半導(dǎo)體物理習(xí)題及答案

復(fù)習(xí)思考題與自測(cè)題1.原子中的電子和晶體中電子受勢(shì)場(chǎng)作用情況以及運(yùn)動(dòng)情況有何不同,原子中內(nèi)層電子和外層電子參與共有化運(yùn)動(dòng)有何不同。答：原子中的電子是在原子核與電子庫(kù)倫相互作用勢(shì)的束縛作用下以電子云的形式存在，沒(méi)有一個(gè)固定的軌道；而晶體中的電子是在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的共有化電子，在晶體周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。當(dāng)原子互相靠近結(jié)成固體時(shí)，各個(gè)原子的內(nèi)層電子仍然組成圍繞各原子核的封閉殼層,和孤立原子一樣;然而，外層價(jià)電子則參與原子間的相互作用，應(yīng)該把它們看成是屬于整個(gè)固體的一種新的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。組成晶體原子的外層電子共有化運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，其行為與自由電子相似，稱(chēng)為準(zhǔn)自由電子，而內(nèi)層電子共有化運(yùn)動(dòng)較弱，其行為與孤立原子的電子相似。2.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。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3.一般來(lái)說(shuō),對(duì)應(yīng)于高能級(jí)的能帶較寬,而禁帶較窄,是否如此，為什么？答：不是，能級(jí)的寬窄取決于能帶的疏密程度，能級(jí)越高能帶越密，也就是越窄；而禁帶的寬窄取決于摻雜的濃度，摻雜濃度高，禁帶就會(huì)變窄，摻雜濃度低，禁帶就比較寬。4.有效質(zhì)量對(duì)能帶的寬度有什么影響，有人說(shuō):"有效質(zhì)量愈大,能量密度也愈大,因而能帶愈窄.是否如此，為什么？答：有效質(zhì)量與能量函數(shù)對(duì)于K的二次微商成反比，對(duì)寬窄不同的各個(gè)能帶，1（k）隨k的變化情況不同，能帶越窄，二次微商越小，有效質(zhì)量越大，內(nèi)層電子的能帶窄，有效質(zhì)量大；外層電子的能帶寬，有效質(zhì)量小。5.簡(jiǎn)述有效質(zhì)量與能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系；答：能帶越窄，有效質(zhì)量越大，能帶越寬，有效質(zhì)量越小。6.從能帶底到能帶頂,晶體中電子的有效質(zhì)量將如何變化？外場(chǎng)對(duì)電子的作用效果有什么不同；答：在能帶底附近，電子的有效質(zhì)量是正值，在能帶頂附近，電子的有效質(zhì)量是負(fù)值。在外電F作用下，電子的波失K不斷改變，ff=h dt dk ,其變化率與外力成正比，因?yàn)殡娮拥乃俣扰ck有關(guān)，既然k狀態(tài)不斷變化，則電子的速度必然不斷變化。7.以硅的本征激發(fā)為例,說(shuō)明半導(dǎo)體能帶圖的物理意義及其與硅晶格結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，為什么電子從其價(jià)鍵上掙脫出來(lái)所需的最小能量就是半導(dǎo)體的禁帶寬度?答：沿不同的晶向，能量帶隙不一樣。因?yàn)殡娮右獢[脫束縛就能從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)時(shí)候的能量就是最小能量，也就是禁帶寬度。2.為什么半導(dǎo)體滿帶中的少量空狀態(tài)可以用具有正電荷和一定質(zhì)量的空穴來(lái)描述?答：空穴是一個(gè)假想帶正電的粒子，在外加電場(chǎng)中，空穴在價(jià)帶中的躍遷類(lèi)比當(dāng)水池中氣泡從水池底部上升時(shí)，氣泡上升相當(dāng)于同體積的水隨氣泡的上升而下降。把氣泡比作空穴，下降的水比作電子，因?yàn)樵诔霈F(xiàn)空穴的價(jià)帶中，能量較低的電子經(jīng)激發(fā)可以填充空穴，而填充了空穴的電子又留下了一個(gè)空穴。因此，空穴在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，實(shí)質(zhì)是價(jià)帶中多電子系統(tǒng)在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的另一種描述。因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)，描述氣泡上升比描述因氣泡上升而水下降更為方便。所以在半導(dǎo)體的價(jià)帶中，人們的注意力集中于空穴而不是電子。3.有兩塊硅單晶,其中一塊的重量是另一塊重量的二倍.這兩塊晶體價(jià)帶中的能級(jí)數(shù)是否相等，彼此有何聯(lián)系？答：相等，沒(méi)任何關(guān)系4.為什么極值附近的等能面是球面的半導(dǎo)體,當(dāng)改變磁場(chǎng)方向時(shí)只能觀察到一個(gè)共振吸收峰。答：各向同性。5.金剛石晶體結(jié)構(gòu)和閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的晶向?qū)ξ锢硇再|(zhì)的影響。6.典型半導(dǎo)體的帶隙。一般把禁帶寬度等于或者大于2.3ev的半導(dǎo)體材料歸類(lèi)為寬禁帶半導(dǎo)體，主要包括金剛石，SiC，GaN,金剛石等。26族禁帶較寬，46族的比較小，如碲化鉛，硒化鉛（0.3ev），35族的砷化鎵（1.4ev）。第二章1.說(shuō)明雜質(zhì)能級(jí)以及電離能的物理意義。為什么受主、施主能級(jí)分別位于價(jià)帶之上或?qū)е?而且電離能的數(shù)值較??？答：被雜質(zhì)束縛的電子或空穴的能量狀態(tài)稱(chēng)為雜質(zhì)能級(jí)，電子脫離雜質(zhì)的原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過(guò)程成為雜質(zhì)電離，使這個(gè)多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的能量成為雜質(zhì)電離能。雜質(zhì)能級(jí)離價(jià)帶或?qū)Ф己芙?，所以電離能數(shù)值小。2.純鍺,硅中摻入III或Ⅴ族元素后,為什么使半導(dǎo)體電學(xué)性能有很大的改變？雜質(zhì)半導(dǎo)體(p型或n型)應(yīng)用很廣,但為什么我們很強(qiáng)調(diào)對(duì)半導(dǎo)體材料的提純?答：因?yàn)閾饺隝II或Ⅴ族后，雜質(zhì)產(chǎn)生了電離，使得到導(dǎo)帶中得電子或價(jià)帶中得空穴增多，增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。極微量的雜質(zhì)和缺陷，能夠?qū)Π雽?dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，，當(dāng)然，也嚴(yán)重影響著半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。3.把不同種類(lèi)的施主雜質(zhì)摻入同一種半導(dǎo)體材料中,雜質(zhì)的電離能和軌道半徑是否不同?把同一種雜質(zhì)摻入到不同的半導(dǎo)體材料中(例如鍺和硅),雜質(zhì)的電離能和軌道半徑又是否都相同？答：不相同4.何謂深能級(jí)雜質(zhì)，它們電離以后有什么特點(diǎn)？答：雜質(zhì)電離能大，施主能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底，受主能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶頂。特點(diǎn)：能夠產(chǎn)生多次電離，每一次電離相應(yīng)的有一個(gè)能級(jí)。5.為什么金元素在鍺或硅中電離后可以引入多個(gè)施主或受主能級(jí)？答：因?yàn)榻鹗巧钅芗?jí)雜質(zhì)，能夠產(chǎn)生多次電離，每一次電離相應(yīng)的有一個(gè)能級(jí)，因此，金在硅鍺的禁帶往往能引入若干個(gè)能級(jí)。6.說(shuō)明摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響。答：在純凈的半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)后，可以控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。摻雜半導(dǎo)體又分為n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。例如，在常溫情況下，本征Si中的電子濃度和空穴濃度均為1.5╳1010cm-3。當(dāng)在Si中摻入1.0╳1016cm-3后，半導(dǎo)體中的電子濃度將變?yōu)?.0╳1016cm-3，而空穴濃度將近似為2.25╳104cm-3。半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是電子，而少數(shù)載流子是空穴。7.說(shuō)明半導(dǎo)體中淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)的作用有何不同？答：深能級(jí)雜質(zhì)在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心或陷阱的作用。淺能級(jí)雜質(zhì)在半導(dǎo)體中起施主或受主的作用8.什么叫雜質(zhì)補(bǔ)償，什么叫高度補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體，雜質(zhì)補(bǔ)償有何實(shí)際應(yīng)用。答：當(dāng)半導(dǎo)體中既有施主又有受主時(shí)，施主和受主將先相互抵消，剩余的雜志最后電離，這就是雜質(zhì)補(bǔ)償，若施主電子剛好填充受主能級(jí)，雖然雜質(zhì)很多，但不能向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴，這種現(xiàn)象稱(chēng)為雜質(zhì)的高度補(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。9.什么是半導(dǎo)體的共摻雜答：摻入兩種或兩種元素以上10.用氫原子模型計(jì)算雜質(zhì)電離能第三章1.半導(dǎo)體處于怎樣的狀態(tài)才能叫處于熱平衡狀態(tài)，其物理意義如何？載流子激發(fā)和載流子復(fù)合之間建立起動(dòng)態(tài)平衡時(shí)稱(chēng)為熱平衡狀態(tài)，這時(shí)電子和空穴的濃度都保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，處在這中狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱(chēng)為熱平衡載流子。2.什么是能量狀態(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)。3.什么叫統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)，費(fèi)米分布和玻耳茲曼分布的函數(shù)形式有何區(qū)別？在怎樣的條件下前者可以過(guò)渡到后者，為什么半導(dǎo)體中載流子分布可以用玻耳茲曼分布描述？統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)描述的事熱平衡狀態(tài)下電子在允許的量子態(tài)如何分布的一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)。當(dāng)E-EF>>kT時(shí)，前者可以過(guò)度到后者。4.說(shuō)明費(fèi)米能級(jí)的物理意義，根據(jù)費(fèi)米能級(jí)位置如何計(jì)算半導(dǎo)體中電子和空穴濃度，如何理解費(fèi)米能級(jí)是摻雜類(lèi)型和摻雜程度的標(biāo)志。費(fèi)米能級(jí)的意義：當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，也不對(duì)外界做功的情況下，系統(tǒng)增加一個(gè)電子所引起的系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學(xué)能。n型摻雜越高，電子濃度越高，EF就越高。5.在半導(dǎo)體計(jì)算中,經(jīng)常應(yīng)用這個(gè)條件把電子從費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)計(jì)過(guò)渡到玻耳茲曼統(tǒng)計(jì),試說(shuō)明這種過(guò)渡的物理意義。E-EF>>kT時(shí)，量子態(tài)為電子占據(jù)的概率很小，適合于波爾茲曼分布函數(shù)，泡利原理失去作用，兩者統(tǒng)計(jì)結(jié)果變得一樣了。6.寫(xiě)出半導(dǎo)體的電中性方程，此方程在半導(dǎo)體中有何重要意義？電子濃度等于空穴濃度。意義：平衡狀態(tài)下半導(dǎo)體體內(nèi)是電中性的。7.半導(dǎo)體本征載流子濃度的表達(dá)式及其費(fèi)米能級(jí)載流子濃度：ni=n0p0=(NcNv)1/2exp(-Eg/2kT)費(fèi)米能級(jí)：Ei=Ef=（EcEv）/2(3kT/4)*ln(mp/mn)8.若n型硅中摻入受主雜質(zhì),費(fèi)米能級(jí)升高還是降低？若溫度升高當(dāng)本征激發(fā)起作用時(shí),費(fèi)米能級(jí)在什么位置，為什么？費(fèi)米能級(jí)降低了。費(fèi)米能級(jí)在本征費(fèi)米能級(jí)以上。9.如何理解分布函數(shù)與狀態(tài)密度的乘積再對(duì)能量積分即可求得電子濃度？根據(jù)公式和常識(shí)，必然是這樣。10.為什么硅半導(dǎo)體器件比鍺器件的工作溫度高？硅的禁帶寬度比鍺大，且在相同溫度下，鍺的本征激發(fā)強(qiáng)于硅，很容易就達(dá)到較高的本征載流子濃度，使器件失去性能。11.當(dāng)溫度一定時(shí),雜質(zhì)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)主要由什么因素決定？試把強(qiáng)n,弱n型半導(dǎo)體與強(qiáng)p,弱p半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)與本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)比較。決定因素：摻雜濃度，摻雜能級(jí)，導(dǎo)帶的電子有效態(tài)密度等。費(fèi)米能級(jí)比較：強(qiáng)n>弱n>本征>弱p>強(qiáng)p12.如果向半導(dǎo)體中重?fù)绞┲麟s質(zhì),就你所知會(huì)出現(xiàn)一些什么效應(yīng)？費(fèi)米能級(jí)深入到