大连理工大学半导体物理作业2016参考(答案第二版)

1、第一次作业1、 区别于半导体器件，功率半导体器件的特点有哪些？1）能处理电功率的大小，即承受电压和电流 的能力是其最重要的参数其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件电力电子器件一般都工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定2）阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定电力电子器件的动态特性（开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替有时将其称之为电力电子开关或电力半导体开关。3）电力电子器件往

2、往需要由信息电子电路来控制在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行适当放大，这就是电力电子器件的驱动电路(Driving Circuit）4）为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗，阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗，在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。2、 列出几种常用的电力电子器件，写出英文全称和缩写。功率二极管 Power Diode 可控硅整流器 Silicon Controlled Rectifier,

3、SCR 门极可关断晶闸管 Gate Turn Off Thyristor, GTO集成门极换流晶闸管 Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT绝缘栅双极性晶体管 Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT3、 什么是理想开关？画出表明其通断过程的电流和电压波形。 关断时可承受正、反向电压（越高越好） 开通时可流过正、反向电流（越大越好） 开通态、关断态均无损耗，状态转换过程无损耗，状态转换过程快速完成（越快越好） 开关寿命长（允许的开关次数越多越好）与下面的图相比，波形是直上直下的，没有过渡过程。第二次作业1、确定

4、晶胞中的原子数：（a）面心立方；（b）体心立方；(c)金刚石晶格。面心立方：体心立方：金刚石晶格：2、计算如下平面硅原子的面密度：（a）（100），（b）（110），（c）（111）。3、金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，求原子密度。8/a34、半导体的电阻率？表征物体的导电能力，电导率倒数5、什么是晶体？晶体主要分几类？6、什么是晶格？什么是原胞、晶胞？为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空间点阵成为晶格。原胞：能够完整反映晶体内部原子或离子在三维空间分布的平行六面体单元。晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。第三次作业1、整理空带、满带、半满带、价带、导带、

5、禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概念。 2、简述空穴的概念。空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位。3、从能带的角度区别导体、绝缘体和半导体4、本征半导体、杂质半导体、施主杂质、受主杂质、施主能级、受主能级本征半导体：没有掺入杂质的纯净半导体杂质半导体: 掺入杂质的纯净半导体施主（Donor）杂质: 比晶格主体原子多一个价电子的替位式杂质。它们在适当的温度下能够释放多余的价电子而在半导体中产生非本征自由电子并使自身电离。受主（accepter）杂质: 比晶格主体原子少一个价电子的替位式杂质。它们在适当的温度下能够向价带释放空穴而在半导体中产生非本

6、征自由空穴并使自身电离。 施主能级: 被施主杂质束缚的电子的能量状态，叫做施主能级受主能级：被受主杂质束缚的空穴的能量状态，叫做受主能级5、半导体中的导电粒子有哪些？解释杂质半导体中的多子和少子。自由电子与空穴P型中。N型中。 6、如何理解杂质半导体对外呈电中性？ 7、如何把本征硅变成N型硅。第四次作业8、本征半导体的能带特征，画出本征半导体的能带图本征情况下的费米EF能级，基本上相当于禁带的中线（略微偏离中线），且n=p9、本征半导体平衡时载流子浓度之间的关系10、非本征半导体平衡时载流子浓度之间的关系11、费米能级随掺杂浓度是如何变化的？随温度是如何变化的？N型半导体时：P型半导体时：一定

7、ND时，温度T越高，EF越向本征费米能级Ei方向靠近。12、电离能的概念基态原子或离子失去一个电子所需要的最小能量13、当E-EF为1.5 kT，4 kT, 10 kT时，分别用费米分布函数和玻耳兹曼分布函数计算电子占据各该能级的概率。第五次作业14、对于某n型半导体，试证明其费米能级在其本征半导体的费米能级之上。即EFn>EFi。15、试分别定性定量说明：（1）在一定的温度下，对本征材料而言，材料的禁带宽度越窄，载流子浓度越高；（2）对一定的材料，当掺杂浓度一定时，温度越高，载流子浓度越高。(1) 在一定的温度下，对本征材料而言，材料的禁带宽度越窄，则跃迁所需的能量越小，所以受激发的载

8、流子浓度随着禁带宽度的变窄而增加。由公式：也可知道，温度不变而减少本征材料的禁带宽度，上式中的指数项将因此而增加，从而使得载流子浓度因此而增加。（2）对一定的材料，当掺杂浓度一定时，温度越高，受激发的载流子将因此而增加。由公式可知，这时两式中的指数项将因此而增加，从而导致载流子浓度增加。16、若两块Si样品中的电子浓度分别为2.25×1010cm-3和6.8×1016cm-3，试分别求出其中的空穴的浓度和费米能级的相对位置，并判断样品的导电类型。假如再在其中都掺入浓度为2.25×1016cm-3的受主杂质，这两块样品的导电类型又将怎样？解：由 得： 可见，又因为

9、，则假如再在其中都掺入浓度为2.25×1016cm-3的受主杂质，那么将出现杂质补偿，第一种半导体补偿后将变为p型半导体，第二种半导体补偿后将近似为本征半导体。答：第一种半导体中的空穴的浓度为1.1x1010cm-3,费米能级在价带上方0.234eV处；第一种半导体中的空穴的浓度为3.3x103cm-3,费米能级在价带上方0.331eV处。掺入浓度为2.25×1016cm-3的受主杂质后，第一种半导体补偿后将变为p型半导体，第二种半导体补偿后将近似为本征半导体。17、Si样品中的施主浓度为4.5×1016cm-3，试计算300K时的电子浓度和空穴浓度各为多少？解：

10、在300K时，因为ND>10ni，因此杂质全电离n0=ND4.5×1016cm-3答： 300K时样品中的的电子浓度和空穴浓度分别是4.5×1016cm-3和5.0×103cm-3。18、什么是载流子的漂移运动？什么是载流子的扩散运动？漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。19、何谓迁移率？影响迁移率的主要因素有哪些？ 迁移率m：为单位电场作用下载流子获得平均速度，反映了载流子在电场作用下输运能力，是反映半导体及其器件导电能力的

11、重要参数。单位：cm2/Vs。不同的半导体材料的迁移率不同，不同类型的载流子迁移率不同其影响因素与散射模式相关（电离杂质散射，晶格散射）20、漂移运动和扩散运动有什么不同？漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动，而扩散运动是由于浓度分布不均匀导致载流子从浓度高的地方向浓度底的方向的定向运动。前者的推动力是外电场，后者的推动力则是载流子的分布引起的。21、漂移运动与扩散运动之间有什么联系？非简并半导体的迁移率与扩散系数之间有什么联系？解：漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系。而非简并半导体的迁移率与扩散系数则通过爱因斯坦关系相联系，二者的比值与温度成反比关系。即22、截面积为

12、0.6cm2、长为1cm的 n型GaAs样品，设un=8000 cm2/( V·S),n=1015cm-3，试求样品的电阻。23、300K时，Ge的本征电阻率为47Wcm，如电子和空穴迁移率分别为3900cm2/( V.S)和1900cm2/( V.S)。 试求Ge 的载流子浓度。第六次作业24、试计算本征Si在室温时的电导率，设电子和空穴迁移率分别为1350cm2/( V.S)和500cm2/( V.S)。当掺入百万分之一的As后，设杂质全部电离，试计算其电导率。比本征Si的电导率增大了多少倍？300K时，室温下Si的本征载流子浓度约为。杂质全部电离后，这种情况下，多子的迁移率为8

13、00 cm2/( V.S)25、 热平衡半导体(没有电流)的施主杂质浓度在范围内呈指数变化：其中为常数。（a）求范围 内的电场分布函数；（b）求处和处之间的电势差。26、500g的Si单晶，掺有4.5´10-5g 的B ，设杂质全部电离，试求该材料的电阻率mp=500cm2/( V.S),硅单晶密度为2.33g/cm3,B原子量为10.8。27、空间电荷区或称耗尽区？空间电荷区也称耗尽层，在PN结中，由于自由电子的扩散运动和内电场导致的漂移运动，使PN结中间的部位(P区和N区交界面)产生一个很薄的电荷区,它就是空间电荷区。28、空间电荷区的内建电场？电子和空穴的转移在N型和P型各边分

14、别留下没有载流子补偿的固定的施主离子和受主离子。结果建立了两个空间电荷层。这些荷电的施主离子和受主离子称为空间电荷，空间电荷所在的区称为空间电荷区，空间电荷区内形成的电场就称为内建电场。29、 空间电荷区的内建电势差？平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差，称为pn结的接触电势差或内建电势差第七次作业30、 P-N的反偏状态？ P区接负，N区接正，外加电场与内建电场方向相同31、何谓P-N结正偏？并叙述P-N结外加正偏电压时，会出现何种情况？外加电场与内建电场方向相反，空间电荷区中的电场减弱，势垒区宽度变窄，势垒高度变低，破坏扩散与漂移运动间的平衡，扩散运动 强于 漂移运动，注入少子（非平衡载流子的电注入 ），注入的少子边扩散边复合32、空间电荷区的宽度？34、结空间电荷区边界分别为和，利用导出一般情况下的表达式。（课件中有推导）35、热平衡时净电子电流或净空穴电流为零，用此方法推导方程。36、根据修正欧姆定律和空穴扩散电流公式证明，在外加正向偏压作用下，结侧空穴扩散区准费米能级的改变量为。37、 硅突变结二极管的掺