半導(dǎo)體物理試卷知識點(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：通過受主摻雜在半導(dǎo)體的禁帶中形成缺陷能級。正常情況下，此能級為空穴所占據(jù)，這個被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級。2.直接復(fù)合：導(dǎo)帶中的電子越過禁帶直接躍遷到價(jià)帶，與價(jià)帶中的空穴復(fù)合，這樣的復(fù)合過程稱為直接復(fù)合。3.空穴：當(dāng)滿帶頂附近產(chǎn)生P0個空態(tài)時(shí)，其余大量電子在外電場作用下所產(chǎn)生的電流，可等效為P0個具有正電荷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)體材料中會產(chǎn)生高于熱平衡時(shí)濃度的電子和空穴，超過熱平衡濃度的電子△n=n-n0和空穴△p=p-p0稱為過剩載流子。5.費(fèi)米能級與化學(xué)勢：費(fèi)米能級表示等系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，也不對外做功的情況下，系統(tǒng)中增加一個電子所引起系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學(xué)勢。處于熱平衡的系統(tǒng)有統(tǒng)一的化學(xué)勢。這時(shí)的化學(xué)勢等于系統(tǒng)的費(fèi)米能級。費(fèi)米能級和溫度、材料的導(dǎo)電類型雜質(zhì)含量、能級零點(diǎn)選取有關(guān)。費(fèi)米能級標(biāo)志了電子填充能級水平。費(fèi)米能級位置越高，說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)合中心的能級必靠近(A)A.禁帶中部B.導(dǎo)帶C.價(jià)帶D.費(fèi)米能級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，常見的Ge和Si材料，其原子均通過共價(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)過程中，會受到各種散射機(jī)構(gòu)的散射，主要散射機(jī)構(gòu)有晶格振動散射、電離雜質(zhì)散射、中性雜質(zhì)散射、位錯散射、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，是幾何空間坐標(biāo)的函數(shù)，該式為連續(xù)性方程.2）請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)動情況，寫出其電流密度方程，請解釋為什么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基本全落在勢壘區(qū)上，由于正向偏壓產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場方向相反，勢壘區(qū)的電場強(qiáng)度減弱，勢壘高度由平衡時(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)過一個擴(kuò)散長度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在勢壘區(qū)產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場方向一致，因而勢壘區(qū)的電場增強(qiáng)，空間電荷數(shù)量增加，勢壘區(qū)變寬，勢壘高度由qVD增高到q(VD+VR).勢壘區(qū)電場增強(qiáng)增強(qiáng)，破壞了原來載流子擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的平衡，漂移運(yùn)動大于擴(kuò)散運(yùn)動。這時(shí)，在區(qū)邊界處的空穴被勢壘區(qū)電場逐向p區(qū)，p區(qū)邊界的電子被逐向n區(qū)。當(dāng)這些少數(shù)載流子被電場驅(qū)走后，內(nèi)部少子就來補(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：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p-n結(jié)，計(jì)算在室溫（300K）時(shí)內(nèi)建電勢VD和勢壘寬度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)遇到一個勢壘，這個勢壘稱為內(nèi)建電勢差。單電子近似：假設(shè)每個電子是在周期排列且固定不動的原子核勢場及其它電子的平均勢場中運(yùn)動，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：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原子上，可以由一個原子轉(zhuǎn)移到相臨的原子上去，電子在整個晶體上運(yùn)動，該運(yùn)動叫電子的共有化運(yùn)動。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)能級上的發(fā)生改變。如果電子增加，說明能級具有收容非平衡電子的作用；若電子減少，說明能級具有收容空穴的作用，雜質(zhì)能級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、在簡并半導(dǎo)體中，由于電子的共有化運(yùn)動而導(dǎo)致電子不再屬于某一個原子而是在晶體中作共有化運(yùn)動，分裂的每個能帶稱為允帶，其相互之間因沒有能級稱為禁帶。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產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。在棱位錯的周圍會導(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強(qiáng)度線性增加，總速度包括漂移運(yùn)動速度和隨機(jī)熱運(yùn)動速度兩者之和。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，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)動形式的構(gòu)成。12、對于一定的半導(dǎo)體材料，電子和孔穴的濃度乘積00np只決定于溫度，和費(fèi)米能級以及雜質(zhì)無關(guān)。13、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、對于基體材料一定的n型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級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，從而使孤立的雜質(zhì)能級擴(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)動的難易程度。三、簡答、簡單計(jì)算題：1、一簡單立方的晶格常數(shù)是5.63?，請計(jì)算（111）的面間距和面密度？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？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)能級遠(yuǎn)離費(fèi)米能級時(shí)，能級被電子占據(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，載流子漂移速度會達(dá)到飽和？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？答：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？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)會有電場，什么位置的電場最大？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。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：（9×2=18分）1、在半導(dǎo)體材料中，費(fèi)米能級的位置受那些因素的影響，變化趨勢怎樣？答：⑴在半導(dǎo)體材料中，費(fèi)米能級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，載流子的濃度都會隨溫度的增加向本征費(fèi)米能級移動。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？答：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