2022-2023年河南省郑州基石中学高一下学期竞赛期中物理试题(解析版)

2022-2023郑州基石中学高一下物理竞赛期中试题一、填空1.纯净半导体中掺Ⅲ族元素的杂质，当杂质电离时从中夺取________，在晶体的共价键中产生了一个________，这种杂质称________杂质；相应的半导体称________型半导体。【答案】①.电子；②.空穴；③.受主；④.型【解析】纯净半导体中掺Ⅲ族元素的杂质，当杂质电离时从中夺取电子，在晶体的共价键中产生了一个空穴，这种杂质称受主杂质；相应的半导体称型型半导体。2.当半导体中载流子浓度存在浓度梯度时，载流子将做________运动；半导体存在电势差时，载流子将做________运动，其运动速度正比于________，比例系数称为________。【答案】①.扩散；②.漂移；③.电场力；④.迁移率【解析】当半导体中载流子浓度存在浓度梯度时，载流子将做扩散运动；半导体存在电势差时，载流子将做漂移运动，其运动速度正比于电场力，比例系数称为迁移率。3.意味着半导体处于________状态，其中________；________。这时半导体中载流子存在净复合还是净产生？________。【答案】①.非热平衡；②.；③.；④.净复合【解析】[1][2][3][4]当时，半导体处于热平衡状态，这时由于注入等原因使得则半导体处于非热平衡状态，，电子的数量和空穴的数量有所增多变为，，这时半导体向平衡状态转化，处于动态转化过程，既有载流子产生也有载流子复合，总体是载流子净复合状态。4.半导体中浅能级杂质的主要作用是________；深能级杂质所起的主要作用________。【答案】①.提供载流子；②.复合中心【解析】半导体中浅能级杂质的主要作用是提供载流子；深能级杂质所起的主要作用复合中心。5.非平衡载流子通过________而消失，________叫做寿命，寿命与________在________中的位置密切相关，当________寿命趋向最小。【答案】①.复合过程；②.载流子从非平衡状态过渡到平衡状态的时间；③.载流子；④.半导体中的位置密切相关；⑤.载流子靠近中心或表面时【解析】[1][2][3][4]非平衡载流子通过复合过程而消失，载流子从非平衡状态过渡到平衡状态的时间叫做寿命，寿命与载流子在半导体中的位置密切相关，当载流子靠近中心或表面时寿命趋向最小。6.半导体中的载流子主要受到两种散射，它们分别是________和________。前者在________下起主要作用，后者在________下起主要作用。【答案】①.电离杂质散射；②.晶格振动散射；③.低温强电场；④.室温【解析】半导体中的载流子主要受到两种散射，它们分别电离杂质散射是和晶格振动散射。前者在低温强电场下下起主要作用，后者在室温下起主要作用。7.半导体中掺杂浓度很高时，杂质电离能________（增大、减小、不变？），禁带宽度________（增大、减小、不变？）。【答案】①.减小；②.减小【解析】半导体中掺杂浓度很高时，杂质电离能减小，禁带宽度减小。8.结电容包括________电容和________电容，在反向偏压下，________电容起主要作用。【答案】①.空间电荷；②.扩散；③.空间电荷【解析】[1][2][3]结电容包括空间电荷电容和扩散电容，在反向偏压下，空间电荷电容起主要作用。二、简要回答9.什么是直接复合？什么是间接复合？试述它们在半导体器件中的作用。【答案】见解析【解析】直接复合是指载流子直接从导带跃迁到价带，或者从价带跃迁到导带。这种复合过程不需要任何中间状态，因此称为直接复合。直接复合是半导体中的一种重要载流子衰减和平衡过程，尤其是在光子激发或加热半导体时。相比之下，间接复合是指载流子首先跃迁到一个中间能级（如杂质能级或缺陷能级），然后再从该中间能级跃迁到另一个能级（通常是价带或导带）。间接复合需要两个步骤来完成，因此称为间接复合。这种复合过程通常在半导体中的热平衡状态下更常见，但在某些情况下，也可以发生在非平衡态半导体中。在半导体器件中，直接复合和间接复合的作用是：直接复合可以产生光发射，这在发光二极管（）和激光二极管（）中是关键的机制。在这些设备中，通过载流子的直接复合，能量以光的形式释放出来。间接复合通常在热平衡态下主导载流子的输运过程。在某些情况下，它可能导致载流子的热运动，这可能影响半导体器件的电学性能。在非平衡态半导体中，间接复合可能发生在载流子被激发后，然后以热运动的形式回到热平衡态。这种过程对于半导体的热管理非常重要，因为它可以帮助防止过热，并使半导体器件保持稳定工作。10.何谓非简并化半导体？何谓简并化半导体？【答案】见解析【解析】非简并半导体和简并半导体是根据半导体的掺杂浓度和费米能级与导带或价带的关系来划分的。非简并半导体指的是掺入杂质原子的浓度远小于晶体原子的浓度，这些少量的杂质原子扩散速度足够快，距离足够远，施主电子（或空穴）之间不存在相互作用，因此不会交叠，因此杂质能级是分立的，不会分裂成能带。相比之下，简并半导体掺入杂质原子的浓度较高，杂质原子之间的相互作用较强，导致能级分裂并展宽形成能带。当掺杂浓度很高时，会使费米能级接近或进入了导带，半导体简并化了。11.下图分别是半导体材料、、的能带结构示意图。（1）请指出图a、图b、图c分别对应何种材料，您判断的依据是什么？（2）在三幅图中，价带对于同一个，可以有两个值，表明对应两种有效质量不同的空穴，即重空穴和轻空穴。试指出曲线、分别对应哪种空穴，依据是什么？【答案】（1）见解析；（2）见解析【解析】（1）图a是硅，图b为锗，图c为砷化镓，判断的依据是导带底的位置，即的位置不同。（2）曲线为重空穴，曲线为轻空穴，依据曲线的斜率不同，重空穴的斜率较小。12.当样品两端加电压时，样品内部便产生电场。电子的平均漂移速度随电场的变化关系如下图所示，请解释之。【答案】见解析【解析】半导体在电场中，电子的平均迁移率，则平均飘移速度，其中、分别是能谷和能谷中电子浓度，则，当电场强度很低时，即，此时，，此时，当电场很强时，即，大部分电子转移到能谷，此时，，此时，飘移速度降低，而当电场强度时，随着电场强度的不断增加，不断减小，不断增加，由于，平均飘移速度不断随电场强度的增加而降低，其中为阈值电场强度。13.若在掺有受主杂质的型衬底上采用扩散工艺又掺入一层浓度为施主杂质，且，本征载流子浓度为。（1）写出接触电势差的表达式；（2）画出平衡时结的能带图，请问区和区哪边的势垒宽度宽？（3）说明外加正向偏置时，正向扩散电流的主要成分是电子电流还是空穴电流？（4）若外加正向电压为时，分别写出注入区和区的载流子浓度？【答案】见解析【解析】（1）区导带电子的电位，区价带空穴的点位，接触电势差，由于，因此电势差为。（2）平衡时结的能带图如图所示：由于势垒宽度向低掺杂的一侧扩展，因此区的势垒宽度宽。（3）由于在区注入施主杂质，外加正向偏置时，导电的主要是电子电流。（4）若外加正向电压为时，电子、空穴浓度分别为，，由于杂质浓度呈线性变化，可得，同理。三、计算14.早期锗硅等半导体材料常利用测其电阻率的办法来估计纯度，若测得室温下电阻率为，试估计型锗的纯度，并讨论其局限性。（较纯锗样品的电子迁移率，锗原子密度，电量）。【答案】见解析【解析】因为可得，室温下，杂质全部电离，有，纯度为，局限性为对于高度补偿材料，误差很大。15.一个半导体棒，光照前处于热平衡态，光照后处于稳定态的条件，分别由下图给出的能带图来描述。设室温（）时的本征载流子浓度，试根据已知的数据确定：（1）热平衡态的电子和空穴浓度和；（2）稳定态的空穴浓度；（3）当棒被光照射时，“小注入”条件成立吗？试说明理由。【答案】（1）,；（2）；（3）“小注入”条件成立【解析】（1）可知，由于，因此。（2）光照产生非平衡载流子，稳态时，而，又，整理得，简化后，有，解得，所以。（3）由于满足，所以满足小注入的条件。16.如图所示，一个很长的掺杂均匀的型半导体样品，其中心附近长度为的范围内被一稳定光照射，假定光均匀的穿透样品，电子-空穴对的产生率为。（少子的连续性方程为）