半导体物理学简答题及答案

复习思考和自测题第一章1.原子中的电子和晶体中的电子上的势场的作用和运动有什么不同，内部和外部电子参与原子中的通讯运动有什么不同。答：在原子核和电子库仑相互作用势的束缚下，原子中的电子以电子云的形式存在，没有固定的轨道。然而，晶体中的电子是普通电子，它们在整个晶体中移动，并在晶体的周期性势场中移动。当原子相互靠近形成固体时，每个原子的内部电子仍然在每个原子核周围形成一个封闭的壳层，就像孤立的原子一样。然而，外层的价电子参与原子之间的相互作用，应该被视为属于整个固体的一种新的运动状态。构成晶体原子的外部电子有很强的交流运动，它们的行为类似于自由电子，称为准自由电子，而内部电子有较弱的交流运动，它们的行为类似于孤立原子。2.描述为什么“有效质量”的概念被引入到半导体中的电子运动中，并描述电子的惯性质量对能带中电子运动的限制。答：引入有效质量的意义在于它概括了半导体内部的势场函数，因此在求解半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可能不涉及半导体内部的势场函数。惯性质量描述真空中自由电子的质量，但不能描述非自由电子在能带中的运动。通常，电子在晶体周期性势场作用下的惯性运动成为有效质量。3.一般来说，对应于高能级的能带较宽，禁带较窄。是这样吗？为什么？答：不，能级的宽度取决于能带的密度。能级越高，能带越密集，也就是说，能带越窄。然而，禁带的宽度取决于掺杂浓度。如果掺杂浓度高，禁带将变窄。如果掺杂浓度低，禁带会更宽。4.有效质量对带宽有什么影响？有人说，有效质量越大，能量密度越大，因此频带越窄。是这样吗？为什么？答：有效质量与k的能量函数的二阶导数成反比。对于不同宽度的每个能带，1(k)随k变化。能带越窄，二阶导数越小，有效质量越大，内部电子的能带越窄，有效质量越大。外层电子的能量带宽和有效质量很小。5.简述有效质量和能带结构之间的关系；答：频带越窄，有效质量越大，频带越宽，有效质量越小。6.晶体中电子的有效质量将如何从能带底部变化到能带顶部？外场对电子有什么不同的影响？答：电子的有效质量在能带底部附近为正，在能带顶部附近为负。在外力F的作用下，电子的波损K不断变化，其变化率与外力成正比，因为电子的速度与K有关。由于K的状态不断变化，电子的速度必须不断变化。7.以硅的本征激发为例，解释了半导体能带图的物理意义及其与硅晶格结构的关系。为什么电子脱离价键所需的最小能量是半导体的禁带宽度？答：不同晶体取向的能带隙不同。因为如果电子想摆脱束缚，它们可以从价带跃迁到导带，所以此时的能量是最小的能量，也就是禁带宽度。2.为什么半导体全带中的少量空态可以用带正电荷和一定质量的空穴来描述？答：空穴是一种假想的带正电的粒子。在外加电场中，价带中空穴的跃迁类似于当池中的气泡从池底上升时，气泡的上升是相等的3.有两个硅单晶，其中一个的重量是另一个的两倍。这两种晶体价带的能级相等吗？它们彼此相关吗？甲：平等，没关系4.为什么在极值附近的等电位面是球形半导体，改变磁场方向时只能观察到一个共振吸收峰。答：各向同性。5.金刚石晶体结构和闪锌矿晶体结构的晶体取向对物理性能的影响。6.典型半导体的带隙。通常，禁带宽度等于或大于2.3ev的半导体材料被分类为宽禁带半导体，主要包括金刚石、碳化硅、氮化镓、金刚石等。组26具有较宽的禁带，而组46具有较小的禁带，例如碲化铅、硒化铅(0.3ev)和组35砷化镓(1.4ev)。第二章1.解释杂质能级和电离能的物理意义。为什么受体和供体能级分别高于价带或低于导带，而电离能值很小？答：被杂质束缚的电子或空穴的能级称为杂质能级。电子脱离被杂质束缚的原子成为导电电子的过程成为杂质电离，使这个额外的价电子脱离束缚成为导电电子所需的能量成为杂质电离能。杂质能级接近价带或导带，所以电离能很小。2.纯锗和硅掺入三价或五价元素后，为什么半导体的电学性质会发生很大变化？杂质半导体(P型或N型)被广泛使用，但为什么我们强调半导体材料的提纯？答：因为在掺杂第三或第五族之后，杂质被电离，这增加了导带中的电子数或价带中的空穴数，并增强了半导体的导电性。非常少量的杂质和缺陷会对半导体材料的物理和化学性质产生决定性的影响，当然，也会严重影响半导体器件的质量。3.如果不同种类的施主杂质混合到同一种半导体材料中，杂质的电离能和轨道半径是否不同？如果相同的杂质被掺入不同的半导体材料(如锗和硅)，杂质的电离能和轨道半径是否相同？不一样4.什么是深层杂质，电离后它们的特征是什么？答：杂质电离能大，施主能级远离导带底部，受主能级远离价带顶部。特点：能产生多重电离，每个电离都有相应的能级。5.为什么金在锗或硅中电离后能引入多个施主或受主能级？答：因为金是一种深层次的杂质，它可以产生多重电离，每个电离都有相应的能级。因此，金经常会将几个能级引入硅锗的禁带。6.解释掺杂对半导体导电性的影响。答：杂质混入纯半导体后，半导体的导电性可以控制。掺杂半导体分为N型半导体和P型半导体。例如，在室温下，本征硅中的电子浓度和空穴浓度都是1.51010cm-3。当1.01016厘米-3掺杂到硅中时，半导体中的电子浓度将变为1.01016厘米-3，空穴浓度将约为2.25104厘米-3。半导体中的多数载流子是电子，而少数载流子是空穴。7.解释半导体中浅层次杂质和深层次杂质的不同影响。答：深能级杂质在半导体中充当复合中心或陷阱。在半导体中，浅层次杂质充当施主或受主。8.什么是杂质补偿，什么是高补偿半导体，杂质补偿的实际应用是什么？答：当一个半导体中既有施主又有受主时，施主和受主首先相互抵消，剩下的杂志最终电离。这是杂质补偿。如果施主电子刚好充满了受主能级，尽管有许多杂质，但它们不能为导带和价带提供电子和空穴。这种现象被称为杂质的高补偿。通过使用杂质补偿效应，导电类型当在载流子激发和载流子复合之间建立了动态平衡时，它被称为热平衡状态，当电子和空穴的浓度都保持稳定值时，处于这种状态的导电电子和空穴被称为热平衡载流子。2.能量状态的密度是多少能带中能量e附近每单位能量间隔的量子态数。3.什么是统计分布函数，费米分布和玻尔兹曼分布有什么区别？在什么条件下前者可以过渡到后者，为什么半导体中的载流子分布可以用玻尔兹曼分布来描述？统计分布函数描述了在热平衡状态下，电子在允许的量子态中是如何分布的。当使用电子金融工具时，前者可以过渡到后者。4.解释费米能级的物理意义，如何根据费米能级的位置计算半导体中的电子和空穴浓度，以及如何理解费米能级是掺杂类型和掺杂程度的标志。费米能级的含义是：当系统处于热平衡且不对外界做功时，由电子的加入引起的系统自由能的变化等于系统的化学能。氮型掺杂越多，电子浓度越高，电场强度越高。5.在半导体计算中，这一条件经常被应用于从费米能级统计到玻尔兹曼统计的电子跃迁，试图解释这一跃迁的物理意义。对于E-EFkT，量子态被电子占据的概率很小，这适用于玻尔兹曼分布函数。泡利原理不起作用，两者的统计结果变得相同。6.写出半导体的电中性方程。这个等式在半导体中的意义是什么？电子浓度等于空穴浓度。含义：半导体在平衡状态下是电中性的。7.半导体本征载流子浓度及其费米能级的表达式载流子浓度：ni=n0p0=(NcNv)1/2exp(-Eg/2kT)费米能级：Ei=Ef=(Ec Ev)/2 (3kT/4)*ln(mp/mn)8.如果N型硅掺杂受体杂质，费米能级会增加还是减少？如果温度上升，当内在激发起作用时，费米能级在哪里，为什么？费米能级降低了。费米能级高于本征费米能级。9.如何理解分布函数与态密度的乘积，然后将能量积分得到电子浓度？根据公式和常识，一定是这样。10.为什么硅半导体器件的工作温度高于锗器件？硅的禁带宽度大于锗的禁带宽度，在相同温度下，锗的本征激发比硅的强，容易达到较高的本征载流子浓度，使器件失去性能。11.当温度恒定时，什么因素决定杂质半导体的费米能级？尝试比较强氮、弱氮型半导体与强磷、弱磷型半导体与本征半导体的费米能级。决定因素：掺杂浓度、掺杂能级、导带的电子有效态密度等。费米能级比较：强n弱n本征弱p强p12.如果施主杂质被严重掺杂到半导体中，你知道会有什么影响吗？费米能级深入导带或价带13.半导体的退化标准Ec-Ef=0第四章1.尝试分别从经典物理和量子理论解释载流子散射的物理意义。经典：电子在运动中与晶格或杂质离子碰撞，导致载流子速度的大小和方向发生变化。量子理论：传播时被散射的电子波半导体。2.半导体的主要散射机制。电离杂质散射；晶格振动散射，包括声子波和光波散射；其他因素散射：等能谷散射、中性杂质散射、位错散射、合金散射等。3.比较并区分以下物理概念：电导迁移率、漂移迁移率和霍尔迁移率。电导率迁移率：漂移迁移率：衡量载流子在电场作用下移动速度的指标。它们移动得越快，机动性就越大。缓慢移动和低移动性霍尔迁移率：霍尔系数RH与电导率的乘积，即RH，具有迁移率维度。霍尔迁移率H不一定等于电导声子是晶格振动的正常模式能量量子。声子可以被产生和消除。相互作用声子的数量并不守恒。声子动量守恒定律也不同于普通粒子，声子不能脱离固体而存在。如果在半导体中传输电子时发生晶格振动散射，声子将被发射或吸收，这将改变电子的动量并影响导电性。5.平均自由路径、平均自由时间、散射概率平均自由程：电子在两次散射之间行进的平均距离；平均自由时间：电子在散射之间移动的平均时间。散射概率：用于描述散射的强度，并表示单位时间内载波被散射的次数。6.几种散射机制同时存在，总散射概率总散射概率等于各种散射概率之和。7.一个内在的半导体样品，试图描述两个物理过程用来增加其导电性。提高迁移率和固有载流子浓度8.如果存在具有相同电阻率的掺杂锗和硅半导体，哪种材料具有高的少数载流子浓度，为什么？锗具有高的少数载流子浓度。根据电阻率=1/NQ和(ni)2=n0p0的大小差以及硅和锗的本征载流子浓度，可以计算出锗的少数载流子浓度很高。9.硅电阻率与温度的关系10.光波散射和声波散射的物理机制有什么区别？每种晶体在什么类型中起主要作用？光波散射：弹性散射，散射前后电子能量基本不变。主要在离子晶体中声波散射：非弹性散射，在散射前后改变电子的能量。它主要在共价晶体中起作用。11.解释本征锗和硅中载流子迁移率如何随温度升高而变化。迁移率随着温度的升高而逐渐降低。12.电导率有效质量和态密度有效质量有什么区别？它们与电子的纵向有效质量和横向有效质量有什么关系？当导带底部的等电位面不是球形时，不同方向上电导的有效质量不同，态密度的分布也可能不同。通过对不同方向上电导的有效质量进行加权和平均，可以转换态密度的有效质量。13.对于仅含一种杂质的锗样品，如果要确定载流子符号、浓度、迁移率和有效质量，应进行哪些测量？采用霍尔系数测量和回旋共振法测量有效质量。14.解释多势谷散射如何影响材料的导电性。多能谷中不同的有效质量导致不同的迁移率。当电子从一个能谷跃迁到另一个能谷时，迁移率会降低，导致电导率降低。15.要解释耿氏振荡现象，哪些参数决定了振荡频率？耿氏振荡源于半导体中的负微分电导，振荡频率取决于外加电压和器件长度。16.半导体本征吸收和本征光电导固有吸收：半导体吸收能量大于带隙的光子，导致电子直接跃迁到导带。此外，由本征吸收产生的非平衡载流子的增加增加了半导体的导电性。17.光电导灵敏度和光电导增益因子光电导灵敏度：单位照明引起的光电导增益系数：由于不同的结构，铜可以产生不同的光电导效应。增益系数用来表示光电导的增强。第五章1.半导体的平衡态和非平衡态有什么区别？什么是非平衡载流子？什