱為阻擋層。電子必須跨越的界面處勢(shì)壘通常稱為肖特基勢(shì)壘。29.擴(kuò)散長(zhǎng)度：非平衡載流子深入樣品的平均距離。 30.有效質(zhì)量：電子受到原子核的周期性勢(shì)場(chǎng)（這個(gè)勢(shì)場(chǎng)和晶格周期相同）以及其他電子勢(shì)場(chǎng)綜合作用的結(jié)果。 二簡(jiǎn)答題2、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體能帶的差別答：（1）在導(dǎo)體中，價(jià)帶和導(dǎo)帶是重疊的，它們之間沒有禁帶。價(jià)電子所在的能帶只有部分電子被充滿，其余部分是空的。因此即使在很低的溫度下也會(huì)有大量的處于較高

8、能級(jí)的價(jià)電子參與導(dǎo)電。 （2）半導(dǎo)體的價(jià)帶充滿了電子，而導(dǎo)帶基本上是空的，在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間有一個(gè)禁帶。由于禁帶寬度較窄，所以在一定溫度下（如室溫），也會(huì)有一定數(shù)量的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶上，從而在電場(chǎng)的作用下參與導(dǎo)電。 （3）絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體類似，只是它的禁帶寬度比半導(dǎo)體寬得多，在一般情況下，依靠熱激發(fā)很難將電子激發(fā)到導(dǎo)帶上。3、熱電子發(fā)射理論與擴(kuò)散理論（以N型或P型半導(dǎo)體為例）答：以N型半導(dǎo)體為例（1） 熱電子發(fā)射理論：當(dāng)n型阻擋層很薄，以至于電子平均自由程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度時(shí)，電子在勢(shì)壘區(qū)的碰撞可以忽略，因此，這時(shí)起決定作用的是勢(shì)壘高度。半導(dǎo)體內(nèi)部的電子只要有足夠的能量越過勢(shì)壘的頂點(diǎn)，就

9、可以自由地通過阻擋層進(jìn)入金屬。同樣，金屬中能超越勢(shì)壘頂?shù)碾娮右捕寄艿竭_(dá)半導(dǎo)體內(nèi)。理論計(jì)算可以得出，這時(shí)的總電流密度Jst與外加電壓無關(guān)，是一個(gè)更強(qiáng)烈地依賴于溫度的函數(shù)。（2）擴(kuò)散理論：對(duì)于n型阻擋層，當(dāng)勢(shì)壘寬度比電子平均自由程大得多時(shí)，電子通過勢(shì)壘區(qū)將發(fā)生多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層。擴(kuò)散理論正是適用于這樣的厚阻擋層。此時(shí)，總電流密度JsD與外加電壓有關(guān)。 4、 MIS結(jié)構(gòu)能帶圖與反型層的簡(jiǎn)單解釋（考N型）（211頁）答：（1）MIS結(jié)構(gòu)反型層能帶圖（2）解釋對(duì)于N性半導(dǎo)體，當(dāng)加于金屬和半導(dǎo)體間的反向電壓達(dá)到一定值時(shí)，表面勢(shì)Vs為負(fù)值，表面處能帶強(qiáng)烈地向上彎曲。這時(shí)表面處費(fèi)米能級(jí)位置可能

10、低于禁帶中央能級(jí)Ei，也就是費(fèi)米能級(jí)離價(jià)帶頂比導(dǎo)帶底還要更近一些，這意味著表面處空穴濃度將超過電子濃度，即形成與原來半導(dǎo)體襯底導(dǎo)電類型相反的一層，稱作反型層。在這種情況下，半導(dǎo)體空間電荷層內(nèi)的正電荷由兩部分組成，一部分是耗盡層中已電離的施主負(fù)電荷，另一部分是反型層中的空穴，后者主要堆積在近表面區(qū)。6、金半接觸如何形成歐姆接觸？答：在不考慮表面態(tài)的時(shí)候，重?fù)诫s的pn結(jié)可以產(chǎn)生顯著的隧道電流。金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)，如果半導(dǎo)體摻雜濃度很高，則勢(shì)壘區(qū)寬度很薄，電子也要通過隧道效應(yīng)貫穿勢(shì)壘產(chǎn)生相當(dāng)大的隧道電流，甚至超過熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分。當(dāng)隧道電流占主導(dǎo)地位時(shí)，它的接觸電阻可以很小，可以用

11、作歐姆接觸。所以，當(dāng)半導(dǎo)體重?fù)诫s時(shí)，它與金屬的接觸可以形成接近理想的歐姆接觸。7、 試定性分析Si的電阻率與溫度的變化關(guān)系答：Si的電阻率與溫度的變化關(guān)系可以分為三個(gè)階段：（1） 溫度很低時(shí)，電阻率隨溫度升高而降低。因?yàn)檫@時(shí)本征激發(fā)極弱，可以忽略；載流子主要來源于雜質(zhì)電離，隨著溫度升高，載流子濃度逐步增加，相應(yīng)地電離雜質(zhì)散射也隨之增加，從而使得遷移率隨溫度升高而增大，導(dǎo)致電阻率隨溫度升高而降低。（2） 溫度進(jìn)一步增加（含室溫），電阻率隨溫度升高而升高。在這一溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，同時(shí)本征激發(fā)尚不明顯，故載流子濃度基本沒有變化。對(duì)散射起主要作用的是晶格散射，遷移率隨溫度升高而降低，導(dǎo)致電

12、阻率隨溫度升高而升高。（3）   溫度再進(jìn)一步增加，電阻率隨溫度升高而降低。這時(shí)本征激發(fā)越來越多，雖然遷移率隨溫度升高而降低，但是本征載流子增加很快，其影響大大超過了遷移率降低對(duì)電阻率的影響，導(dǎo)致電阻率隨溫度升高而降低。當(dāng)然，溫度超過器件的最高工作溫度時(shí)，器件已經(jīng)不能正常工作了。8. 金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)擴(kuò)散理論和熱電子發(fā)射理論分別適用條件，以及外界電壓和溫度對(duì)其影響如何？答：（1）適用范圍：擴(kuò)散理論：載流子平均自由程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度，即阻擋層較薄時(shí)；熱電子發(fā)射理論：勢(shì)壘寬度遠(yuǎn)大于載流子平均自由程，即阻擋層較厚時(shí) （2）熱電子發(fā)射電流與外加電壓無關(guān)，但對(duì)溫度敏感；擴(kuò)散電流隨外界電壓變化，

13、但對(duì)溫度變化敏感不如熱電子發(fā)射電流9.電子有效質(zhì)量的意義是什么？它與能帶有什么關(guān)系？答：有效質(zhì)量概括了晶體中電子的質(zhì)量以及內(nèi)部周期勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的作用，引入有效質(zhì)量后，晶體中電子的運(yùn)動(dòng)可用類似于自由電子運(yùn)動(dòng)來描述。有效質(zhì)量與電子所處的狀態(tài)有關(guān)，與能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)：（1）、有效質(zhì)量反比于能譜曲線的曲率：（2）、有效質(zhì)量是k的函數(shù)，在能帶底附近為正值，能帶頂附近為負(fù)值。（3）、具有方向性沿晶體不同方向的有效質(zhì)量不同。只有當(dāng)?shù)饶苊媸乔蛎鏁r(shí)，有效質(zhì)量各向同性。10. 為什么肖特基勢(shì)壘二極管電流偏離理想較大，與外加電壓、摻雜濃度有什么關(guān)系？三、證明題1、證明：（1）對(duì)于某n型半導(dǎo)體，試證明其費(fèi)米能級(jí)在其本征半導(dǎo)

14、體的費(fèi)米能級(jí)之上，即EFn>EF。 （2）對(duì)于某p型半導(dǎo)體，試證明其費(fèi)米能級(jí)在其本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)之下，即EFp>EF 2. 證明同質(zhì)pn結(jié)接觸電勢(shì)差 ，并說明接觸電勢(shì)差 與半導(dǎo)體材料的摻雜濃度和能帶隙寬度之間的關(guān)系。9. pn結(jié)光伏電池理論上的最大開路電壓為多少，其最大理論開路電壓主要受哪些因素影響?答：Voc并不隨光照強(qiáng)度無限地增大，當(dāng)開路電壓Voc增大到pn結(jié)勢(shì)壘消失時(shí)，即得到最大開路電壓Vmax,因此Vmax應(yīng)等于pn結(jié)勢(shì)壘高度Vd,與材料摻雜程度和禁帶寬度有關(guān)。3、證明非平衡載流子的壽命滿足，并說明式中各項(xiàng)的物理意義。證明：，則在單位時(shí)間內(nèi)減少的非平衡載流子數(shù)=在單位時(shí)

15、間內(nèi)復(fù)合的非平衡載流子數(shù)，即 在小注入條件下，為常數(shù)，解方程（1），得到式中，p（0）為t=0時(shí)刻的非平衡載流子濃度。此式表達(dá)了非平衡載流子隨時(shí)間呈指數(shù)衰減的規(guī)律。 4.非簡(jiǎn)并的非均勻半導(dǎo)體電子電流形式5、（149）導(dǎo)出非簡(jiǎn)并載流子滿足的愛因斯坦關(guān)系。6、證明小信號(hào)條件下，本征半導(dǎo)體非平衡載流子的壽命最長(zhǎng)。四、計(jì)算題2.（范題）施主濃度ND=1017cm-3的n-GaAs，室溫下功函數(shù)是多少？它分別和Al，Au接觸時(shí)形成阻擋層還是反阻擋層？室溫下GaAs的電子親和能為4.07eV，GaAs導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度為4.5×1017cm-3，WAl=4.25eV，WAu=4.80eV

16、。解：室溫下雜質(zhì)全電離，則：解得En=0.04eV，Ws=4.07+0.04=4.11eV因?yàn)閃Au>Ws和WAl>Ws，所以n-GaAs和Al,Au接觸時(shí)均形成阻擋層。3、（范題,第三章）Si樣品中施主濃度為4.510cm，試計(jì)算300K時(shí)電子濃度和空穴濃度各為多少？解：在300K時(shí)，因?yàn)镹>10n，因此雜質(zhì)全電離n=N4.5×1016cm-3答：300K時(shí)樣品中的的電子濃度和空穴濃度分別是4.5×1016cm-3和5.0×103cm-3。5.室溫下，若兩塊Si樣品中的電子濃度分別為2.25×1010cm-3和6.8×101

17、6cm-3，試分別求出其中的空穴的濃度和費(fèi)米能級(jí)的相對(duì)位置，并判斷樣品的導(dǎo)電類型。假如再在其中都摻入濃度為2.25×1016cm-3的受主雜質(zhì)，這兩塊樣品的導(dǎo)電類型又將怎樣？解：由 得 可見，又因?yàn)?，則假如再在其中都摻入濃度為2.25×1016cm-3的受主雜質(zhì)，那么將出現(xiàn)雜質(zhì)補(bǔ)償，第一種半導(dǎo)體補(bǔ)償后將變?yōu)閜型半導(dǎo)體，第二種半導(dǎo)體補(bǔ)償后將近似為本征半導(dǎo)體。答：第一種半導(dǎo)體中的空穴的濃度為1.1x1010cm-3,費(fèi)米能級(jí)在價(jià)帶上方0.234eV處；第一種半導(dǎo)體中的空穴的濃度為3.3x103cm-3,費(fèi)米能級(jí)在價(jià)帶上方0.331eV處。摻入濃度為2.25×1016

18、cm-3的受主雜質(zhì)后，第一種半導(dǎo)體補(bǔ)償后將變?yōu)閜型半導(dǎo)體，第二種半導(dǎo)體補(bǔ)償后將近似為本征半導(dǎo)體。6. 含受主濃度為8.0×106cm-3和施主濃度為7.25×1017cm-3的Si材料，試求溫度分別為300K和400K時(shí)此材料的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)的相對(duì)位置。解：由于雜質(zhì)基本全電離，雜質(zhì)補(bǔ)償之后，有效施主濃度則300K時(shí)，電子濃度 空穴濃度 費(fèi)米能級(jí)在400K時(shí)，根據(jù)電中性條件 和 得到費(fèi)米能級(jí)答：300K時(shí)此材料的電子濃度和空穴濃度分別為7.25 x1017cm-3和3.11x102cm-3，費(fèi)米能級(jí)在價(jià)帶上方0.3896eV處；400 K時(shí)此材料的電子濃度和空穴濃度分別

19、近似為為7.248 x1017cm-3和1.3795x108cm-3，費(fèi)米能級(jí)在價(jià)帶上方0.08196eV處。9.Si樣品中的施主濃度為4.5×1016cm-3，試計(jì)算300K時(shí)的電子濃度和空穴濃度各為多少？解：在300K時(shí)，因?yàn)镹D>10ni，因此雜質(zhì)全電離n0=ND4.5×1016cm-3答： 300K時(shí)樣品中的的電子濃度和空穴濃度分別是4.5×1016cm-3和5.0×103cm-3。13.12kg的Si單晶摻有3.0×10-9kg的Sb，設(shè)雜質(zhì)全部電離，試求出此材料的電導(dǎo)率。（Si單晶的密度為2.33g/cm3，Sb的原子量為12

20、1.8）解：故材料的電導(dǎo)率為答：此材料的電導(dǎo)率約為24.04-1cm-1。14. 光均勻照射在6的n型Si樣品上，電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率為4×1021cm-3s-1，樣品壽命為8µs。試計(jì)算光照前后樣品的電導(dǎo)率。解：光照前光照后 p=G=（4×1021）（8×10-6）=3.2×1017 cm-3則答：光照前后樣品的電導(dǎo)率分別為1.167-1cm-1和3.51-1cm-1。16. 設(shè)有一半導(dǎo)體鍺組成的突變pn結(jié)，已知n區(qū)施主濃度ND=1015/cm3, p區(qū)受主濃度NA=1017/cm3, 試求室溫(300K)下該pn結(jié)的接觸電勢(shì)差VD。解： （4分）兩式相除取對(duì)數(shù)： 4、 （范題，70）含受主濃度為8.010cm和施主濃度7.2510cm的Si材料，試求溫度分別為300K和400K時(shí)此材料的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)的相對(duì)位置。5、若ND=5×1015，NA=5×1017，室溫300K下Si的本征載流子濃度約為1.02×1010cm-3，求室溫下Si突變pn結(jié)的VD?7、電阻率為10歐.厘米的n型鍺和金屬接觸形成的肖特基勢(shì)壘高度為0.3eV。求加上5V反向電壓時(shí)的空間電荷層厚度。8、有一塊施主濃度ND=1016cm-