半导体物理试卷解答

物理学院《半导体物理》试卷一、 名词解释（3'X10）1空穴：价带顶电子激发到导带底后带顶附近出现的空的量子态称为空穴。波矢k态未被电子占据时，其它所有价带电子的导电行为，等效于一个带正电荷e,具有正有效质量mp的准粒子的导电行为。2间接带隙半导体：导带底与价带顶在不同k方向。或间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和价带最大值（价带顶）在k空间中不同位置。3.施主杂质、施主能级：解：施主杂质：V族原子向晶体提供多余不配对电子（电子可动），并同时成为带正电离子（不可动正电中心）的杂质。或是在硅中掺入V族元素杂质（如磷P,砷As,锑Sb等）后，这些V族杂质替代了一部分硅原子的位置，但由于它们的外层有5个价电子，其中4个与周围硅原子形成共价键，多余的一个价电子便成了可以导电的自由电子，这样一个V族杂质原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为带正电的离子，把这种杂质称为施主杂质；若在硅中掺入III族元素杂质，（如硼B，铝Al，镓Ga，铟In等），这些III族杂质原子在晶体中替代了一部分硅原子的位置，由于它们的最外层只有3个价电子，在与硅原子形成共价键时产生一个空穴，这样一个III族杂质原子可以向半导体硅提供一个空穴，而本身接受一个电子成为带负电的离子，把这种杂质称为受主杂质。4缺陷能级杂质能级解：实际半导体材料晶格中，存在着偏离理想情况的各种现象。（1） 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；（2） 半导体材料并不是纯净的，而且含有若干杂质，即在半导体晶格存在着与组成半导体材料的元素不同的其它化学元素的原子；（3） 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷。（a） 点缺陷，如空位，间隙原子；（b） 线缺陷，如位错；（c） 面缺陷，如层错，多晶体中的晶粒间界等。由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期性排列的原于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（即能级）——杂质能级、缺陷能级。V族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。它释放电子的过程叫做施主电离。施主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心，称为离化态。当电子得到能量^Ed后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底E低^Ed。将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为Ed。因为箜<<匕，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中。因为III族杂质在硅、锗个能够接受电产而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态。电离后成为负电中心，称为受主离化态。使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量，称为受主杂质的电离能，用△EA（acceptor）表示。5电离施主浓度解：发生电离的施主杂质的量子态密度。6简并半导体解：发生载流子简并化的半导体称为简并半导体。7电离杂质散射解：施主杂质在电离后是一个带正电的离子，而受主杂质电离后则是负离子。在正离子有或负离子周围形成一个库仑势场，载流子将受到这个库仑场的作用，即电离杂质散射。9间接复合解：间接复合指的是非平衡载流子通过复合中心的复合。10积累层解：半导体表面附近多数载流子浓度大大增高的一个薄层即称为积累层。 这一层的导电性比体内要好得多。积累层可采用外电场感应而形成（就像形成反型层一一沟道一样）。11禁带.解：价带 绝对零度时被电子占满的、能量最高的能带，其最高能态Ev称为价带顶。导带------绝对零度时未被价电子完全占据，或全空的能量最低的能带，最低能态Ec被称为导带底。禁带-------能带电子不能占据的能量区间，Eg=Ec-Ev12S-P3杂化：解：S--P3杂化 由一个S原子轨道和三个P轨道杂化成四个SP3杂化轨道.每个杂化轨道具有1/4的S成份和34的P成份.轨道间夹角正好是109.5度，每个SP3杂化轨道分别指向正四面体的四个顶点.采用SP3杂化成键的分子呈正四面体形状如CH4\CF4\CCl4\SiCl4\SiH4等等.金刚石中的碳原子，正式是这样的，位于中间的碳原子与四个顶角上的碳原子形成共价键配位数为四.以金刚石为例，基态1S22S22P2一个原子跃迁一1S22S12Px12P12Pz19SP3杂化轨道（原子的），即一个S态和3个P态波函数相结合今相邻原子的SP3杂化轨道形成共价键。（非极性键）13浅能级解：浅能级 施主能级或受主能级，离导带底或价带顶很近。深能级 施主能级或受主能级，离导带底或价带顶都很远的杂质。深能级不能向能带提供电子和空穴，对电导没贡献，但是是有效的复合中心。14施主杂质束缚态15施主能级电子浓度16价带有效状态密度解：价带有效状态密度可以理解为把价带中的所有量子态都聚集在价带顶Ev处对应的转态密度NvN=2⑵m/T））32=2.50X1019（纺）3/2（二）3/2忧T3/2[cm-3]v h3 m3000

17载流子散射解：载流子的散射——载流子在半导体中运动时，便会不断地与热振动着的晶格原子或电离了的杂质离子发生碰撞作用，碰撞后载流子速度的大小和方向就发生改变，即是电子波在传播过程中遭到了散射。半导体的主要散射机构：①电离杂质的散射：施主杂质在电离后是一个带正电的离子，而受主杂质电离后则是负离子。在正离子有或负离子周围形成一个库仑势场，载流子将受到这个库仑场的作用，即电离杂质散射。②晶格振动的散射：光学波和声学波散射。随着温度的增加，晶格振动的散射越来显著，而杂质电离的散射变得不显著了。18非平衡载流子解：对半导体施加外界作用，使其处于非平衡态，处于分平衡状态的半导体比平衡状态多出来的部分载流子就称为非平衡载流子。19表面复合解：表面复合是指在半导体表面发生的复合过程，由表面处的杂质和表面特有的缺陷在禁带中形成复合中心能级。20积累层解：半导体表面附近多数载流子浓度大大增高的一个薄层即称为积累层。这一层的导电性比体内要好得多。积累层可采用外电场感应而形成（就像形成反型层一一沟道一样）。二、 简答题（8’X5）1能带形成的原因，区分金属、半导体、绝缘体•绝缘体：禁带宽度大•半导体：禁带宽度小，一定温度下，部分满带电子激发到导带•导体：存在半满带：一种是价带只有部分能带被电子填充；另一种情况是价带与导带重叠图1.1.4导体、半导体和绝缘体的能带图1.1.4导体、半导体和绝缘体的能带（C）导体能带的形成电子共有化运动：由于相邻原子的“相似”电子壳层发生交叠，电子不再局限在某一个原子上而在整个晶体中的相似壳层间运动，引起相应的共有化运动。能级的分裂：n个原子尚未结合成晶体时，每个能级都是n度简并的，当它们靠近结合成晶体后，每个电子都受到周围原子势场的作用，每个n度简并的能级都分裂成n

个彼此相距很近的能级。允带、禁带的形成：同一能级分裂的n个彼此相近的能级组成一个能带，称为允带，允带之间因没有允许能级，称为禁带。晶体能带的形成可以从两个方面来理解：能级分裂产生能带（容许带）：许多原子靠近而组成晶体时，价电子的能级即发生分裂（因为许多价电子不可能都处于同一个能级上），从而形成能带。电子波干涉产生禁带：晶体中电子的运动可看成是电子波的传播；入射波与原子的反射波在波长满足Bragg干涉条件时即相互加强，并产生两种能量高低不同的状态一一在Brillouin区边缘处电子波干涉出现禁带，从而产生了能带。最高能量的两个能带（容许带），往往与晶体的导电、导热等有关，这两个能带分别称为价带和导带，它们的间距即称为禁带宽度。2缺陷能级，与能带能级的异同。解：缺陷能级正离子空位一等效带负电一接受空穴形成受主负离子空位一等效带正电一接受电子形成施主间隙正离子一失去电子一施主间隙负离子一得到电子一受主载流子简并解：在重掺杂的情形下，Ef进入导带，使带底电子数很多，f（E）<<1不成立或Ef进入价带，使价带顶空穴很多[1-f（E）]<<1不再成立，此时必须考虑泡利不相容，不能再用波尔兹曼分布，而必须用费米分布，这种情形称为载流子的简并化。简并半导体：发生载流子简并化的半导体。简并化条件：E-E-Ef>2kT非简并°<Ec-Ef<2"弱简并E七<0 简并若选（Ec—Ef=2kT）为简并化条件则发生掺杂的浓度n=0.1NC（n>0.1Nc简并；n<0.1Nc非简并）4电导统计理论散射项，影响因素散射项：2dkdr"gs影响因素：温度和掺杂浓度。5俄歇复合，载流子的各种复合方式。解：半导体中，载流子从高能级到低能级跃迁，发送电子一空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量常以声子形式放出，这种复合称为俄歇复合。这是一种非辐射复合。载流子各种复合过程：直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合。6载流子的有效质量，有效质量的物理意义解：在一般的载流子输运问题中，可以把晶体电子（或空穴）看成是具有动量 P=nk（k是晶体电子的准动量）和能量E=P2/2m*的粒子（量子波包），即认为晶体电子是带有质量m*的自由粒子，m*就是晶体电子的有效质量。这就是所谓准经典近似，即把晶体电子看作为具有一定有效质量的经典粒子（能量与动量的平方成正比）。但是，终究有效质量是一个量子概念，所以有效质量不同于惯性质量，它反映了晶体周期性势场的作用（则可正可负，并可大于或小于惯性质量）。有效质量的大小与电子所处的状态k有关，也与能带结构有关（能带越宽，有效质量越小）；并且有效质量只有在能带极值附近才有意义，在能带底附近取正值，在能带顶附近取负值。意义：综合了半导体内部势场（包括周期分布的原子实和其它电子）对载流子的综合作用；使得讨论外电场作用载流子运动规律时，不需考虑内部势场的作用7浅能级和深能级，二者各有何特点和作用解：浅能级 施主能级或受主能级，离导带底或价带顶很近。深能级 施主能级或受主能级，离导带底或价带顶都很远的杂质。特点：1°Ed,Ea〜Eg/2 多数起复合中心作用°多重能级〜价电子数，一多次电离°某些杂质既可为施主，也可为受主，一两性杂质°波尔半径小〜原子间距°靠近导带底的可为受主（不一定是施主），靠近价带顶的可为施主（不一定是施主）能级。或是深能级杂质的特点：杂质能级深，其杂质电离能较大。主要以替位式存在；杂质在禁带中引入多个能级；有的属于两性杂质。如替代同一原子，则施主总在受主下方；深能级杂质的行为与杂质的电子层结构、原子大小、杂质在晶格中的位置等有关。深能级杂质起复合中心作用的原因：深能级杂质一般价电子数明显不同于晶格原子，9局域电荷不平衡程度9晶格畸变也f―电子波函数局域化f，-实空间中对电子的束缚能力个；而忌\7kf波矢非局域化f，-易于满足复合跃迁时的动量守恒要求。8简述产生长纵声学波散射的原因解：长纵声学波传播时荷气体中的声波类似，会造成原子分布的疏密变化，产生体变，即疏处体积膨胀，密处压缩。在一个波长中，一半处于压缩状态，一半处于膨胀状态，这种体变表示原子间距的减小或增大。禁带宽度随原子间距变化，疏处禁带宽度减小，密度增大，使能带结构发生波形起伏。禁带宽带的改变反映出导带底和价带顶的升高和降低，引起能带极值的改变。这时，同是处于导带底和价带顶的电子或空穴，在半导体的不同地点，其能量就有差别。所以，纵波引起的能带起伏，就其对载流子的作用讲，如同产生了一个附加势场，这一附加势场破坏了原来势场的严格周期性，就使电子从K状态散射到K’状态。晶格振动散射的基本概念格波：晶格基本振动模式，格波矢2兀声学波：同一原胞中两个不等价原子振动方向相同；分为横和纵声学支。声学波长波极限一连续介质中的弹性波一声波，v〜q可用声速表示2nv=vsq9爱因斯坦关系式及其应用条件

[=土 DkT对于电子 nq 对于空穴~P=~^—Rq应用条件：非简并情况下载流子迁移率和扩散系数直接的关系。10空间电荷区，举例说明它是如何形成的空间电荷区：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，即是空间电荷区。区和N区N区一空间电空间电荷区形成：以PN结为例，当区和N区N区一空间电中原来的电中性条件破坏了。P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为荷，它们集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区。粒子扩散过程和能带结构变化：空穴的离子正离子自由电子TOC\o"1-5"\h\zO它哉五 (±)*ooe©©•©0*0O O■Fa—»• .■oeoo°oos节0 ooP区z区(a)空间电荷区e°oeee©QO。♦.*eooo。00oo00O'®0

三、 问答题（15'X2）1什么是费米能级，作图分析不同掺杂时费米能级的变化解：费米能级是指费米子系统在趋于绝对零度时的化学势。对于金属，电子的最高占据能级就是费米能级。费米能级的物理意义是，该能级上的一个状态被电子占据的几率是1/2。费米能级在半导体物理中是个很重要的物理参数，只要知道了他的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。它和温度，半导体材料的导电类型，杂质的含量以及能量零点的选取有关。0 给§E、耳 重掺杂、型轻掺杂、型本征 轻掺杂p型重擀杂p型费米能级与杂质浓度和导电类型的关系2分析MOS结构中加不同的偏压可能对表面附近半导体能带和载流子浓度造成的什么影响？其作用与何种表面态相当？解：表面态的概念一一晶体自由表面的存在使其周期性势场在表面处发生中断，引起附加能级，即表面态。表面态可看作表面最外层的原子未饱和键（悬挂键）所对应得电子能态，另外表面处还有由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态。表面态改变了晶体周期性势场，它和半导体内部交换电子和空穴，半导体表面状况严重影响半导体器件和集成电路的电学特性，尤其是稳定性和可靠性。表面态分为施主态和受主态。表面电场效应1、 MOS结构在不同电压下的表面势；2、 MOS结构表面空间电荷区的电场、电势和电容;3、 MOS结构表面强反型的条件；4、 MOS结构深耗尽状态表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金属与半导体间所加电压VG而变化，可归纳为多子堆积，耗尽，反型，深耗尽四种情况，对n型半导体，五种情况如下图所示。（a）堆积状态金属与半导体间加正电压，表面势Vs为正值，表面处能带向下弯曲，表面多子一电子浓度增加，这样表面层内出现电子堆积。为空间电荷区电荷密度(8-1)Q=-—r00exp(qV/2kT)xexpCqV/2kT)sqL s0 s0(8-1)空间电荷区电容D

空间电荷区电容空间电荷区电场Cs=neXpW12k°T)xexpW/2k0T)空间电荷区电场DE=g-=°-eqVs/2k°T££qL(8-2)(8-3)弯曲，越接近表面，E_离为电离施主浓度。空间电荷区电荷密度Ef越远，导带中电子浓度越低，表面多子耗尽，正电荷浓度近似2££D1/2(8-2)(8-3)弯曲，越接近表面，E_离为电离施主浓度。空间电荷区电荷密度Ef越远，导带中电子浓度越低，表面多子耗尽，正电荷浓度近似2££D1/2(V)/2xVI"ss(8-4)空间电荷区电容££qLDf££qLDf『rVqVs7XV)t/2s(8-5)空间电荷区电场(8-5)1/2V)/2s(8-5)此时，空间电荷区电容相当于平板电容器，其绝缘层厚度为耗尽层宽度。反型状态金属和半导体间加负电压，且Vg<<0，表面能带向上弯曲，表面处Ef低于E，空穴浓度超过电子浓度，表面导电类型与体内相反，叫反型层。反型层发生在近表面处，从反型层到半导体内部还夹着一层耗尽层。半导体空间电荷层内的正电荷由两部分组成，一部分是耗尽层中已电离的施主正电荷，一部分是反型层中的空穴。或者参考半导体器件课