成電半導體物理期末考試試卷A及參考答案

1、1、在硅和鍺的能帶結構中，在布里淵中心存在兩個極大值重合的價帶，外面的能帶（B ，對應的有效質(zhì)量（ C ），稱該能帶中的空穴為( E )。A. 曲率大； B. 曲率小； C. 大；D. ?。?E. 重空穴；F. 輕空穴2、如果雜質(zhì)既有施主的作用又有受主的作用，則這種雜質(zhì)稱為（ F ）。 A. 施主 B. 受主 C.復合中心 D.陷阱 F. 兩性雜質(zhì)3、在通常情況下，GaN呈（A）型結構，具有（C），它是（F）半導體材料。A. 纖鋅礦型； B. 閃鋅礦型； C. 六方對稱性；D. 立方對稱性；E.間接帶隙； F. 直接帶隙。4、同一種施主雜質(zhì)摻入甲、乙兩種半導體，如果甲的相對介電常數(shù)r是乙的3/

2、4， mn*/m0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(zhì)電離能是乙的8/3，弱束縛電子基態(tài)軌道半徑為乙的3/4B.甲的施主雜質(zhì)電離能是乙的3/2，弱束縛電子基態(tài)軌道半徑為乙的32/9C.甲的施主雜質(zhì)電離能是乙的16/3，弱束縛電子基態(tài)軌道半徑為乙的8/3D.甲的施主雜質(zhì)電離能是乙的32/9，弱束縛電子基態(tài)軌道半徑為乙的3/85、.一塊半導體壽命=15s，光照在材料中會產(chǎn)生非平衡載流子，光照突然停止30s后，其中非平衡載流子將衰減到原來的（ C ）。 A.1/4 ； B.1/e ； C.1/e2 ； D.1/26、對于同時存在一種施主雜質(zhì)和一種受主雜質(zhì)的均勻摻雜的非簡

3、并半導體，在溫度足夠高、ni /ND-NA/ 時，半導體具有 （ B ） 半導體的導電特性。 A. 非本征 B.本征 8、在純的半導體硅中摻入硼，在一定的溫度下，當摻入的濃度增加時，費米能級向（ A ）移動；當摻雜濃度一定時，溫度從室溫逐步增加，費米能級向( C )移動。A.Ev ； B.Ec ； C.Ei； D. EF9、把磷化鎵在氮氣氛中退火，會有氮取代部分的磷，這會在磷化鎵中出現(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。10、對于大注入下的直接復合，非平衡載流子的壽命不再是個常數(shù)，它與（ C ）。A.非平衡載流子濃度成正比 ； B.

4、平衡載流子濃度成正比； C.非平衡載流子濃度成反比； D.平衡載流子濃度成反比。11、雜質(zhì)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(zhì)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.變大，變小 ； B.變小，變大； C.變小，變小； D.變大，變大。12、如在半導體的禁帶中有一個深雜質(zhì)能級位于禁帶中央，則它對電子的俘獲率（ B ）空穴的俘獲率，它是（ D ）。 A.大于 ； B.等于； C.小于； D.有效的復合中心； E. 有效陷阱。13、在磷摻雜濃度為21016cm-3的硅襯底（功函數(shù)約為4.25eV）上要做出歐姆接觸，下面四種金屬最適合的是（ A ）。A.

5、 In (Wm=3.8eV) ； B. Cr (Wm=4.6eV)； C. Au (Wm=4.8eV)； D. Al (Wm=4.2eV)。14、在硅基MOS器件中，硅襯底和SiO2界面處的固定電荷是（ B ），它的存在使得半導體表面的能帶（ C ）彎曲，在C-V曲線上造成平帶電壓（ F ）偏移。 A.鈉離子 ； B.過剩的硅離子； C.向下； D.向上； E. 向正向電壓方向； F. 向負向電壓方向。二、簡答題：（5+4+6=15分）2、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。（4分）答：對摻雜的元素半導體材料

6、Si、Ge，其主要的散射機構為長聲學波散射（1分）和電離雜質(zhì)散射其散射幾率和溫度的關系為：聲學波散射：，電離雜質(zhì)散射：3、如金屬和一n型半導體形成金屬半導體接觸，請簡述在什么條件下，形成的哪兩種不同電學特性的接觸，說明半導體表面的能帶情況，并畫出對應的I-V曲線。（忽略表面態(tài)的影響）（6分）答：在金屬和n型半導體接觸時，如金屬的功函數(shù)為Wm, 半導體的功函數(shù)為Ws。當WmWs時，在半導體表面形成阻擋層接觸，是個高阻區(qū)，能帶向上彎曲；（2分）當WmWs時，在半導體表面形成反阻擋層接觸，是個高電導區(qū)，能帶向下彎曲；（2分）對應的 I-V曲線分別為：VI VI四、一束恒定光源照在n型硅單晶樣品上，其

7、平衡載流子濃度n0=1014cm-3，且每微秒產(chǎn)生電子空穴為1013cm-3。如n=p=2s，試求光照后少數(shù)載流子濃度。（已知本征載流子濃度ni=9.65109cm-3）(5分)解：在光照前：光照后：五、在一個均勻的n型半導體的表面的一點注入少數(shù)載流子空穴。在樣品上施加一個50V/cm的電場，在電場力的作用下這些少數(shù)載流子在100s的時間內(nèi)移動了1cm，求少數(shù)載流子的漂移速率、遷移率和擴散系數(shù)。（kT=0.026eV）(6分)解：在電場下少子的漂移速率為：遷移率為： 擴散系數(shù)為： 六、 摻雜濃度為ND=1016cm-3的n型單晶硅材料和金屬Au接觸，忽略表面態(tài)的影響，已知：WAu=5.20eV

8、, n=4.0eV, Nc=1019cm-3,ln103=6.9 在室溫下kT=0.026eV, 半導體介電常數(shù)r=12, 0=8.85410-12 F/m，q=1.610-19 庫，試計算：(4+4+4=12分) 半導體的功函數(shù)；（4分） 在零偏壓時，半導體表面的勢壘高度，并說明是哪種形式的金半接觸，半導體表面能帶的狀態(tài)； 半導體表面的勢壘寬度。（4分）解：由得： （1分） （1分） 在零偏壓下，半導體表面的勢壘高度為：對n型半導體，因為WmWs，所以此時的金半接觸是阻擋層（或整流）接觸（1分），半導體表面能帶向上彎曲（或：直接用能帶圖正確表示出能帶彎曲情況）（1分）。 勢壘的寬度為： 1.

9、導體、半導體、絕緣體的劃分：導體內(nèi)部存在部分充滿的能帶，在電場作用下形成電流； 絕緣體內(nèi)部不存在部分充滿的能帶，在電場作用下無電流產(chǎn)生； 半導體的價帶是完全充滿的，但與之上面靠近的能帶間的能隙很小，電子易被激發(fā)到上面的能帶，使這兩個能帶都變成部分充滿，使固體導電。2.電子的有效質(zhì)量是，空穴的有效質(zhì)量是；，電量等值反號，波矢與電子相同能帶底電子的有效質(zhì)量是正值，能帶頂電子的有效質(zhì)量是負值。能帶底空穴的有效質(zhì)量是負值，能帶頂空穴的有效質(zhì)量是正值。3.半導體中電子所受的外力的計算。4.引進有效質(zhì)量的意義：概括了半導體內(nèi)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(nèi)部

10、勢場的作用。1.施主能級：被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED；施主能級很接近于導帶底； 受主能級：被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級EA；受主能級很接近于價帶頂。 施主能級圖 受主能級圖2.淺能級雜質(zhì)：雜質(zhì)的電離能遠小于本征半導體禁帶寬度的雜質(zhì)，電離后向相應的能帶提供電子或空穴。 深能級雜質(zhì)：能級位于禁帶中央位置附近，距離相應允帶差值較大。 深能級雜質(zhì)起復合中心、陷阱作用；淺能級雜質(zhì)起施主、受主作用。3.雜質(zhì)的補償作用：半導體中同時含有施主和受主雜質(zhì)，施主和受主先相互抵消，剩余的雜質(zhì)發(fā)生電離。1.費米分布函數(shù)(簡并半導體)(本征)；(雜質(zhì))；玻爾茲曼分布函數(shù)(非簡并半導體)

11、 ；2.費米能級：；系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，也不對外界做功的情況下，系統(tǒng)中增加一個電子所引起系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學勢，也就是等于系統(tǒng)的費米能級。 費米能級的位置：本征半導體的費米能級位于本征能級(禁帶寬度的一半)上，根據(jù)雜質(zhì)離子的不同，費米能級的位置有所不同；4.n型雜質(zhì)半導體在低溫弱電離區(qū)的費米能級的推導：低溫下，導帶中的電子全部由電離施主雜質(zhì)提供，此時p0=0，故電中性條件：； 由得：，因此：；取對數(shù)并化簡得：；它與溫度、雜質(zhì)濃度以及摻入何種雜質(zhì)原子有關。在低溫極限T0K時，；故；即在低溫極限T0K時，費米能級位于導帶底和施主能級間的中線處。1.載流子散射的概念：所謂自由載流子，實際

12、上只在兩次散射之間才真正是自由運動的，其連續(xù)兩次散射間自由運動的平均路程稱為平均自由程，而平均時間稱為平均自由時間。2.半導體的主要散射機構： 電離雜質(zhì)的散射；晶格振動的散射：聲學波散射；光學波散射；其他因素引起的：等同的能谷間散射；中性雜質(zhì)散射；位錯散射；合金散射；3.平均自由時間與散射概率之間關系式的推導： 設有N個電子以速度v沿某方向運動，N(t)表示在t時刻尚未遭到散射的電子數(shù)，按散射概率的定義，在t到（t+t）時間內(nèi)被散射的電子數(shù)為； ； 解微分方程：； 其中N0是t=0時未遭散射的電子數(shù)； t到（t+t）時間內(nèi)被散射的電子數(shù)為； 平均自由時間；等于散射概率的倒數(shù)。2.非平衡載流子的

13、壽命的推導： 假定一束光在一塊n型半導體內(nèi)部均勻地產(chǎn)生非平衡載流子和，在t=0時，光照突然停止，的變化應等于非平衡載流子的復合率：；小注入時，是一恒量，與無關，上述微分方程的通解為：；當t=0時，得，則； 非平衡載流子的復合率：通常把單位時間單位體積內(nèi)凈復合消失的電子-空穴對數(shù)。3.推導在小注入條件下，當溫度和摻雜一定時，壽命是一個常數(shù)：。 熱平衡時，產(chǎn)生率等于復合率，n=n0，p=p0； 此時； 非平衡載流子的直接凈復合率； 由，得：； 非平衡載流子的壽命 小注入條件下，即，；n型材料，即， 當時，4.深能級的最有效位置是禁帶的中央；5.俄歇復合：載流子從高能級向低能級躍遷，發(fā)生電子-空穴復

14、合是，把多余的能量傳給另一個載流子，使這個載流子被激發(fā)到能量更高的能級上去，當它重新躍遷回低能級時，多余的能量以聲子形式放出，這種復合稱為俄歇復合。6.陷阱效應：雜質(zhì)能級積累非平衡載流子的作用稱為陷阱效應； 把具有顯著陷阱效應的雜質(zhì)能級稱為陷阱；把相應的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心。 最有效的深能級在費米能級上；7.漂移運動的作用場是電場遷移率；擴散運動的作用場是濃度場擴散系數(shù)； 遷移率與散射有關；8.愛因斯坦方程的推導：一塊處于熱平衡狀態(tài)的非均勻的n型半導體，其中施主雜質(zhì)濃度隨x增加而下降，電子和空穴濃度都是x的函數(shù)，設為n0(x)，p0(x)；由于濃度梯度的存在，必然引起載流子沿x方向的擴散，電

15、子擴散產(chǎn)生的電流密度為，空穴擴散產(chǎn)生的電流密度為；半導體內(nèi)的靜電場又產(chǎn)生漂移電流：，；熱平衡條件下：，；又，；求導得：；(對電子)；(對空穴)第六章 p-n結1. p-n結的能帶圖： n、p型半導體的能帶 平衡狀態(tài)p-n結能帶圖2.外加正向偏壓時p-n結勢壘的變化:1.直接躍遷：為了滿足選擇定則，以使電子在躍遷過程中波矢保持不變，則原來在價帶中狀態(tài)A的電子只能躍遷到導帶中的狀態(tài)B。A與B在E(k)曲線上位于同一垂線上，這種躍遷稱為直接躍遷； 間接躍遷：除了吸收光子外還與晶格交換能量的非直接躍遷，也稱間接躍遷。3.在四面體結構的共價晶體中，四個共價鍵是 sp3雜化 。4.第III族元素鋁、鎵、銦

16、和第V族元素磷、砷、銻組成的 III-V族化合物 。也是正四面體結構，四個共價鍵也是sp3雜化，但具有一定程度的離子性。是 閃鋅礦 結構。5. ZnS、GeS、ZnSe和GeSe等 -族化合物 都可以 閃鋅礦型 和 纖鋅礦型 兩種方式結晶，也是以 正四面體結構 為基礎構成的，四個混合共價鍵也是 sp3 雜化，也有一定程度的離子性。6. Ge、Si的禁帶寬度具有 負溫度系數(shù) 。禁帶寬度Eg隨溫度增加而減小( 負溫度系數(shù)特性 )7.半導體與導體的最大差別： 半導體的電子和空穴均參與導電 。半導體與絕緣體的最大差別： 在通常溫度下，半導體已具有一定的導電能力 。有效質(zhì)量的大小取決于 晶體內(nèi)電子與電子

17、周圍環(huán)境 的作用。10 回旋共振 的實驗是用來測量 有效質(zhì)量 的。導體、半導體、絕緣體的能帶l 能帶理論提出：一個晶體是否具有導電性，關鍵在于它是否有不滿的能帶存在。l 導體下面的能帶是滿帶，上面的能帶是半滿帶；或者上下能帶重疊了一部分，結果上下能帶都成了半滿帶l 絕緣體下面能帶（價帶）是滿帶，上面能帶（導帶）是空帶，且禁帶寬度比較大。l 半導體下面能帶（價帶）是滿帶，上面能帶（導帶）是空帶，且禁帶寬度比較小，數(shù)量級約在1eV左右。當溫度升高或者光照下，滿帶中的少量電子可能被激發(fā)到上面的空帶中去。滿帶中少了一些電子，將出現(xiàn)一些空的量子狀態(tài)，稱為空穴。在半導體中，導帶中的電子和價帶中的空穴均參與

18、導電。金是一種很典型的復合中心，在制造高速開關器件時，常有意地摻入金以提高器件的速度。 5 兩性雜質(zhì)：既能起施主作用，又能起受主作用的雜質(zhì)，如III-V族化合物半導體中摻入的硅2. 有一塊摻磷的 n型硅，ND=1015cm-3, 分別計算溫度為 300K ； 500K ； 800K 時導帶中電子濃度 。 （已知硅的ni 300K=1.51010cm-3， ni 500K=41014 cm-3， ni 800K=1017cm-3）解：3. 含受主濃度為8.0106cm-3和施主濃度為7.251017 cm-3的Si材料，試求溫度為300K時此材料的載流子濃度和費米能級的相對位置。 （已知300K

19、時硅的ni為1.51010cm-3）解：300K時，雜質(zhì)補償之后，有效施主濃度： 強電離區(qū)，2 載流子的產(chǎn)生：本征激發(fā) 和 雜質(zhì)電離 。4 費米分布函數(shù)：服從泡利不相容原理的電子遵循費米統(tǒng)計規(guī)律。5 費米分布函數(shù)的特性：6在熱平衡狀態(tài)下，非簡并情況下，導帶中的電子濃度： 同理可得，價帶中的空穴濃度（熱平衡狀態(tài)，非簡并情況下）： 載流子濃度乘積： N型半導體載流子的濃度（在過渡區(qū)）： p型半導體載流子的濃度（在過渡區(qū)）： 摻有某種雜質(zhì)的半導體的載流子濃度和費米能級由 溫度 和 雜質(zhì)濃度 決定。隨著T升高，多數(shù)載流子從以 雜質(zhì)電離 為主過渡到 本征激發(fā) 為主。即：當雜質(zhì)濃度不變時，隨著溫度的升高，

20、費米能級先上升后下降，直到接近中線位置。1. 隨著溫度T升高，多數(shù)載流子從以雜質(zhì)電離為主過渡到本征激發(fā)為主。2. n型半導體的費米能級處在導帶底和Ei之間，p型半導體的費米能級處在Ei和價帶頂之間。3. 在一定溫度下，施主雜質(zhì)濃度越高，費米能級越接近導帶底；受主雜質(zhì)濃度越高，費米能級越接近價帶頂。4. 隨著T升高， n型半導體的費米能級從施主能級以上先升后降至施主能級以下直至禁帶中線。 p型半導體的費米能級從受主能級以下先降后升至受主能級以上直至禁帶中線。對本征材料而言，材料的禁帶寬度越窄，載流子濃度越高；1 電子在 電場力 作用下所作的 定向 運動稱為漂移運動。2遷移率：表示單位場強下電子的

21、平均漂移速度，表示存在電場作用下載流子運動的難易程度的物理量。3電阻產(chǎn)生的原因在于載流子的散射。電子與聲子的碰撞遵循兩大守恒法則：準動量守恒、能量守恒晶格振動的散射中，光學波散射在能帶具有單一極值的半導體中起主要散射作用的是長波，在長聲學波中，只有縱波在散射中起主要作用。在半導體中長波起主要作用的是：縱聲學波散射。在離子晶體中起主要作用的是：縱光學波散射。6 電離雜質(zhì)散射：當載流子運動到電離雜質(zhì)附近時，由于 庫倫勢場（庫倫斥力） 的作用，就使載流子運動的方向發(fā)生改變，以速度v接近電離雜質(zhì)，在原子核附近的散射。6. 歐姆定律的微分形式：載流子的遷移率由其主要作用的散射機構決定。低溫時，雜質(zhì)散射占

22、主導地位；因此，遷移率是雜質(zhì)濃度Ni的函數(shù)。高溫時，晶格散射占主導地位；因此遷移率對Ni的依賴很小。雜質(zhì)濃度小時，遷移率趨于一定值，不隨雜質(zhì)濃度而變化，說明此時晶格散射相對占據(jù)主導地位。隨著雜質(zhì)濃度Ni的增大，電離雜質(zhì)散射相對占據(jù)主導地位.（7）溫度T越高，晶格散射越強，此時遷移率越小。（8）雜質(zhì)Ni越大，雜質(zhì)電離散射越強，此時遷移率越小。1非平衡載流子的產(chǎn)生：電注入，光注入，高能粒子激發(fā)電子的連續(xù)性方程： 右側第一項為擴散流密度不均勻引起的載流子變化；第二項為載流子濃度不均勻引起的積累；第三項為不均勻電場導致漂移速度隨空間位置變化引起的積累，第四項為復合率；第五項為產(chǎn)生率。按復合釋能的方式分

23、為輻射復合（發(fā)射光子）、發(fā)射聲子和俄歇效應。強N型區(qū)：壽命是與載流子濃度無關的常數(shù)，僅取決復合中心對空穴的俘獲幾率。強P型區(qū)：壽命與載流子濃度無關, 是由復合中心對電子的俘獲幾率決定的常數(shù)最有效的復合中心在禁帶中央，而最有效的陷阱能級在費米能級附近。簡答題：1. 平均自由程與擴散長度有何不同？平均自由時間與非平衡載流子的壽命又有何不同？答：平均自由程是在連續(xù)兩次散射之間載流子自由運動的平均路程。而擴散長度則是非平衡載流子深入樣品的平均距離。它們的不同之處在于平均自由程由散射決定，而擴散長度由擴散系數(shù)和材料的壽命來決定。 平均自由時間是載流子連續(xù)兩次散射平均所需的自由時間，非平衡載流子的壽命是指

24、非平衡載流子的平均生存時間。前者與散射有關，散射越弱，平均自由時間越長；后者由復合幾率決定，它與復合幾率成反比關系。2. 漂移運動和擴散運動有什么不同？漂移運動與擴散運動之間有什么聯(lián)系？ 答：不同：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不勻。 聯(lián)系：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： （本題最好看一下）2.某N型半導體摻雜濃度 ND1016cm-3，少子壽命10s，

25、在均勻光的照射下產(chǎn)生非平衡載流子，產(chǎn)生率為1018 cm-3s-1，試計算室溫時光照情況下的費米能級并和原來無光照時的費米能級比較。設ni1010cm-3解：無光照： 穩(wěn)定光照后：同理：5 p-n結的電容主要包括 勢壘電容 和 擴散電容 兩部分。6 單邊突變結勢壘區(qū)寬度主要取決于低摻雜一側的雜質(zhì)濃度，為什么？ （勢壘區(qū)內(nèi)正，負電荷總量相等，摻雜濃度低的，相應的電離雜質(zhì)濃度也低，需要更大的體積才能獲得同樣的總量，因此勢壘區(qū)寬度要寬得多）2 金屬和半導體接觸時還可形成非整流接觸，即歐姆接觸。3 整流特性首要條件：接觸必須形成半導體表面的阻擋層1.1 半導體 通常是指導電能力介于導體和絕緣體之間的材

26、料，其導帶在絕對零度時全空，價帶全滿，禁帶寬度較絕緣體的小許多。1.2能帶晶體中，電子的能量是不連續(xù)的，在某些能量區(qū)間能級分布是準連續(xù)的，在某些區(qū)間沒有能及分布。這些區(qū)間在能級圖中表現(xiàn)為帶狀，稱之為能帶。1.6 直接帶隙材料 如果晶體材料的導帶底和價帶頂在k空間處于相同的位置，則本征躍遷屬直接躍遷，這樣的材料即是所謂的直接帶隙材料。1.6 間接帶隙材料 如果半導體的導帶底與價帶頂在k空間中處于不同位置，則價帶頂?shù)碾娮游漳芰縿偤眠_到導帶底時準動量還需要相應的變化2.1 雜質(zhì)電離能 雜質(zhì)電離能是雜質(zhì)電離所需的最少能量，施主型雜質(zhì)的電離能等于導帶底與雜質(zhì)能級之差，受主型雜質(zhì)的電離能等于雜質(zhì)能級與價帶頂之差。淺能級雜質(zhì)的作用：（1）改變半導體的電阻率（2）決定半導體的導電類型。深能級雜質(zhì)的特點和作用：（1）不容易電離