西郵半導(dǎo)體物理試卷答案

一、 名詞解釋：（3X6=18分）初基原胞：又稱初基晶胞或固體物理學(xué)原胞，是布拉非格子中的最小周期單元，也是體積最小的晶胞。直接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在同一波矢位置的半導(dǎo)體。格波態(tài)密度：確定體積V的晶體，在④附近單位頻率間隔內(nèi)的格波總數(shù)。雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體：同時(shí)含有施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)，施主和受主在導(dǎo)電性能上有互相抵消的作用半導(dǎo)體，通常稱為雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體。遷移率：載流子在單位電場作用下的平均漂移速度。內(nèi)建電勢差：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體接觸形成PN節(jié)時(shí)，N區(qū)導(dǎo)帶內(nèi)的電子在試圖進(jìn)入P區(qū)導(dǎo)帶時(shí)遇到一個(gè)勢壘，這個(gè)勢壘稱為內(nèi)建電勢差。單電子近似：假設(shè)每個(gè)電子是在周期排列且固定不動(dòng)的原子核勢場及其它電子的平均勢場中運(yùn)動(dòng)，用其研究固態(tài)晶體中電子的能量狀態(tài)。電子共有化運(yùn)動(dòng)：原子組成晶體以后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一個(gè)原子上，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相臨的原子上去，電子在整個(gè)晶體上運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)叫電子的共有化運(yùn)動(dòng)。替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子取代品格原子而位于在晶格點(diǎn)處，常稱為替位雜質(zhì)。非平衡載流子的壽命：非平衡載流子的濃度減小到原值的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間。陷阱效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)上的發(fā)生改變。如果電子增加，說明能級(jí)具有收容非平衡電子的作用；若電子減少，說明能級(jí)具有收容空穴的作用，雜質(zhì)能級(jí)的這種積累非平衡載流子的作用稱陷阱效應(yīng)。雜質(zhì)的補(bǔ)償：假如在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著受主和施主雜質(zhì)，兩者之間相互抵消的作用。二、 填空題：（1X22=22分）1、 在簡并半導(dǎo)體中，由于電子的共有化運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致電子不再屬于某一個(gè)原子而是在晶體中作共有化運(yùn)動(dòng)，分裂的每個(gè)能帶稱為—允帶—，其相互之間因沒有能級(jí)稱為—禁帶_。2、 雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)基體（如硅、鍺等）后，可能以兩種方式存在，一種是雜質(zhì)原子位于品格原子間的位置，常稱為—間隙式雜質(zhì)；另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，稱為—替位式雜質(zhì)。3、 位錯(cuò)是半導(dǎo)體的一種缺陷，它對半導(dǎo)體材料和器件的性能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。在棱位錯(cuò)的周圍會(huì)導(dǎo)致原子間的壓縮和伸張，品格壓縮區(qū)禁帶寬度—變寬；伸張區(qū)禁帶寬度變窄。4、 有效質(zhì)量概括的是粒子在晶體內(nèi)部內(nèi)力作用下的質(zhì)量，電子在能帶頂?shù)挠行з|(zhì)量為負(fù)值，空穴在能帶頂?shù)挠行з|(zhì)量為正值。5、 根據(jù)摻雜原子在品格中的位置不同，可分為替位式和間隙式雜質(zhì)。6、載流子速度隨外加電場強(qiáng)度線性增加，總速度包括 漂移運(yùn)動(dòng)度和隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)速度兩者之和。7、載流子的復(fù)合主要包括：直接帶間 復(fù)合和帶隙 復(fù)合兩大類。8、內(nèi)建電勢差的大小主要取決于：熱電壓、施主雜質(zhì)濃度和受主雜質(zhì)濃度三大類。

9、空間電荷區(qū)的寬度：隨雜質(zhì)的濃度增加而變窄9、空間電荷區(qū)的寬度：隨雜質(zhì)的濃度增加而變窄隨反偏電壓的增大而 。10、形成PN結(jié)反向擊穿的機(jī)制主要有：雪崩擊穿和齊納擊穿 兩種。11、在半導(dǎo)體中，電流主要是由載流子的 漂移、擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)形式的構(gòu)成。5、 對于一定的半導(dǎo)體材料，電子和孔穴的濃度乘積％p0只決定于溫度，和費(fèi)米能級(jí)以及雜質(zhì)無關(guān)。6、 對于n型半導(dǎo)體，當(dāng)?shù)蜏厝蹼婋x時(shí)，多數(shù)載流子電子的濃度n在數(shù)值上等于0電離的施主濃度；在強(qiáng)電離時(shí)，電子的濃度n0為施主的摻雜濃度。7、對于基體材料一定的n型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)將隨著摻雜濃度 的增加向上偏移，隨溫度升高向下偏移。8、 重?fù)诫s的簡并半導(dǎo)體，雜質(zhì)的濃度很高，雜質(zhì)原子相互間很靠近，被雜質(zhì)原子束縛的電子波函數(shù)顯著重疊，雜質(zhì)電子就可能在雜質(zhì)原子之間產(chǎn)生A有化運(yùn)動(dòng)，從而使孤立的 雜質(zhì)能級(jí)擴(kuò)展為能帶，通常稱為雜質(zhì)的能帶。9、 載流子在復(fù)合的過程中，一定要釋放多余的能量，其能量的釋放方式主要包括： 發(fā)射光子 、 發(fā)射聲子 和俄歇復(fù)合。10、 愛因斯坦從理論上找出擴(kuò)散系數(shù)和遷移率的定量關(guān)系，其中遷移率是反映載流子在 電場濃度 下運(yùn)動(dòng)的難易程度，擴(kuò)散系數(shù)反映存在時(shí)—濃度梯度載流子運(yùn)動(dòng)的難易程度。三、簡答、簡單計(jì)算題：（6X5=30分）1、一簡單立方的晶格常數(shù)是5.63A，請計(jì)算（111）的面間距和面密度？3 、.'31處 面間距刁=—a=—x5.63x10-101、答： 3 3=3.25x10-10（m）面密度D=豆= € =1.82x1018（/cm2）3a23x（5.63x10-10）22、請簡述費(fèi)米-狄拉克函數(shù)和玻爾茲曼分布函數(shù)實(shí)用條件和相互關(guān)系？2、 答：費(fèi)米-狄拉克函數(shù)實(shí)用的條件是：滿足泡利不相容原理玻爾茲曼分布函數(shù)：當(dāng)能級(jí)遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí)時(shí)，能級(jí)被電子占據(jù)的幾率很小，不在考慮泡利不相容原理兩者的關(guān)系是：分布函數(shù)的分母是否去掉1。3、 為什么隨電場的增加，載流子漂移速度會(huì)達(dá)到飽和？3、 答：載流子漂移速度是遷移率和電場的函數(shù)，當(dāng)電場增加的足夠大載流子從低能谷躍遷到高能谷，高能谷中的有效質(zhì)量增加，遷移率下降。當(dāng)電場增加一定程度后，遷移率下降速度和電場的增加速度相等。載流子的速度達(dá)到飽和狀態(tài)。4、 外加作用力之后，為什么過剩載流子密度不能隨時(shí)間持續(xù)增加？當(dāng)半導(dǎo)體在外加作用力下產(chǎn)生過剩載流子，載流子存在濃度梯度，有擴(kuò)散運(yùn)，載流子邊擴(kuò)散邊復(fù)合，故載流子的不能隨時(shí)間可持續(xù)增加。5、 什么是歐姆接觸，制作歐姆接觸最常用的方法是什么？當(dāng)金屬和半導(dǎo)體接觸，不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的改變，叫歐姆接觸。制作歐姆接觸最常用的方法是用重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸，常常在N型或P型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)后再與金屬接觸，對金屬的選擇比較自由6、 為什么PN結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)會(huì)有電場，什么位置的電場最大？當(dāng)P型半導(dǎo)體和N半導(dǎo)體接觸后：N型區(qū)中多子電子向P型區(qū)中擴(kuò)散，形成帶正電荷的空間區(qū)；P型區(qū)中的多子空穴向N型區(qū)中擴(kuò)散，形成了帶負(fù)電的空間電荷區(qū)，于是形成了空間電場。在P型區(qū)和N型區(qū)的界面處，電場的強(qiáng)度最大。四、問答題：(9X2=18分)1、在半導(dǎo)體材料中，費(fèi)米能級(jí)的位置受那些因素的影響，變化趨勢怎樣？1、 答：⑴在半導(dǎo)體材料中，費(fèi)米能級(jí)的位置受摻雜濃度和溫度兩種因素的影響；⑵對于N型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)的位置隨摻雜濃度向上偏移，對于P型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)的位置隨摻雜濃度向下偏移；⑶無論是N型還是P型半導(dǎo)體，載流子的濃度都會(huì)隨溫度的增加向本征費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)。2、 PN結(jié)電容主要包括那兩大類，各自的影響因素有那些，變化趨勢何如？⑴PN結(jié)電容主要包括兩大類：勢壘電容和擴(kuò)散電容⑵勢壘電容的主要影響因素有：施主、受主的摻雜濃度、半導(dǎo)體的介電常數(shù)、反偏電壓和接觸電勢差等⑶擴(kuò)散電容的主要影響因素有：熱電勢、N型區(qū)和P型區(qū)的電流和載流子壽命。3、半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度是如何變化，分析產(chǎn)生的主要原因?五、計(jì)算題分析題：(12X1=12分)已知T=300K時(shí)硅的實(shí)測電子濃度為n0=4.5X104cm3, ND=5X10i5cm3。請問該半導(dǎo)體是N型還是P型？樣品的電導(dǎo)率是多少？計(jì)算本樣品以本征費(fèi)米能級(jí)E為參考點(diǎn)費(fèi)米能級(jí)的位置？imJxI。』。)(a)根據(jù)七=寸=4.5X104=5?。x1015 (/cm3)故該半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體。(b)根據(jù)。=nq叩pq%=4.5X1010X1.60X10-19X1350+5.0X1015X1.60X10-19X480=0.384(s)(c)根據(jù)由p=nexp一 ~—F^-(c)根據(jù)0iFkTrpEFi5.0xl0V)11.5x10io/nE-E=kTInp

一/EFi5.0xl0V)11.5x10io/=0.33(eV)故費(fèi)米能級(jí)在本征費(fèi)米能級(jí)下0.33eV位置處。

2、品格常數(shù)為0.25nm的一維品格，當(dāng)外加102V/m,107V/m的電場時(shí)，分別計(jì)算電子自能帶底運(yùn)動(dòng)到能帶頂所需要的時(shí)間。q=1.602x10-19Ch=6.625x10-34J?s、一一、》 /k［解】設(shè)電場強(qiáng)度為E，?.?F=h-

h=qE(取絕對值)dt=