半導(dǎo)體物理試卷知識(shí)點(diǎn)

一、名一、名詞解釋（本大題共5題每題4分，共20分）1.受主能級(jí)：通過(guò)受主摻雜在半導(dǎo)體的禁帶中形成缺陷能級(jí)。正常情況下，此能級(jí)為空穴所占據(jù)，這個(gè)被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)。2.直接復(fù)合：導(dǎo)帶中的電子越過(guò)禁帶直接躍遷到價(jià)帶，與價(jià)帶中的空穴復(fù)合，這樣的復(fù)合過(guò)程稱為直接復(fù)合。3.空穴：當(dāng)滿帶頂附近產(chǎn)生P0個(gè)空態(tài)時(shí)，其余大量電子在外電場(chǎng)作用下所產(chǎn)生的電流，可等效為P0個(gè)具有正電荷q和正有效質(zhì)量mp，速度為v(k)的準(zhǔn)經(jīng)典粒子所產(chǎn)生的電流，這樣的準(zhǔn)經(jīng)典粒子稱為空穴。4.過(guò)剩載流子：在光注入、電注入、高能輻射注入等條件下，半導(dǎo)體材料中會(huì)產(chǎn)生高于熱平衡時(shí)濃度的電子和空穴，超過(guò)熱平衡濃度的電子△n=n-n0和空穴△p=p-p0稱為過(guò)剩載流子。5.費(fèi)米能級(jí)與化學(xué)勢(shì)：費(fèi)米能級(jí)表示等系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，也不對(duì)外做功的情況下，系統(tǒng)中增加一個(gè)電子所引起系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)。處于熱平衡的系統(tǒng)有統(tǒng)一的化學(xué)勢(shì)。這時(shí)的化學(xué)勢(shì)等于系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)和溫度、材料的導(dǎo)電類型雜質(zhì)含量、能級(jí)零點(diǎn)選取有關(guān)。費(fèi)米能級(jí)標(biāo)志了電子填充能級(jí)水平。費(fèi)米能級(jí)位置越高，說(shuō)明較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。隨之溫度升高，電子占據(jù)能量小于費(fèi)米能級(jí)的量子態(tài)的幾率下降，而電子占據(jù)能量大于費(fèi)米能級(jí)的量子態(tài)的幾率增大。二、選擇題（本大題共5題每題3分，共15分）1．對(duì)于大注入下的直接輻射復(fù)合，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2．有3個(gè)硅樣品，其摻雜情況分別是：含鋁1×10-15cm-3乙.含硼和磷各1×10-17cm-3丙.含鎵1×10-17cm-3室溫下，這些樣品的電阻率由高到低的順序是（C）A.甲乙丙B.甲丙乙C.乙甲丙D.丙甲乙3．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)4．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（C）.A.1/n0B.1/△nC.1/p0D.1/△p5．以下4種半導(dǎo)體中最適合于制作高溫器件的是（D）.A.SiB.GeC.GaAsD.GaN三、填空：（每空2分，共20分）（1）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，屬于金剛石結(jié)構(gòu)；與Ge和Si晶格結(jié)構(gòu)類似，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閃鋅礦和纖鋅礦等兩種晶格結(jié)構(gòu)。（2）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)體稱為直接禁帶半導(dǎo)體，否則稱為間接禁帶半導(dǎo)體，那么按這種原則分類，GaAs屬于直接禁帶半導(dǎo)體。（3）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)有晶格振動(dòng)散射、電離雜質(zhì)散射、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。（4）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：帶間電子-空穴直接復(fù)合和通過(guò)禁帶內(nèi)的復(fù)合中心進(jìn)行復(fù)合。（5）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)象稱為pn結(jié)擊穿，主要的擊穿機(jī)理有兩種：雪崩擊穿和隧道擊穿。三、簡(jiǎn)答題（15分）1）當(dāng)電子和空穴的濃度是空間和時(shí)間的函數(shù)時(shí)，它們隨時(shí)間的變化率將由載流子的擴(kuò)散、漂移及其產(chǎn)生和復(fù)合所決定，由電子數(shù)、空穴數(shù)的守恒原則，試寫出載流子隨時(shí)間的凈變化率（）和（）并加以說(shuō)明。（6分）解：載流子隨時(shí)間的凈變化率（）和（）為:右邊右邊第一項(xiàng)為擴(kuò)散項(xiàng)，第二項(xiàng)為漂移項(xiàng)，第三項(xiàng)為產(chǎn)生，第四項(xiàng)為復(fù)合。注意為電場(chǎng)，是幾何空間坐標(biāo)的函數(shù)，該式為連續(xù)性方程.2）請(qǐng)描述小注入條件正向偏置和反向偏置下的pn結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)情況，寫出其電流密度方程，請(qǐng)解釋為什么pn結(jié)具有單向?qū)щ娦?？?分）解：在p-n結(jié)兩端加正向偏壓VF,VF基本全落在勢(shì)壘區(qū)上，由于正向偏壓產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，勢(shì)壘高度由平衡時(shí)的qVD下降到q(VD-VF)，耗盡區(qū)變窄，因而擴(kuò)散電流大于漂移電流，產(chǎn)生正向注入。過(guò)剩電子在p區(qū)邊界的結(jié)累，使－xTp處的電子濃度由熱平衡值n0p上升并向p區(qū)內(nèi)部擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln后，又基本恢復(fù)到n0p。在-xTp處電子濃度為n(-xTp)，同理，空穴向n區(qū)注入時(shí)，在n區(qū)一側(cè)xTn處的空穴濃度上升到p(xTn)，經(jīng)Lp后，恢復(fù)到p0n。反向電壓VR在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向一致，因而勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng)，空間電荷數(shù)量增加，勢(shì)壘區(qū)變寬，勢(shì)壘高度由qVD增高到q(VD+VR).勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng)增強(qiáng)，破壞了原來(lái)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的平衡，漂移運(yùn)動(dòng)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，在區(qū)邊界處的空穴被勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)逐向p區(qū)，p區(qū)邊界的電子被逐向n區(qū)。當(dāng)這些少數(shù)載流子被電場(chǎng)驅(qū)走后，內(nèi)部少子就來(lái)補(bǔ)充，形成了反向偏壓下的空穴擴(kuò)散電流和電子擴(kuò)散電流。（5分）電流密度方程：（2分）正向偏置時(shí)隨偏置電壓指數(shù)上升，反向偏壓時(shí)，反向擴(kuò)散電流與V無(wú)關(guān)，它正比于少子濃度，數(shù)值是很小的，因此可以認(rèn)為是單向?qū)щ?。?分）四、計(jì)算題（共3小題，每題10分，共30分）1.已知室溫時(shí)鍺的本征載流子濃度，均勻摻雜百萬(wàn)分之一的硼原子后，又均勻摻入1.442×1017cm-3的砷，計(jì)算摻雜鍺室溫時(shí)的多子濃度和少子濃度以及EF的位置。（10解：硼的濃度：NA＝4.42×1016cm-3。有效施主雜質(zhì)濃度為：ND=(14.42-4.42)1016cm-3=10室溫時(shí)下雜質(zhì)全部電離，由于有效雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于本征載流子濃度2.4×1013cm多子濃度n0＝ND＝1017cm-3少子濃度p0=ni2/n0==(2.41013)2/1017=5.76109(cm費(fèi)米能級(jí)：EF=EC+k0Tln(ND/NC)=EC+0.026ln[1017/(1.11019)]=EC-0.122(eV)2、摻有1.1×1015cm-3硼原子和9×1014cm-3磷原子的Si樣品，試計(jì)算室溫時(shí)多數(shù)載流子和少數(shù)載流子濃度及樣品的電阻率。（10分）解：對(duì)于Si：ND=9×1014cm-3；NA＝1.1×1015cm-3；T＝300K時(shí)ni=2.4×1013cm多子濃度:；少子濃度:3.由電阻率為4的p型Ge和0.4的n型Ge半導(dǎo)體組成一個(gè)p-n結(jié)，計(jì)算在室溫（300K）時(shí)內(nèi)建電勢(shì)VD和勢(shì)壘寬度xD。已知在上述電阻率下，p區(qū)的空穴遷移率n區(qū)的電子遷移率，Ge的本征載流子濃度，真空介電常數(shù)（10分）解：（2分）（2分）（3分）（3分）一、名詞解釋一、名詞解釋初基原胞：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ω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(chǎng)作用下的平均漂移速度。內(nèi)建電勢(shì)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(shì)壘，這個(gè)勢(shì)壘稱為內(nèi)建電勢(shì)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(shì)場(chǎng)及其它電子的平均勢(shì)場(chǎng)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)原子取代晶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(shuō)明能級(jí)具有收容非平衡電子的作用；若電子減少，說(shuō)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：（1×22=22分）1、在簡(jiǎn)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(méi)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)原子位于晶格原子間的位置，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(duì)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，晶格壓縮區(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?jī)?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)摻雜原子在晶格中的位置不同，可分為和雜質(zhì)。6、載流子速度隨外加電場(chǎng)強(qiáng)度線性增加，總速度包括漂移運(yùn)動(dòng)速度和隨機(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(shì)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，隨反偏電壓的增大而變寬。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。12、對(duì)于一定的半導(dǎo)體材料，電子和孔穴的濃度乘積00np只決定于溫度，和費(fèi)米能級(jí)以及雜質(zhì)無(wú)關(guān)。13、對(duì)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n0在數(shù)值上等于電離的施主濃度；在強(qiáng)電離時(shí)，電子的濃度n0為施主的摻雜濃度。14、對(duì)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。15、重?fù)诫s的簡(jiǎn)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)生共有化運(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。16、載流子在復(fù)合的過(guò)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。17、愛(ài)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(chǎng)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(jiǎn)答、簡(jiǎn)單計(jì)算題：1、一簡(jiǎn)單立方的晶格常數(shù)是5.63?，請(qǐng)計(jì)算（111）的面間距和面密度？22、請(qǐng)簡(jiǎn)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？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(chǎng)的增加，載流子漂移速度會(huì)達(dá)到飽和？答：載流子漂移速度是遷移率和電場(chǎng)的函數(shù)，當(dāng)電場(chǎng)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(chǎng)增加一定程度后，遷移率下降速度和電場(chǎng)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(guò)剩載流子密度不能隨時(shí)間持續(xù)增加？答：當(dāng)半導(dǎo)體在外加作用力下產(chǎn)生過(guò)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？答：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(duì)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(chǎng)，什么位置的電場(chǎng)最大？答：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(chǎng)。在P型區(qū)和N型區(qū)的界面處，電場(chǎng)的強(qiáng)度最大。四、問(wèn)答題：（9×2=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(shì)怎樣？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(duì)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(duì)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(wú)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(shì)何如？答：⑴PN結(jié)電容主要包括兩大類：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容⑵勢(shì)壘電容的主要影響因素有：施主、受主的