半導(dǎo)體物理學(xué)題庫(kù)

．填空題能帶中載流子的有效質(zhì)量反比于能量函數(shù)對(duì)于波矢的，引入有效質(zhì)量的意義在于其反映了晶體材料的的作用。（二階導(dǎo)數(shù)，內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)）半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子濃度取決于導(dǎo)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(fèi)米分布函數(shù)）兩種不同半導(dǎo)體接觸后,費(fèi)米能級(jí)較高的半導(dǎo)體界面一側(cè)帶電，達(dá)到熱平衡后兩者的費(fèi)米能級(jí)。（正，相等）半導(dǎo)體硅的價(jià)帶極大值位于空間第一布里淵區(qū)的中央，其導(dǎo)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(dǎo)體。（［100］，間接帶隙）間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)的點(diǎn)缺陷稱(chēng)為；形成原子空位而無(wú)間隙原子的點(diǎn)缺陷稱(chēng)為。（弗侖克耳缺陷，肖特基缺陷）在一定溫度下，與費(fèi)米能級(jí)持平的量子態(tài)上的電子占據(jù)概率為，高于費(fèi)米能級(jí)2kT能級(jí)處的占據(jù)概率為。（1/2,1/1+exp（2））從能帶角度來(lái)看，鍺、硅屬于半導(dǎo)體，而砷化稼屬于半導(dǎo)體，后者有利于光子的吸收和發(fā)射。（間接帶隙,直接帶隙）通常把服從的電子系統(tǒng)稱(chēng)為非簡(jiǎn)并性系統(tǒng),服從的電子系統(tǒng)稱(chēng)為簡(jiǎn)并性系統(tǒng)。（玻爾茲曼分布,費(fèi)米分布）對(duì)于同一種半導(dǎo)體材料其電子濃度和空穴濃度的乘積與有關(guān),而對(duì)于不同的半導(dǎo)體材料其濃度積在一定的溫度下將取決于的大小。（溫度,禁帶寬度）半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)式多種多樣的，常見(jiàn)的Ge和Si材料，其原子均通過(guò)共價(jià)鍵四面體相互結(jié)合，屬于結(jié)構(gòu)；與Ge和Si晶格結(jié)構(gòu)類(lèi)似，兩種不同元素形成的化合物半導(dǎo)體通過(guò)共價(jià)鍵四面體還可以形成和纖鋅礦等兩種晶格結(jié)構(gòu)。（金剛石,閃鋅礦）如果電子從價(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶底時(shí)波矢k不發(fā)生變化，則具有這種能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱(chēng)為禁帶半導(dǎo)體,否則稱(chēng)為禁帶半導(dǎo)體。（直接,間接）半導(dǎo)體載流子在輸運(yùn)過(guò)程中,會(huì)受到各種散射機(jī)構(gòu)的散射,主要散射機(jī)構(gòu)有、、中性雜質(zhì)散射、位錯(cuò)散射、載流子間的散射和等價(jià)能谷間散射。（電離雜質(zhì)的散射,晶格振動(dòng)的散射）半導(dǎo)體中的載流子復(fù)合可以有很多途徑,主要有兩大類(lèi)：的直接復(fù)合和通過(guò)禁帶內(nèi)的進(jìn)行復(fù)合。（電子和空穴,復(fù)合中心）

反向偏置pn結(jié)，當(dāng)電壓升高到某值時(shí)，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為pn結(jié)擊穿，主要的擊穿機(jī)理有兩種：擊穿和擊穿。（雪崩，隧道）雜質(zhì)可顯著改變載流子濃度；雜質(zhì)可顯著改變非平衡載流子的壽命，是有效的復(fù)合中心。（淺能級(jí)，深能級(jí)）二．選擇題1．本征半導(dǎo)體是指（A）的半導(dǎo)體。A．不含雜質(zhì)和缺陷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如果一半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中發(fā)現(xiàn)電子的幾率為零，那么該半導(dǎo)體必定（D）。A.不含施主雜質(zhì)B.不含受主雜質(zhì)C.不含任何雜質(zhì)D.處于絕對(duì)零度有效復(fù)合中心的能級(jí)必靠近（A）。A.禁帶中部B.導(dǎo)帶C.價(jià)帶D.費(fèi)米能級(jí).對(duì)于只含一種雜質(zhì)的非簡(jiǎn)并n型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)EF隨溫度上升而（D）。A.單調(diào)上升B.單調(diào)下降C.經(jīng)過(guò)一個(gè)極小值趨近EiD.經(jīng)過(guò)一個(gè)極大值趨近Ei.當(dāng)一種n型半導(dǎo)體的少子壽命由直接輻射復(fù)合決定時(shí)，其小注入下的少子壽命正比于（A）。A.1/n0B.1/△nC.1/p0D.1/0.在Si材料中摻入P,則引入的雜質(zhì)能級(jí)（B）A.在禁帶中線(xiàn)處B.靠近導(dǎo)帶底C.靠近價(jià)帶頂D.以上都不是.公式從=qT/m*中的t是半導(dǎo)體載流子的（C）。A.遷移時(shí)間B.壽命C.平均自由時(shí)間D.擴(kuò)散時(shí)間8.對(duì)于一定的n型半導(dǎo)體材料，溫度一定時(shí)，減少摻雜濃度，將導(dǎo)致（D）靠近Ei。A.EcB.EvC.ED.EgF9.在晶體硅中摻入元素（A.9.在晶體硅中摻入元素（A.鍺B.磷B）雜質(zhì)后,C.硼能形成N型半導(dǎo)體。D.錫對(duì)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比B.非平衡載流子濃度成正比C.平衡載流子濃度成反比D.非平衡載流子濃度成反比重空穴是指（C）質(zhì)量較大的原子組成的半導(dǎo)體中的空穴價(jià)帶頂附近曲率較大的等能面上的空穴價(jià)帶頂附近曲率較小的等能面上的空穴自旋－軌道耦合分裂出來(lái)的能帶上的空穴電子在導(dǎo)帶能級(jí)中分布的概率表達(dá)式是（C）。人,E-E、-,E-E、…eE-E、八eE-E、A.exp（-D,。）B.exp（-――d）C.exp（--）D.exp（一F二c）kTkTkTkT0000如在半導(dǎo)體中以長(zhǎng)聲學(xué)波為主要散射機(jī)構(gòu)是，電子的遷移率N與溫度的（B）。nA.平方成正比B.3次方成反比C.平方成反比D.3次方成正比把磷化鎵在氮?dú)夥罩型嘶?，?huì)有氮取代部分的磷，這會(huì)在磷化鎵中出現(xiàn)（D）。A.改變禁帶寬度B.產(chǎn)生復(fù)合中心C.產(chǎn)生空穴陷阱D.產(chǎn)生等電子陷阱一般半導(dǎo)體器件使用溫度不能超過(guò)一定的溫度，這是因?yàn)檩d流子濃度主要來(lái)源于，而將忽略不計(jì)。（A）A.雜質(zhì)電離，本征激發(fā)B.本征激發(fā)，雜質(zhì)電離C.施主電離，本征激發(fā)D.本征激發(fā)，受主電離一塊半導(dǎo)體壽命t=15Ms，光照在材料中會(huì)產(chǎn)生非平衡載流子，光照突然停止30w后，其中非平衡載流子將衰減到原來(lái)的（C）。A.1/4B.1/eC.1/e2D.1/2半導(dǎo)體中由于濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)為（B）。A.漂移運(yùn)動(dòng)B.擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)C.熱運(yùn)動(dòng)D.共有化運(yùn)動(dòng)硅導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)為（D）。位于第一布里淵區(qū)內(nèi)沿＜100＞方向的6個(gè)球形等能面一半位于第一布里淵區(qū)內(nèi)沿＜111＞方向的6個(gè)球形等能面一半位于第一布里淵區(qū)內(nèi)沿＜111＞方向的8個(gè)橢球等能面位于第一布里淵區(qū)內(nèi)沿＜100＞方向的6個(gè)橢球等能面雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子輸運(yùn)過(guò)程的散射機(jī)構(gòu)中，當(dāng)溫度升高時(shí)，電離雜質(zhì)散射的概率和晶格振動(dòng)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，變大與半導(dǎo)體相比較，絕緣體的價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量（A）。A.比半導(dǎo)體的大B.比半導(dǎo)體的小C.與半導(dǎo)體的相等D.不確定一般半導(dǎo)體它的價(jià)帶頂位于，而導(dǎo)帶底位于。（D）A.波矢k=0或附近，波矢kW0B.波矢kW0,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鍺的晶格結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)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(chēng)為（D）。A.施主B.復(fù)合中心C.陷阱D.兩性雜質(zhì)雜質(zhì)對(duì)于半導(dǎo)體導(dǎo)電性能有很大影響，下面哪兩種雜質(zhì)分別摻雜在硅中能顯著地提高硅的導(dǎo)電性能（C）。A.硼或鐵B.鐵或銅C.硼或磷D.金或銀當(dāng)施主能級(jí)ED與費(fèi)米能級(jí)EF相等時(shí)，電離施主的濃度為施主濃度的（C）倍；A.1B.1/2C.1/3D.1/4

同一種施主雜質(zhì)摻入甲、乙兩種半導(dǎo)體，如果甲的相對(duì)介電常數(shù)￡r是乙的3/4,mn*/m0值是乙的2倍，那么用類(lèi)氫模型計(jì)算結(jié)果是（D）。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3/4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32/9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8/3甲的施主雜質(zhì)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本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)的表達(dá)式是。（B）A.E+EA.E+EkT、N—cv+―o—ln—d222NcNCE+kTln—dc0NcE+EkT、NB.—cv-+-0—ln—v22NcE+ED.r2載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)為（A）。A.漂移運(yùn)動(dòng)B.擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)C.熱運(yùn)動(dòng)D.共有化運(yùn)動(dòng)下面情況下的材料中,室溫時(shí)功函數(shù)最大的是（A）。A.含硼1X1015cm-3的硅B,含磷1X1016cm-3的硅C,含硼1X1015cm-3,磷1*1016。山-3的硅D.純凈的硅一般可以認(rèn)為,在溫度不很高時(shí),能量大于費(fèi)米能級(jí)的量子態(tài)基本上,而能量小于費(fèi)米能級(jí)的量子態(tài)基本上為,而電子占據(jù)費(fèi)米能級(jí)的概率在各種溫度下總是,所以費(fèi)米能級(jí)的位置比較直觀地標(biāo)志了電子占據(jù)量子態(tài)的情況,通常就說(shuō)費(fèi)米能級(jí)標(biāo)志了電子填充能級(jí)的水平。（A）A.沒(méi)有被電子占據(jù),電子所占據(jù),1/2B.電子所占據(jù),沒(méi)有被電子占據(jù),1/2C.沒(méi)有被電子占據(jù),電子所占據(jù),1/3D.電子所占據(jù),沒(méi)有被電子占據(jù),1/3三．簡(jiǎn)答題1．簡(jiǎn)要說(shuō)明費(fèi)米能級(jí)的定義、作用和影響因素。f(f(E)=1+exp(E—EF1+expIkT費(fèi)米能級(jí)EF是確定費(fèi)米分布函數(shù)的一個(gè)重要物理參數(shù)，在絕對(duì)零度是，費(fèi)米能級(jí)EF反映了未占和被占1量子態(tài)的能量分界線(xiàn)，在某有限溫度時(shí)的費(fèi)米能級(jí)EF反映了量子態(tài)占據(jù)概率為二分之一時(shí)的能量位置。確定了一定溫度下的費(fèi)米能級(jí)EF位置,電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)分布就可完全確定。費(fèi)米能級(jí)EF的物理意義是處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)，即在不對(duì)外做功的情況下，系統(tǒng)中增加一個(gè)電子所引起的系統(tǒng)自由能的變化。半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)EF一般位于禁帶內(nèi)，具體位置和溫度、導(dǎo)電類(lèi)型及摻雜濃度有關(guān)。只有確定了費(fèi)米能級(jí)4就可以統(tǒng)計(jì)得到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子濃度和價(jià)帶中的空穴濃度。2．在本征半導(dǎo)體中進(jìn)行有意摻雜各種元素，可改變材料的電學(xué)性能。請(qǐng)解釋什么是淺能級(jí)雜質(zhì)、深能級(jí)雜質(zhì)，它們分別影響半導(dǎo)體哪些主要性質(zhì)；什么是雜質(zhì)補(bǔ)償？雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)囊饬x何在？答：淺能級(jí)雜質(zhì)是指其雜質(zhì)電離能遠(yuǎn)小于本征半導(dǎo)體的禁帶寬度的雜質(zhì)。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶負(fù)電（電離受主）的離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮踊蛳騼r(jià)帶提供空穴。它可有效地提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。摻雜半導(dǎo)體又分為n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。深能級(jí)雜質(zhì)是指雜質(zhì)所在的能級(jí)位置在禁帶中遠(yuǎn)離導(dǎo)帶或價(jià)帶，在常溫下很難電離，不能對(duì)導(dǎo)帶的電子或價(jià)帶的空穴的濃度有所貢獻(xiàn)，但它可以提供有效的復(fù)合中心，在光電子開(kāi)關(guān)器件中有所應(yīng)用。當(dāng)半導(dǎo)體中既有施主又有受主時(shí)，施主和受主將先互相抵消，剩余的雜質(zhì)最后電離，這就是雜質(zhì)補(bǔ)償。利用雜質(zhì)補(bǔ)償效應(yīng)，可以根據(jù)需要改變半導(dǎo)體中某個(gè)區(qū)域的導(dǎo)電類(lèi)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(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主電離后將成為帶負(fù)電的離子，并同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，這種雜質(zhì)就叫受主。受主電離成為帶負(fù)電的離子（中心）的過(guò)程就叫受主電離。受主電離前帶不帶電，電離后帶負(fù)電。4．什么叫復(fù)合中心？何謂間接復(fù)合過(guò)程？有哪四個(gè)微觀過(guò)程？試說(shuō)明每個(gè)微觀過(guò)程和哪些參數(shù)有關(guān)。答：半導(dǎo)體內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷能夠促進(jìn)復(fù)合，稱(chēng)這些促進(jìn)復(fù)合的雜質(zhì)和缺陷為復(fù)合中心；間接復(fù)合：非平衡載流子通過(guò)復(fù)合中心的復(fù)合；四個(gè)微觀過(guò)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(dǎo)帶電子濃度和空穴復(fù)合中心濃度有關(guān)。發(fā)射電子：和復(fù)合中心能級(jí)上的電子濃度。俘獲空穴：和復(fù)合中心能級(jí)上的電子濃度和價(jià)帶空穴濃度有關(guān)。發(fā)射空穴：和空的復(fù)合中心濃度有關(guān)。5．漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)有什么不同？?jī)烧咧g有什么聯(lián)系？答：漂移運(yùn)動(dòng)是載流子在外電場(chǎng)的作用下發(fā)生的定向運(yùn)動(dòng)，而擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是由于濃度分布不均勻?qū)е螺d流子從濃度高的地方向濃度底的方向的定向運(yùn)動(dòng)。前者的推動(dòng)力是外電場(chǎng)，后者的推動(dòng)力則是載流子的分布引起的。漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)之間通過(guò)遷移率與擴(kuò)散系數(shù)相聯(lián)系。而非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的遷移率與擴(kuò)散系數(shù)則通過(guò)愛(ài)因斯坦關(guān)系相聯(lián)系，二者的比值與溫度成反比關(guān)系。即N_qD二koT6.簡(jiǎn)要說(shuō)明pn結(jié)空間電荷區(qū)如何形成？答：當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體結(jié)合形成pn結(jié)時(shí)，由于兩者之間存在載流子濃度梯度，從而導(dǎo)致了空穴從p區(qū)到n區(qū)、電子從n區(qū)到p區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。對(duì)于p區(qū)，空穴離開(kāi)后留下了不可動(dòng)的帶負(fù)電荷的電離受主，因此在p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)電荷區(qū)；同理對(duì)于n區(qū)，電子離開(kāi)后留下了不可動(dòng)的帶正電荷的電離施主，因此在n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)正電荷區(qū)。這樣帶負(fù)電荷的電離受主和帶正電荷的電離施主形成了一個(gè)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(chǎng)。在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反，內(nèi)建電場(chǎng)阻礙載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。隨內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)，載流子的擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)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(shì)差，即pn結(jié)接觸電勢(shì)差。7．簡(jiǎn)要說(shuō)明載流子有效質(zhì)量的定義和作用。h2答：能帶中電子或空穴的有效質(zhì)量m*的定義式為：m*=-7、d2E(k)dk2有效質(zhì)量m*與能量函數(shù)E(k)對(duì)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(zhì)量越大，能帶越寬，曲率越大，有效質(zhì)量越小；在能帶頂部，曲率小于零，則有效質(zhì)量為負(fù)值，在能帶底部，曲率大于零，則有效質(zhì)量為正值。有效質(zhì)量的意義在于它概括了內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用，使得在解決半導(dǎo)體中載流子在外場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，可以不涉及內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用。.對(duì)于摻雜的元素半導(dǎo)體Si、Ge中，一般情形下對(duì)載流子的主要散射機(jī)構(gòu)是什么？寫(xiě)出其主要散射機(jī)構(gòu)所決定的散射幾率和溫度的關(guān)系。答：對(duì)摻雜的元素半導(dǎo)體材料Si、Ge,其主要的散射機(jī)構(gòu)為長(zhǎng)聲學(xué)波散射和電離雜質(zhì)散射其散射幾率和溫度的關(guān)系為：聲學(xué)波散射：PxT3/2，電離雜質(zhì)散射：pxNT-3/2sii.說(shuō)明能帶中載流子遷移率的物理意義和作用。答：載流子遷移率以反映了單位電場(chǎng)強(qiáng)度下載流子的平均漂移速度，其定義式為：N=；其單位為：cm2/V-sE半導(dǎo)體載流子遷移率的計(jì)算公式為：m*其大小與能帶中載流子的有效質(zhì)量成反比,與載流子連續(xù)兩次散射間的平均自由時(shí)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(dǎo)率。

四．證明題1．試推證：對(duì)于只含一種復(fù)合中心的間接帶隙半導(dǎo)體晶體材料，在穩(wěn)定條件下非平衡載流子的凈復(fù)合率公式Nrrrip一n2)U=f-c^-pi\rVn+n)+r\p+p)n1p1證：題中所述情況，主要是間接復(fù)合起作用，包含以下四個(gè)過(guò)程。甲：電子俘獲率二rnn(Nt-nt)乙：電子產(chǎn)生率;rn1ntn1=niexp((Et-Ei)/k0T)丙：空穴俘獲率;rppnt?。嚎昭óa(chǎn)生率;rpjNt-nt)pi=niexp((Ei-Et)/k0T)穩(wěn)定情況下凈復(fù)合率U二甲-乙二丙-丁(1)穩(wěn)定時(shí)甲+丁=丙+乙將四個(gè)過(guò)程的表達(dá)式代入上式解得(2)nr+pr(2)=Nn1^TOC\o"1-5"\h\ztr(n+n)+r(p+p)

n1p1將四個(gè)過(guò)程的表達(dá)式和(2)式代入(1)式整理得Nrr(np一np)U=——tnp一馬一(3)r(n+n)+r(p+p)n1p1由p1和n1的表達(dá)式可知p1n1=ni2代入上式可得Nrrnp一n2U二ftnpL—)r\n+n)+r\p+p)n1p12.試用一維非均勻摻雜(摻雜濃度隨x的增加而下降)，非簡(jiǎn)并p型半導(dǎo)體模型導(dǎo)出愛(ài)因斯坦關(guān)系式：DkT坦關(guān)系式：—p=—o-HYPERLI