半導(dǎo)體物理復(fù)試指導(dǎo)

1、注：結(jié)合半導(dǎo)體物理季振國(guó) 編著 浙江大學(xué)出版社 重點(diǎn)看第二章 半導(dǎo)體材料的成分與結(jié)構(gòu) 第三章 晶體中電子的能帶第一章 量子力學(xué)初步1、光電效應(yīng)、康普頓散射證明電磁波除了具有波動(dòng)性外，還具有 性 ，即光具有 。2、受愛(ài)因斯坦光量子的啟發(fā)，德布羅意提出實(shí)物粒子具有 性，德布羅意波長(zhǎng)公式為 。3、寫出光子的能量與動(dòng)量。4、畫出下列方勢(shì)阱中的電子能級(jí)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(yīng)，并舉實(shí)例說(shuō)明此原理的應(yīng)用。7、什么是測(cè)不準(zhǔn)原理，并舉實(shí)例說(shuō)明此原理的應(yīng)用。第二章 半導(dǎo)體材料的成分與結(jié)構(gòu)1、什么是半導(dǎo)體材料？常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有哪些？2、畫出導(dǎo)體，半導(dǎo)體以及絕

2、緣體的能帶圖。3、常見(jiàn)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)有哪些？晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法有哪些？4、寫出正空間與倒空間的基矢關(guān)系。5、簡(jiǎn)述能帶的形成。答案第一章1、粒子性 波粒二象性 2、波動(dòng)性 3、4、電子的基態(tài)能級(jí)分布5、6、粒子能夠穿透比它能量更高勢(shì)壘的現(xiàn)象，它是粒子具有波動(dòng)性的表現(xiàn)。例如場(chǎng)致發(fā)射、掃描隧道顯微鏡7、粒子的空間位置與動(dòng)量不能同時(shí)確定，或者無(wú)法做到同時(shí)使空間位置與動(dòng)量都非常精確。例如現(xiàn)在大力發(fā)展藍(lán)光光存儲(chǔ)介質(zhì)利用此原理。第二章 1、導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，具有能帶結(jié)構(gòu)以及合適的禁帶寬度且具有負(fù)溫度系數(shù)的一類材料成為半導(dǎo)體材料。例如Si、Ge、GaAs、InSb、GaN、SiC、ZnO2、3、半

3、導(dǎo)體材料按結(jié)構(gòu)分有單晶、多晶、非晶、納米晶、團(tuán)簇、超晶格等。常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)有金剛石結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)、纖鋅礦結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)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(gè)原子相接近形成晶體時(shí)發(fā)生原子軌道的交疊并產(chǎn)生能級(jí)分裂現(xiàn)象。當(dāng)N很大時(shí)，分裂能級(jí)可看作是準(zhǔn)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(dǎo)體中電子運(yùn)動(dòng)為什么要引入"有效質(zhì)量"的概念,用電子的慣性質(zhì)量描述能帶中電子運(yùn)動(dòng)有何局限性。答：引進(jìn)有效質(zhì)量的意義在于它概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用，使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，可以不涉及半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用

4、。慣性質(zhì)量描述的是真空中的自由電子質(zhì)量，而不能描述能帶中不自由電子的運(yùn)動(dòng)，通常在晶體周期性勢(shì)場(chǎng)作用下的電子慣性運(yùn)動(dòng)，成為有效質(zhì)量2、有效質(zhì)量的正負(fù)有何物理意義？答：有效質(zhì)量的表達(dá)式，在導(dǎo)帶底附近電子的有效質(zhì)量為正值，在價(jià)帶頂附近電子的有效質(zhì)量為負(fù)值，在某些點(diǎn)電子的有效質(zhì)量為無(wú)窮大，即外力很難使這些電子的狀態(tài)發(fā)生變化。3、實(shí)驗(yàn)中如何測(cè)量電子的有效質(zhì)量？答：實(shí)驗(yàn)上可以利用帶電粒子在磁場(chǎng)中的回旋運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行有效質(zhì)量的測(cè)量。利用磁場(chǎng)中晶體對(duì)電磁波能量的共振吸收可以測(cè)量出電子的有效質(zhì)量。4、說(shuō)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(jià)帶頂附近的電子激發(fā)到導(dǎo)帶后留下的價(jià)帶空狀態(tài)，是一種為討論

5、方便而假設(shè)的粒子。5、半導(dǎo)體導(dǎo)電和金屬導(dǎo)電有何不同？答：半導(dǎo)體有兩種載流子：電子和空穴，且具有負(fù)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(zhì)，受主雜質(zhì)？施主受主對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電有何影響？并用能帶圖表征出n型、p型半導(dǎo)體。答：施主雜質(zhì)：向?qū)峁╇娮?半導(dǎo)體導(dǎo)電主要靠電子導(dǎo)電，這種半導(dǎo)體叫做n型半導(dǎo)體受主雜質(zhì)：從價(jià)帶得到電子，即向價(jià)帶提供空穴，半導(dǎo)體導(dǎo)電主要靠空穴導(dǎo)電 這種半導(dǎo)體叫做p型半導(dǎo)體N型 p型7、名詞解釋：局域態(tài) 非局域態(tài) 深能級(jí) 激子 本征半導(dǎo)體 非本征半導(dǎo)體 直接能帶 間接能帶 雜質(zhì)補(bǔ)償局域態(tài)：晶體中雜質(zhì)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(jí)非局域態(tài)：晶體能帶中的電子不在圍繞一個(gè)原子核運(yùn)動(dòng)，而是在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)深能級(jí)：半導(dǎo)體材料中某些雜質(zhì)的電子能級(jí)在禁帶中離開(kāi)價(jià)帶或者導(dǎo)帶都比較遠(yuǎn)激子：電子和空穴通過(guò)庫(kù)侖力結(jié)合在一起，形成電子空穴對(duì)本征半導(dǎo)體：有摻雜 非本征半導(dǎo)體：無(wú)摻雜直接能帶：導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在同一個(gè)波矢位置 間接能帶：導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂不在同一個(gè)波矢位置：雜質(zhì)補(bǔ)償：半導(dǎo)體中同時(shí)含有施主受主雜質(zhì)，施主上多余的電子首先要去填充受主上的空能級(jí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能由施主受主共同決定第四章 半導(dǎo)體中的電子統(tǒng)計(jì)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(nèi)的量子態(tài)數(shù)。有效狀態(tài)密度：將

7、導(dǎo)帶理解為一個(gè)電子都集中于導(dǎo)帶底、密度為的能級(jí)2、說(shuō)明費(fèi)米能級(jí)、費(fèi)米分布的物理意義答：費(fèi)米能級(jí)是0K時(shí)，電子所能占據(jù)的最高能級(jí)。費(fèi)米分布：表示能量為E的能級(jí)被占據(jù)的幾率，而表示能級(jí)空著的幾率。3、寫出半導(dǎo)體本征費(fèi)米能級(jí)、載流子濃度的表達(dá)式4、如何測(cè)量本征半導(dǎo)體的禁帶寬度？答：對(duì)于本征半導(dǎo)體材料，由本征載流子濃度可以求出半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。實(shí)驗(yàn)上可以通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體材料的載流子濃度隨溫度的變化，以ln為縱坐標(biāo)，以1/kT為橫坐標(biāo)，畫出曲線ln-，即，此曲線應(yīng)該基本上為一直線，其斜率在數(shù)值上應(yīng)該等于。5、以n型半導(dǎo)體為例說(shuō)明摻雜半導(dǎo)體載流子濃度、費(fèi)米能級(jí)隨溫度的變化。（畫圖）答：（1）當(dāng)溫度較低時(shí)

8、，半導(dǎo)體處于弱電離區(qū)，載流子增長(zhǎng)主要是雜質(zhì)能機(jī)上電子的電離，故在1區(qū)載流子濃度呈e的指數(shù)增長(zhǎng)但溫度稍高時(shí)，半導(dǎo)體進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)本征激發(fā)不是很明顯，而雜質(zhì)電離又處于飽和狀態(tài)。因而載流子對(duì)溫度變化不大當(dāng)溫度繼續(xù)升高，雜質(zhì)已完全電離，載流子的增加主要靠本征價(jià)帶的激發(fā)呈指數(shù)上升（2）隨著溫度的升高，費(fèi)米能級(jí)從雜質(zhì)能級(jí)和導(dǎo)帶之間連續(xù)變化至本征費(fèi)米能級(jí)位置。6、已知n型半導(dǎo)體內(nèi)施主濃度為，求當(dāng)時(shí)導(dǎo)帶的電子濃度。答：由于，當(dāng)時(shí)，,即雜質(zhì)能級(jí)上的施主濃度為，所以激發(fā)至導(dǎo)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(duì)溫度變化很大且濃度太低，電阻率較高而且對(duì)溫度變化很大，因此器件工作不穩(wěn)定，而且無(wú)法形成P-n結(jié)。溫度太高，本征激發(fā)掩蓋了雜質(zhì)電離，載流子濃度對(duì)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(dǎo)體材料，例如GaN，此外，可以采取重?fù)诫s的方法，但應(yīng)考慮固溶度的影響。第五章 半導(dǎo)體中的電荷輸運(yùn)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(dǎo)率有何關(guān)系？答：遷移率是單位電場(chǎng)強(qiáng)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(jié)構(gòu)（載流子有效質(zhì)量）、溫度和各種散射機(jī)構(gòu)。2、什么叫做聲學(xué)

10、波、光學(xué)波？?jī)烧哂泻尾煌穑郝晫W(xué)波：基元的整體運(yùn)動(dòng)。光學(xué)波：非共價(jià)鍵性化合物基元中原子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。聲學(xué)波：頻率較低，接近聲波頻率。光學(xué)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(jiǎn)述半導(dǎo)體的主要散射機(jī)制。答：電離雜質(zhì)散射； 隨著溫度升高，散射幾率變小。晶格振動(dòng)散射，包括聲子波和光學(xué)波散射；聲學(xué)波 ： 隨著溫度升高而增大光學(xué)波 隨著溫度變化是指數(shù)關(guān)系，對(duì)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(zhì)散射，位錯(cuò)散射，合金散射等。4、畫出本征半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體電導(dǎo)率與載流子濃度及溫度的關(guān)系圖，并以非本征半導(dǎo)體為例解釋半導(dǎo)體為什么具有負(fù)溫度系數(shù)。本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體在溫度較低時(shí)，半導(dǎo)體處于雜質(zhì)電離區(qū)，載流子濃度隨溫度增加而指數(shù)增加，同時(shí)，遷移率因載流子速度的增加也增加