半導體物理試卷解答

物理學院《半導體物理》試卷一、 名詞解釋（3'X10）1空穴：價帶頂電子激發(fā)到導帶底后帶頂附近出現(xiàn)的空的量子態(tài)稱為空穴。波矢k態(tài)未被電子占據(jù)時，其它所有價帶電子的導電行為，等效于一個帶正電荷e,具有正有效質量mp的準粒子的導電行為。2間接帶隙半導體：導帶底與價帶頂在不同k方向?；蜷g接帶隙半導體材料導帶最小值（導帶底）和價帶最大值（價帶頂）在k空間中不同位置。3.施主雜質、施主能級：解：施主雜質：V族原子向晶體提供多余不配對電子（電子可動），并同時成為帶正電離子（不可動正電中心）的雜質。或是在硅中摻入V族元素雜質（如磷P,砷As,銻Sb等）后，這些V族雜質替代了一部分硅原子的位置，但由于它們的外層有5個價電子，其中4個與周圍硅原子形成共價鍵，多余的一個價電子便成了可以導電的自由電子，這樣一個V族雜質原子可以向半導體硅提供一個自由電子而本身成為帶正電的離子，把這種雜質稱為施主雜質；若在硅中摻入III族元素雜質，（如硼B(yǎng)，鋁Al，鎵Ga，銦In等），這些III族雜質原子在晶體中替代了一部分硅原子的位置，由于它們的最外層只有3個價電子，在與硅原子形成共價鍵時產生一個空穴，這樣一個III族雜質原子可以向半導體硅提供一個空穴，而本身接受一個電子成為帶負電的離子，把這種雜質稱為受主雜質。4缺陷能級雜質能級解：實際半導體材料晶格中，存在著偏離理想情況的各種現(xiàn)象。（1） 原子并不是靜止在具有嚴格周期性的晶格的格點位置上，而是在其平衡位置附近振動；（2） 半導體材料并不是純凈的，而且含有若干雜質，即在半導體晶格存在著與組成半導體材料的元素不同的其它化學元素的原子；（3） 實際的半導體晶格結構并不是完整無缺的，而存在著各種形式的缺陷。（a） 點缺陷，如空位，間隙原子；（b） 線缺陷，如位錯；（c） 面缺陷，如層錯，多晶體中的晶粒間界等。由于雜質和缺陷的存在，會使嚴格按周期性排列的原于所產生的周期性勢場受到破壞，有可能在禁帶中引入允許電子具有的能量狀態(tài)（即能級）——雜質能級、缺陷能級。V族雜質在硅、鍺中電離時，能夠施放電子而產生導電電子并形成正電中心，稱它們?yōu)槭┲麟s質或n型雜質。它釋放電子的過程叫做施主電離。施主雜質未電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)，電離后成為正電中心，稱為離化態(tài)。當電子得到能量^Ed后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導帶成為導電電子，所以電子被施主雜質束縛時的能量比導帶底E低^Ed。將被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級，記為Ed。因為箜<<匕，所以施主能級位于離導帶底很近的禁帶中。因為III族雜質在硅、鍺個能夠接受電產而產生導電空穴，并形成負電中心，所以稱它們?yōu)槭苤麟s質或p型雜質?？昭⊕昝撌苤麟s質束縛的過程稱為受主電離。受主雜質未電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)。電離后成為負電中心，稱為受主離化態(tài)。使空穴掙脫受主雜質束縛成為導電空穴所需要的能量，稱為受主雜質的電離能，用△EA（acceptor）表示。5電離施主濃度解：發(fā)生電離的施主雜質的量子態(tài)密度。6簡并半導體解：發(fā)生載流子簡并化的半導體稱為簡并半導體。7電離雜質散射解：施主雜質在電離后是一個帶正電的離子，而受主雜質電離后則是負離子。在正離子有或負離子周圍形成一個庫侖勢場，載流子將受到這個庫侖場的作用，即電離雜質散射。9間接復合解：間接復合指的是非平衡載流子通過復合中心的復合。10積累層解：半導體表面附近多數(shù)載流子濃度大大增高的一個薄層即稱為積累層。 這一層的導電性比體內要好得多。積累層可采用外電場感應而形成（就像形成反型層一一溝道一樣）。11禁帶.解：價帶 絕對零度時被電子占滿的、能量最高的能帶，其最高能態(tài)Ev稱為價帶頂。導帶------絕對零度時未被價電子完全占據(jù)，或全空的能量最低的能帶，最低能態(tài)Ec被稱為導帶底。禁帶-------能帶電子不能占據(jù)的能量區(qū)間，Eg=Ec-Ev12S-P3雜化：解：S--P3雜化 由一個S原子軌道和三個P軌道雜化成四個SP3雜化軌道.每個雜化軌道具有1/4的S成份和34的P成份.軌道間夾角正好是109.5度，每個SP3雜化軌道分別指向正四面體的四個頂點.采用SP3雜化成鍵的分子呈正四面體形狀如CH4\CF4\CCl4\SiCl4\SiH4等等.金剛石中的碳原子，正式是這樣的，位于中間的碳原子與四個頂角上的碳原子形成共價鍵配位數(shù)為四.以金剛石為例，基態(tài)1S22S22P2一個原子躍遷一1S22S12Px12P12Pz19SP3雜化軌道（原子的），即一個S態(tài)和3個P態(tài)波函數(shù)相結合今相鄰原子的SP3雜化軌道形成共價鍵。（非極性鍵）13淺能級解：淺能級 施主能級或受主能級，離導帶底或價帶頂很近。深能級 施主能級或受主能級，離導帶底或價帶頂都很遠的雜質。深能級不能向能帶提供電子和空穴，對電導沒貢獻，但是是有效的復合中心。14施主雜質束縛態(tài)15施主能級電子濃度16價帶有效狀態(tài)密度解：價帶有效狀態(tài)密度可以理解為把價帶中的所有量子態(tài)都聚集在價帶頂Ev處對應的轉態(tài)密度NvN=2⑵m/T））32=2.50X1019（紡）3/2（二）3/2憂T3/2[cm-3]v h3 m3000

17載流子散射解：載流子的散射——載流子在半導體中運動時，便會不斷地與熱振動著的晶格原子或電離了的雜質離子發(fā)生碰撞作用，碰撞后載流子速度的大小和方向就發(fā)生改變，即是電子波在傳播過程中遭到了散射。半導體的主要散射機構：①電離雜質的散射：施主雜質在電離后是一個帶正電的離子，而受主雜質電離后則是負離子。在正離子有或負離子周圍形成一個庫侖勢場，載流子將受到這個庫侖場的作用，即電離雜質散射。②晶格振動的散射：光學波和聲學波散射。隨著溫度的增加，晶格振動的散射越來顯著，而雜質電離的散射變得不顯著了。18非平衡載流子解：對半導體施加外界作用，使其處于非平衡態(tài)，處于分平衡狀態(tài)的半導體比平衡狀態(tài)多出來的部分載流子就稱為非平衡載流子。19表面復合解：表面復合是指在半導體表面發(fā)生的復合過程，由表面處的雜質和表面特有的缺陷在禁帶中形成復合中心能級。20積累層解：半導體表面附近多數(shù)載流子濃度大大增高的一個薄層即稱為積累層。這一層的導電性比體內要好得多。積累層可采用外電場感應而形成（就像形成反型層一一溝道一樣）。二、 簡答題（8’X5）1能帶形成的原因，區(qū)分金屬、半導體、絕緣體?絕緣體：禁帶寬度大?半導體：禁帶寬度小，一定溫度下，部分滿帶電子激發(fā)到導帶?導體：存在半滿帶：一種是價帶只有部分能帶被電子填充；另一種情況是價帶與導帶重疊圖1.1.4導體、半導體和絕緣體的能帶圖1.1.4導體、半導體和絕緣體的能帶（C）導體能帶的形成電子共有化運動：由于相鄰原子的“相似”電子殼層發(fā)生交疊，電子不再局限在某一個原子上而在整個晶體中的相似殼層間運動，引起相應的共有化運動。能級的分裂：n個原子尚未結合成晶體時，每個能級都是n度簡并的，當它們靠近結合成晶體后，每個電子都受到周圍原子勢場的作用，每個n度簡并的能級都分裂成n

個彼此相距很近的能級。允帶、禁帶的形成：同一能級分裂的n個彼此相近的能級組成一個能帶，稱為允帶，允帶之間因沒有允許能級，稱為禁帶。晶體能帶的形成可以從兩個方面來理解：能級分裂產生能帶（容許帶）：許多原子靠近而組成晶體時，價電子的能級即發(fā)生分裂（因為許多價電子不可能都處于同一個能級上），從而形成能帶。電子波干涉產生禁帶：晶體中電子的運動可看成是電子波的傳播；入射波與原子的反射波在波長滿足Bragg干涉條件時即相互加強，并產生兩種能量高低不同的狀態(tài)一一在Brillouin區(qū)邊緣處電子波干涉出現(xiàn)禁帶，從而產生了能帶。最高能量的兩個能帶（容許帶），往往與晶體的導電、導熱等有關，這兩個能帶分別稱為價帶和導帶，它們的間距即稱為禁帶寬度。2缺陷能級，與能帶能級的異同。解：缺陷能級正離子空位一等效帶負電一接受空穴形成受主負離子空位一等效帶正電一接受電子形成施主間隙正離子一失去電子一施主間隙負離子一得到電子一受主載流子簡并解：在重摻雜的情形下，Ef進入導帶，使帶底電子數(shù)很多，f（E）<<1不成立或Ef進入價帶，使價帶頂空穴很多[1-f（E）]<<1不再成立，此時必須考慮泡利不相容，不能再用波爾茲曼分布，而必須用費米分布，這種情形稱為載流子的簡并化。簡并半導體：發(fā)生載流子簡并化的半導體。簡并化條件：E-E-Ef>2kT非簡并°<Ec-Ef<2"弱簡并E七<0 簡并若選（Ec—Ef=2kT）為簡并化條件則發(fā)生摻雜的濃度n=0.1NC（n>0.1Nc簡并；n<0.1Nc非簡并）4電導統(tǒng)計理論散射項，影響因素散射項：2dkdr"gs影響因素：溫度和摻雜濃度。5俄歇復合，載流子的各種復合方式。解：半導體中，載流子從高能級到低能級躍遷，發(fā)送電子一空穴復合時，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，多余的能量常以聲子形式放出，這種復合稱為俄歇復合。這是一種非輻射復合。載流子各種復合過程：直接復合、間接復合、表面復合、俄歇復合。6載流子的有效質量，有效質量的物理意義解：在一般的載流子輸運問題中，可以把晶體電子（或空穴）看成是具有動量 P=nk（k是晶體電子的準動量）和能量E=P2/2m*的粒子（量子波包），即認為晶體電子是帶有質量m*的自由粒子，m*就是晶體電子的有效質量。這就是所謂準經典近似，即把晶體電子看作為具有一定有效質量的經典粒子（能量與動量的平方成正比）。但是，終究有效質量是一個量子概念，所以有效質量不同于慣性質量，它反映了晶體周期性勢場的作用（則可正可負，并可大于或小于慣性質量）。有效質量的大小與電子所處的狀態(tài)k有關，也與能帶結構有關（能帶越寬，有效質量越小）；并且有效質量只有在能帶極值附近才有意義，在能帶底附近取正值，在能帶頂附近取負值。意義：綜合了半導體內部勢場（包括周期分布的原子實和其它電子）對載流子的綜合作用；使得討論外電場作用載流子運動規(guī)律時，不需考慮內部勢場的作用7淺能級和深能級，二者各有何特點和作用解：淺能級 施主能級或受主能級，離導帶底或價帶頂很近。深能級 施主能級或受主能級，離導帶底或價帶頂都很遠的雜質。特點：1°Ed,Ea?Eg/2 多數(shù)起復合中心作用°多重能級?價電子數(shù)，一多次電離°某些雜質既可為施主，也可為受主，一兩性雜質°波爾半徑小?原子間距°靠近導帶底的可為受主（不一定是施主），靠近價帶頂?shù)目蔀槭┲鳎ú灰欢ㄊ鞘┲鳎┠芗墶；蚴巧钅芗夒s質的特點：雜質能級深，其雜質電離能較大。主要以替位式存在；雜質在禁帶中引入多個能級；有的屬于兩性雜質。如替代同一原子，則施主總在受主下方；深能級雜質的行為與雜質的電子層結構、原子大小、雜質在晶格中的位置等有關。深能級雜質起復合中心作用的原因：深能級雜質一般價電子數(shù)明顯不同于晶格原子，9局域電荷不平衡程度9晶格畸變也f―電子波函數(shù)局域化f，-實空間中對電子的束縛能力個；而忌\7kf波矢非局域化f，-易于滿足復合躍遷時的動量守恒要求。8簡述產生長縱聲學波散射的原因解：長縱聲學波傳播時荷氣體中的聲波類似，會造成原子分布的疏密變化，產生體變，即疏處體積膨脹，密處壓縮。在一個波長中，一半處于壓縮狀態(tài)，一半處于膨脹狀態(tài)，這種體變表示原子間距的減小或增大。禁帶寬度隨原子間距變化，疏處禁帶寬度減小，密度增大，使能帶結構發(fā)生波形起伏。禁帶寬帶的改變反映出導帶底和價帶頂?shù)纳吆徒档?，引起能帶極值的改變。這時，同是處于導帶底和價帶頂?shù)碾娮踊蚩昭?，在半導體的不同地點，其能量就有差別。所以，縱波引起的能帶起伏，就其對載流子的作用講，如同產生了一個附加勢場，這一附加勢場破壞了原來勢場的嚴格周期性，就使電子從K狀態(tài)散射到K’狀態(tài)。晶格振動散射的基本概念格波：晶格基本振動模式，格波矢2兀聲學波：同一原胞中兩個不等價原子振動方向相同；分為橫和縱聲學支。聲學波長波極限一連續(xù)介質中的彈性波一聲波，v?q可用聲速表示2nv=vsq9愛因斯坦關系式及其應用條件

[=土 DkT對于電子 nq 對于空穴~P=~^—Rq應用條件：非簡并情況下載流子遷移率和擴散系數(shù)直接的關系。10空間電荷區(qū)，舉例說明它是如何形成的空間電荷區(qū)：也稱耗盡層。在PN結中，由于自由電子的擴散運動和內電場導致的漂移運動，使PN結中間的部位（P區(qū)和N區(qū)交界面）產生一個很薄的電荷區(qū)，即是空間電荷區(qū)。區(qū)和N區(qū)N區(qū)一空間電空間電荷區(qū)形成：以PN結為例，當區(qū)和N區(qū)N區(qū)一空間電中原來的電中性條件破壞了。P區(qū)一側因失去空穴而留下不能移動的負離子，側因失去電子而留下不能移動的正離子。這些不能移動的帶電粒子通常稱為荷，它們集中在P區(qū)和N區(qū)交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)。粒子擴散過程和能帶結構變化：空穴的離子正離子自由電子TOC\o"1-5"\h\zO它哉五 (±)*ooe????0*0O O■Fa—?? .■oeoo°oos節(jié)0 ooP區(qū)z區(qū)(a)空間電荷區(qū)e°oeee?QO。?.*eooo。00oo00O'?0

三、 問答題（15'X2）1什么是費米能級，作圖分析不同摻雜時費米能級的變化解：費米能級是指費米子系統(tǒng)在趨于絕對零度時的化學勢。對于金屬，電子的最高占據(jù)能級就是費米能級。費米能級的物理意義是，該能級上的一個狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率是1/2。費米能級在半導體物理中是個很重要的物理參數(shù)，只要知道了他的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計分布就完全確定了。它和溫度，半導體材料的導電類型，雜質的含量以及能量零點的選取有關。0 給§E、耳 重摻雜、型輕摻雜、型本征 輕摻雜p型重搟雜p型費米能級與雜質濃度和導電類型的關系2分析MOS結構中加不同的偏壓可能對表面附近半導體能帶和載流子濃度造成的什么影響？其作用與何種表面態(tài)相當？解：表面態(tài)的概念一一晶體自由表面的存在使其周期性勢場在表面處發(fā)生中斷，引起附加能級，即表面態(tài)。表面態(tài)可看作表面最外層的原子未飽和鍵（懸掛鍵）所對應得電子能態(tài)，另外表面處還有由于晶體缺陷或吸附原子等原因引起的表面態(tài)。表面態(tài)改變了晶體周期性勢場，它和半導體內部交換電子和空穴，半導體表面狀況嚴重影響半導體器件和集成電路的電學特性，尤其是穩(wěn)定性和可靠性。表面態(tài)分為施主態(tài)和受主態(tài)。表面電場效應1、 MOS結構在不同電壓下的表面勢；2、 MOS結構表面空間電荷區(qū)的電場、電勢和電容;3、 MOS結構表面強反型的條件；4、 MOS結構深耗盡狀態(tài)表面勢及空間電荷區(qū)內電荷的分布情況隨金屬與半導體間所加電壓VG而變化，可歸納為多子堆積，耗盡，反型，深耗盡四種情況，對n型半導體，五種情況如下圖所示。（a）堆積狀態(tài)金屬與半導體間加正電壓，表面勢Vs為正值，表面處能帶向下彎曲，表面多子一電子濃度增加，這樣表面層內出現(xiàn)電子堆積。為空間電荷區(qū)電荷密度(8-1)Q=-—r00exp(qV/2kT)xexpCqV/2kT)sqL s0 s0(8-1)空間電荷區(qū)電容D

空間電荷區(qū)電容空間電荷區(qū)電場Cs=neXpW12k°T)xexpW/2k0T)空間電荷區(qū)電場DE=g-=°-eqVs/2k°T￡￡qL(8-2)(8-3)彎曲，越接近表面，E_離為電離施主濃度?？臻g電荷區(qū)電荷密度Ef越遠，導帶中電子濃度越低，表面多子耗盡，正電荷濃度近似2￡￡D1/2(8-2)(8-3)彎曲，越接近表面，E_離為電離施主濃度。空間電荷區(qū)電荷密度Ef越遠，導帶中電子濃度越低，表面多子耗盡，正電荷濃度近似2￡￡D1/2(V)/2xVI"ss(8-4)空間電荷區(qū)電容￡￡qLDf￡￡qLDf『rVqVs7XV)t/2s(8-5)空間電荷區(qū)電場(8-5)1/2V)/2s(8-5)此時，空間電荷區(qū)電容相當于平板電容器，其絕緣層厚度為耗盡層寬度。反型狀態(tài)金屬和半導體間加負電壓，且Vg<<0，表面能帶向上彎曲，表面處Ef低于E，空穴濃度超過電子濃度，表面導電類型與體內相反，叫反型層。反型層發(fā)生在近表面處，從反型層到半導體內部還夾著一層耗盡層。半導體空間電荷層內的正電荷由兩部分組成，一部分是耗盡層中已電離的施主正電荷，一部分是反型層中的空穴?；蛘邊⒖及雽w器件課