半导体物理题库

《半导体物理学》2014年一、选择题1、锗的晶格结构和能带结构分别是（C）。A.金刚石型和直接禁带型B.闪锌矿型和直接禁带型C.金刚石型和间接禁带型D.闪锌矿型和间接禁带型2、简并半导体是指（A）的半导体。…E-W0B、（EC-EF）或（EF-EV）三0C、能使用玻耳兹曼近似计算载流子浓度D、导带底和价带顶能容纳多个状态相同的电子3、在某半导体掺入硼的浓度为1014cm-3,磷为1015cm-3,则该半导体为（B）半导体A.本征B.9型，C.p型4、如果杂质既有施主的作用又有受主的作用，则这种杂质称为（D）。A.施主B.受主C.复合中心D.两性杂质5、一块半导体寿命t=15Ns,光照在材料中会产生非平衡载流子，光照突然停止30k后，其中非平衡载流子将衰减到原来的（C）。A.1/4；B.1/e；C.1/e2；D.1/26、在纯的半导体硅中掺入硼，在一定的温度下，当掺入的浓度增加时，费米能级向（A）移动.A.Ev；B.Ec；C.Ei；D.EF7、把磷化镓在氮气中退火，会有氮取代部分的磷，这会在磷化镓中出现（D）。A.改变禁带宽度；B.产生复合中心；C.产生空穴陷阱；D.产生等电子陷阱。8、对于大注入下的直接复合，非平衡载流子的寿命不再是个常数，它与（C）。A.非平衡载流子浓度成正比；B.平衡载流子浓度成正比；C.非平衡载流子浓度成反比；D.平衡载流子浓度成反比。9、杂质半导体中的载流子输运过程的散射机构中，当温度升高时，电离杂质散射的概率和晶格振动声子的散射概率的变化分别是（B）。A.变大，变小；B.变小，变大；C.变小，变小；D.变大，变大。10、在磷掺杂浓度为2X10i6cm-3的硅衬底（功函数约为4.25eV）上要做出欧姆接触，下面四种金属最适合的是（A）。A.In（Wm=3.8eV）；B.Cr（Wm=4.6eV）；C.Au（Wm=4.8eV）；D.Al（Wm=4.2eV）。11、根据费米分布函数，电子占据（E+kT）能级的几率B。"FA.等于空穴占据（EF+kT）能级的几率B.等于空穴占据（EF—kT）能级的几率C.大于电子占据4的几率D.大于空穴占据4的几率

12、有效陷阱中心的位置靠近DA.导带底B.禁带中线C价带顶D.费米能级13、对于只含一种杂质的非简并9型半导体，费米能级Ef随温度上升而」—A.单调上升B.单调下降"C.经过一极小值趋近ED.经过一极大值趋近E14、若某半导体导带中发现电子的几率为零，则该半导体必定_D_。A.不含施主杂质B.不含受主杂质C．、不C．、不名含任词何杂解质释D.处于绝对零度1、金刚石型结构：金刚石结构是一种由相同原子构成的复式晶体，它是由两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。每个原子周围都有4个最近邻的原子，组成一个正四面体结构。2、闪锌矿型结构：闪锌矿型结构的晶胞，它是由两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。3、迁移率：单位电场作用下，载流子获得的平均定向运动速度，反映了载流子在电场作用下的输运能力，是半导体物理中重要的概念和参数之一。迁移率的表达式为：D=qT/m*。可见，有效质量和弛豫时间（散射）是影响迁移率的因素。4、施主能级：通过施主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级，被施主杂质束缚的电子能量状态称为施主能级。5、费米面：将自由电子的能量E等于费米能级Ef的等能面称为费米面。6、、点缺陷：是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。包括：间隙原子和空位是成对出现的弗仓克耳缺陷和只在晶体内形成空位而无间隙原子的肖特基缺陷。7、受主能级：通过受主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级，被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。8、载流子的漂移：在外加电压时，导体或半导体内的载流子受电场力的作用，做定向运动。9、本征载流子：就是本征半导体中的载流子（电子和空穴），即不是由掺杂所产生出来的。10、热载流子：比零电场下的载流子具有更高平均动能的载流子。11、陷阱效应：杂质能级积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效应。12、回旋共振：一些物质如半导体中的载流子在一定的恒定磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振。三、简答题1、解释什么是Schottky接触和欧姆接触，并画出它们相应的I-V曲线？（8分）答：金属与中、低掺杂的半导体材料接触，在半导体表面形成多子的势垒即阻挡层，其厚度随加在金属上的电压改变而变化，这样的金属和半导体的接触称为Schottky接触。（2分）

Schottky势垒接触的I-V特性欧姆接触的I-V特性2、试比较半导体中浅能级杂质和深能级杂质对其电学参数的影响，并说明它们在实践中的不同应用。答：在常温下浅能级杂质可全部电离，可显著地改变载流子的浓度，从而影响半导体材料的电导率。深能级杂质在常温下，较难电离，并且和浅能级杂质相比，掺杂浓度不高，故对载流子的浓度影响不大，但在半导体中可以起有效的复合中心或陷阱作业，对载流子的复合作用很强。所以，在实际的应用中，通过浅能级杂质调节载流子的浓度、电阻率，改变材料的导电类型；而通过深能级杂质提供有效的复合中心，提高器件的开关速度。3、对于掺杂的元素半导体Si、Ge中，一般情形下对载流子的主要散射机构是什么？写出其主要散射机构所决定的散射几率和温度的关系。（4分）答：对掺杂的元素半导体材料Si、Ge，其主要的散射机构为长声学波散射（1分）和电离杂质散射其散射几率和温度的关系为：声学波散射：P*T3/2，电离杂质散射：P*NT-夕2.sii4、试画出中等掺杂的Si的电阻率随温度变化的曲线，并分析解释各段对应的原因和特点。解：（2（2分）电阻率随温度的变化分三个阶段：AB：本征激发可忽略。温度升高，载流子浓度增加，杂质散射导致迁移率也升高，故电阻率P随温度T升高下降；（2分）BC：杂质全电离，以晶格振动散射为主。温度升高，载流子浓度基本不变。晶格振动散射导致迁移率下降，故电阻率P随温度T升高上升；（2分）CD：本征激发为主。晶格振动散射导致迁移率下降，但载流子浓度升高很快，故电阻率P随温度T升高而下降；（2分）5、一般来说,对应于高能级的能带较宽而禁带较窄是否如此，为什么？答：不是，能级的宽窄取决于能带的疏密程度，能级越高能带越密，也就是越窄；而禁带的宽窄取决于掺杂的浓度，掺杂浓度高，禁带就会变窄，掺杂浓度低，禁带就比较宽。6、简述有效质量与能带结构的关系？答：能带越窄，有效质量越大，能带越宽，有效质量越小。7、试分析实际半导体与理想半导体之间的区别。并解释为什么杂质和缺陷会对半导体的性能产生重大影响。答：原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动；半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质；实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在各种形式的缺陷。由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态。正是由于杂质和缺陷能够在禁带中引入能级，才使它们对半导体的性质产生决定性的影响。8、为什么半导体满带中的少量空状态可以用具有正电荷和一定质量的空穴来描述?答：空穴是一个假想带正电的粒子，在外加电场中，空穴在价带中的跃迁类比当水池中气泡从水池底部上升时，气泡上升相当于同体积的水随气泡的上升而下降。把气泡比作空穴，下降的水比作电子，因为在出现空穴的价带中，能量较低的电子经激发可以填充空穴，而填充了空穴的电子又留下了一个空穴。因此，空穴在电场中运动，实质是价带中多电子系统在电场中运动的另一种描述。因为人们发现，描述气泡上升比描述因气泡上升而水下降更为方便。所以在半导体的价带中，人们的注意力集中于空穴而不是电子。9、什么叫杂质补偿，什么叫高度补偿的半导体，杂质补偿有何实际应用？答：当半导体中既有施主又有受主时，施主和受主将先相互抵消，剩余的杂志最后电离，这就是杂质补偿，若施主电子刚好填充受主能级，虽然杂质很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴，这种现象称为杂质的高度补偿。利用杂质补偿效应，可以根据需要改变半导体中某个区域的导电类型，制造各种器件。10、半导体处于怎样的状态才能叫处于热平衡状态，其物理意义如何？答：载流子激发和载流子复合之间建立起动态平衡时称为热平衡状态，这时电子和空穴的浓度都保持一个稳定的数值，处在这中状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。四、计算题1在一个均匀的n型半导体的表面的一点注入少数载流子空穴。在样品上施加一个50V/cm的电场，在电场力的作用下这些少数载流子在100us的时间内移动了1cm，求少数载流子的漂移速率、迁移率和扩散系数。（kT=0.026eV）1cm解：在电场下少子的漂移速率为：v==104cm/s100四s

1045010450cm22掺杂浓度为ND=10i6cm-3的n型单晶硅材料和金属Au接触，忽略表面态的影响，已知：WAu=5.20eV,xn=4.0eV,Nc=1019cm-3,ln103=6.9在室温下kT=0.026eV,半导体介电常数er=12,£0=8.854X10-12F/m,q=1.6X10-i9库，试计算：（4+4+4=12分）⑴半导体的功函数；（4分）⑵在零偏压时,半导体表面的势垒高度,并说明是哪种形式的金半接触,半导体表面能带的状态；⑶半导体表面的势垒宽度。（4分）一一，Ec—E、TOC\o"1-5"\h\z解：⑴由N=n=Ncexp（一--一f）得：（1分）D0kTNc1019Ec-E=kTln——=0.026ln=0.18eVFN1016（1分）D・.・Ws=%+（Ec-E）=4.18eVSF⑵在零偏压下,半导体表面的势垒高度为：qVD=Wm-Ws=5.20-4.18=1.02eV对9型半导体，因为Wm>Ws,所以此时的金半接触是阻挡层（或整流）接触（1分），半导体表面能带向上弯曲（或：直接用能带图正确表示出能带弯曲情况）（1分）。⑶势垒的宽度为：TOC\o"1-5"\h\z,288V、八、d=（——r0D）1/2（2分）qND2x12x8.85x10-14x1.02、=（）1/21.6x10-19x1016=3.7x10一5（cm）3、设晶格常数为a的一维晶格，导带极小值附近能量Ec（k）和价带极大值附近能量EV（k）分别为：h2k2h2(k-k)2h2k23h2k2E=+^,E(k)=1TOC\o"1-5"\h\zc3mmV6mm0000兀m为电子惯性质量，k=一,a=0.314nm。试求:01a（1）禁带宽度;（2）导带底电子有效质量;

（3）价带顶电子有效质量;（4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化解：（1）导带：由2n2k+2n2(k-kJ=0-m0得：k=—k2n22n22n28n2—―+——=>0-mm-m000又因为:夕Edk23所以：在k=-k处，比取极小值价带：dE—Vdk6价带：dE—Vdk6n2k=0得k=o又因为m0d2EVdk2处＜0,所以k=0处，E取极大值mV0因此：Eg因此：Eg-=E(—k)-E(0)=C44=0.64eV12m0(2)m*nCn2d(2)m*nCn2d2ECdk2k=14ki(3)m*nVn2d2EVdk2k=0]（4）准动量的定义：夕=nk-所以：m=(nk)-(nk)=n-k—0=7.95X10-25N/s-k=041k=k414、设E—Ef分别为3k°T,分别用费米分布函数和玻尔兹曼分布函数计算电子占据该能级的f（f（E）=解：费米分布函数为1+e(E-EF)/k0T,当E—E等于3kT时，f=0.047

F0

E一E一F,玻耳兹曼分布函数为fB(E)=e",，当E—EF等于3k0T时，f=0.050上述结果显示在费米能级附近费米分布和玻耳兹曼分布有一定的差距。n=2.1x1013cm-35、已知室温时锗的本征载流子浓度i，均匀掺杂百万分之一的硼原子后，又均匀掺入1.442*10叱m-3的砷，计算掺杂锗室温时的多子浓度和少子浓度以及EF的位置。解：硼的浓度：NA=4.42X10i6cm-3。有效施主杂质浓度为：,=(14.42-4.42)x10i6cm-3=10i7cm-3室温时下杂质全部电离，由于有效杂质浓度远大于本征载流子浓度2.4X10i3cm-3,锗半导体处于饱和电离区。多子浓度n0=ND=10i7cm-3少子浓度p0=n.2/n0==(2.4x10i3)2/10i7=5.76x109(cm-3)费米能级：EF=Ec+k0Tln(ND/Nc)=EC+0.0261n[10i7/(1.1x10i9)]=EC-0.122(eV)6、掺有1.1X1016cm-3硼原子和9X1015cm-3磷原子的Si样品，试计算室温时多数载流子和NA=1.0X1015cm-3；T=300K少数载流子浓度及样品的电阻率。(对于Ge：ND=1.2X1015cm-3；时nNA=1.0X1015cm-3；T=300Kn々〜济洋n=N一N=2x1014cm-3解：多子浓度:0DAn2(2.4x1013)2p=-i-=cm-3=2.88x1012cm-3P=nq日+pq日

np