半導體物理復試指導

1、注：結合半導體物理季振國 編著 浙江大學出版社 重點看第二章 半導體材料的成分與結構 第三章 晶體中電子的能帶第一章 量子力學初步1、光電效應、康普頓散射證明電磁波除了具有波動性外，還具有 性 ，即光具有 。2、受愛因斯坦光量子的啟發(fā)，德布羅意提出實物粒子具有 性，德布羅意波長公式為 。3、寫出光子的能量與動量。4、畫出下列方勢阱中的電子能級圖。（a） (b) （c）5、諧振子的能量本征值為 。6、什么是電子的隧道效應，并舉實例說明此原理的應用。7、什么是測不準原理，并舉實例說明此原理的應用。第二章 半導體材料的成分與結構1、什么是半導體材料？常見的半導體材料有哪些？2、畫出導體，半導體以及絕

2、緣體的能帶圖。3、常見半導體的晶體結構有哪些？晶體結構的測量方法有哪些？4、寫出正空間與倒空間的基矢關系。5、簡述能帶的形成。答案第一章1、粒子性 波粒二象性 2、波動性 3、4、電子的基態(tài)能級分布5、6、粒子能夠穿透比它能量更高勢壘的現(xiàn)象，它是粒子具有波動性的表現(xiàn)。例如場致發(fā)射、掃描隧道顯微鏡7、粒子的空間位置與動量不能同時確定，或者無法做到同時使空間位置與動量都非常精確。例如現(xiàn)在大力發(fā)展藍光光存儲介質利用此原理。第二章 1、導電性介于導體和絕緣體之間，具有能帶結構以及合適的禁帶寬度且具有負溫度系數(shù)的一類材料成為半導體材料。例如Si、Ge、GaAs、InSb、GaN、SiC、ZnO2、3、半

3、導體材料按結構分有單晶、多晶、非晶、納米晶、團簇、超晶格等。常見的晶體結構有金剛石結構、閃鋅礦結構、纖鋅礦結構。晶體結構的測量方法有XRD（X射線衍射）、電子衍射、激光衍射、中子衍射等。4、5、N個原子相接近形成晶體時發(fā)生原子軌道的交疊并產(chǎn)生能級分裂現(xiàn)象。當N很大時，分裂能級可看作是準連續(xù)的，形成能帶。（言之有理即可）第三章 晶體中電子的能帶1、描述半導體中電子運動為什么要引入"有效質量"的概念,用電子的慣性質量描述能帶中電子運動有何局限性。答：引進有效質量的意義在于它概括了半導體內部勢場的作用，使得在解決半導體中電子在外力作用下的運動規(guī)律時，可以不涉及半導體內部勢場的作用

4、。慣性質量描述的是真空中的自由電子質量，而不能描述能帶中不自由電子的運動，通常在晶體周期性勢場作用下的電子慣性運動，成為有效質量2、有效質量的正負有何物理意義？答：有效質量的表達式，在導帶底附近電子的有效質量為正值，在價帶頂附近電子的有效質量為負值，在某些點電子的有效質量為無窮大，即外力很難使這些電子的狀態(tài)發(fā)生變化。3、實驗中如何測量電子的有效質量？答：實驗上可以利用帶電粒子在磁場中的回旋運動來進行有效質量的測量。利用磁場中晶體對電磁波能量的共振吸收可以測量出電子的有效質量。4、說明空穴的物理意義。答：空穴是未被電子占據(jù)的空量子態(tài)，代表價帶頂附近的電子激發(fā)到導帶后留下的價帶空狀態(tài)，是一種為討論

5、方便而假設的粒子。5、半導體導電和金屬導電有何不同？答：半導體有兩種載流子：電子和空穴，且具有負的溫度系數(shù)金屬只有一宗載流子：電子，且隨著溫度增加，晶格散射加劇，電阻增大。6、什么叫施主雜質，受主雜質？施主受主對半導體導電有何影響？并用能帶圖表征出n型、p型半導體。答：施主雜質：向導帶提供電子 半導體導電主要靠電子導電，這種半導體叫做n型半導體受主雜質：從價帶得到電子，即向價帶提供空穴，半導體導電主要靠空穴導電 這種半導體叫做p型半導體N型 p型7、名詞解釋：局域態(tài) 非局域態(tài) 深能級 激子 本征半導體 非本征半導體 直接能帶 間接能帶 雜質補償局域態(tài)：晶體中雜質和缺陷可以吸引電子或空穴在其周圍

6、，從而形成局域能級非局域態(tài)：晶體能帶中的電子不在圍繞一個原子核運動，而是在整個晶體中運動深能級：半導體材料中某些雜質的電子能級在禁帶中離開價帶或者導帶都比較遠激子：電子和空穴通過庫侖力結合在一起，形成電子空穴對本征半導體：有摻雜 非本征半導體：無摻雜直接能帶：導帶底和價帶頂在同一個波矢位置 間接能帶：導帶底和價帶頂不在同一個波矢位置：雜質補償：半導體中同時含有施主受主雜質，施主上多余的電子首先要去填充受主上的空能級，半導體的導電性能由施主受主共同決定第四章 半導體中的電子統(tǒng)計分布1、什么是能量狀態(tài)密度、有效狀態(tài)密度？答：能量狀態(tài)密度：能帶中能量E附近每單位能量間隔內的量子態(tài)數(shù)。有效狀態(tài)密度：將

7、導帶理解為一個電子都集中于導帶底、密度為的能級2、說明費米能級、費米分布的物理意義答：費米能級是0K時，電子所能占據(jù)的最高能級。費米分布：表示能量為E的能級被占據(jù)的幾率，而表示能級空著的幾率。3、寫出半導體本征費米能級、載流子濃度的表達式4、如何測量本征半導體的禁帶寬度？答：對于本征半導體材料，由本征載流子濃度可以求出半導體材料的禁帶寬度。實驗上可以通過測量半導體材料的載流子濃度隨溫度的變化，以ln為縱坐標，以1/kT為橫坐標，畫出曲線ln-，即，此曲線應該基本上為一直線，其斜率在數(shù)值上應該等于。5、以n型半導體為例說明摻雜半導體載流子濃度、費米能級隨溫度的變化。（畫圖）答：（1）當溫度較低時

8、，半導體處于弱電離區(qū)，載流子增長主要是雜質能機上電子的電離，故在1區(qū)載流子濃度呈e的指數(shù)增長但溫度稍高時，半導體進入飽和區(qū)，此時本征激發(fā)不是很明顯，而雜質電離又處于飽和狀態(tài)。因而載流子對溫度變化不大當溫度繼續(xù)升高，雜質已完全電離，載流子的增加主要靠本征價帶的激發(fā)呈指數(shù)上升（2）隨著溫度的升高，費米能級從雜質能級和導帶之間連續(xù)變化至本征費米能級位置。6、已知n型半導體內施主濃度為，求當時導帶的電子濃度。答：由于，當時，,即雜質能級上的施主濃度為，所以激發(fā)至導帶的電子濃度為。7、為什么一般的電子器件都工作在飽和電離區(qū)？如何提高器件的工作溫度？答：（1）電子器件的正常工作大多在飽和電離區(qū)，溫度太低或

9、太高都可能使器件不能正常工作。溫度太低，載流子濃度對溫度變化很大且濃度太低，電阻率較高而且對溫度變化很大，因此器件工作不穩(wěn)定，而且無法形成P-n結。溫度太高，本征激發(fā)掩蓋了雜質電離，載流子濃度對溫度變化也很大，電阻率很低而且隨溫度的變化也很大。（2）提高器件的工作溫度可以使使用禁帶寬度較大的半導體材料，例如GaN，此外，可以采取重摻雜的方法，但應考慮固溶度的影響。第五章 半導體中的電荷輸運現(xiàn)象1、何謂遷移率？影響遷移率的主要因素有哪些？遷移率與電導率有何關系？答：遷移率是單位電場強度下載流子所獲得的漂移速率。影響遷移率的主要因素有能帶結構（載流子有效質量）、溫度和各種散射機構。2、什么叫做聲學

10、波、光學波？兩者有何不同答：聲學波：基元的整體運動。光學波：非共價鍵性化合物基元中原子的相對運動。聲學波：頻率較低，接近聲波頻率。光學波：1，頻率較高，與紅外光頻率相近。2，有偶極矩，可與光波相互作用。3、簡述半導體的主要散射機制。答：電離雜質散射； 隨著溫度升高，散射幾率變小。晶格振動散射，包括聲子波和光學波散射；聲學波 ： 隨著溫度升高而增大光學波 隨著溫度變化是指數(shù)關系，對溫度很敏感，散射截面隨溫度升高迅速增大。其他因素散射：等能谷散射，中性雜質散射，位錯散射，合金散射等。4、畫出本征半導體、非本征半導體電導率與載流子濃度及溫度的關系圖，并以非本征半導體為例解釋半導體為什么具有負溫度系數(shù)。本征半導體 雜質半導體在溫度較低時，半導體處于雜質電離區(qū)，載流子濃度隨溫度增加而指數(shù)增加，同時，遷移率因載流子速度的增加也增加