半导体物理试卷b答案

1、一、名词解释（本大题共5题每题 4分，共 20分）1. 直接复合：导带中的电子越过禁带直接跃迁到价带，与价带中的空穴复合，这样的复合过程称为直接复合。2. 本征半导体：不含任何杂质的纯净半导体称为本征半导体， 它的电子和空穴数量相同。3简并半导体：半导体中电子分布不符合波尔兹满分布的半导体称为简并半导体。过剩载流子：在光注入、电注入、高能辐射注入等条件下，半导体材料中会产生高于热平衡时浓度的电子和空穴，超过热平衡浓度的电子n=n-n 0 和空穴p=p-p 0 称为过剩载流子。4. 有效质量、纵向有效质量与横向有效质量答：有效质量：由于半导体中载流子既受到外场力作用，又受到半导体内部周期性势场作

2、用。 有效概括了半导体内部周期性势场的作用， 使外场力和载流子加速度直接联系起来。 在直接由实验测得的有效质量后， 可以很方便的解决电子的运动规律。5. 等电子复合中心等电子复合中心：在 III- V 族化合物半导体中掺入一定量与主原子等价的某种杂质原子，取代格点上的原子。由于杂质原子与主原子之间电性上的差别，中性杂质原子可以束缚电子或空穴而成为带电中心。 带电中心吸引与被束缚载流子符号相反的载流子， 形成一个激子束缚态。 这种激子束缚态叫做等电子复合中心。二、选择题（本大题共5题每题 3分，共 15分）1对于大注入下的直接辐射复合，非平衡载流子的寿命与（D ）A. 平衡载流子浓度成正比B.非

3、平衡载流子浓度成正比C. 平衡载流子浓度成反比D.非平衡载流子浓度成反比2有 3 个硅样品，其掺杂情况分别是：甲含铝 1×10-15-3乙.-17-3-17-3cm含硼和磷各 1×10 cm丙. 含镓 1×10cm室温下，这些样品的电子迁移率由高到低的顺序是（C ）甲乙丙B.甲丙乙C.乙甲丙D.丙甲乙3有效复合中心的能级必靠近A. 禁带中部B.( A )导带C.价带D.费米能级4当一种 n 型半导体的少子寿命由直接辐射复合决定时，其小注入下的少子寿命正比于（ C ）A.1/ n0B.1/ nC.1/p0D.1/ p5半导体中载流子的扩散系数决定于其中的( A )A

4、. 散射机构B.复合机构C.杂质浓变梯度D.表面复合速度6以下4 种半导体中最适合于制作高温器件的是（D ）A. SiB. GeC. GaAsD. GaN三、简答题（ 20 分）1请描述小注入条件正向偏置和反向偏置下的pn 结中载流子的运动情况， 写出其电流密度方程，请解释为什么 pn 结具有单向导电性？（10 分）解：在 p-n 结两端加正向偏压VF, VF 基本全落在势垒区上，由于正向偏压产生的电场与内建电场方向相反，势垒区的电场强度减弱，势垒高度由平衡时的qVD下降到 q(VD-VF) ，耗尽区变窄，因而扩散电流大于漂移电流，产生正向注入。过剩电子在 p 区边界的结累，使 xTp处的电子

5、浓度由热平衡值n0p 上升并向 p 区内部扩散，经过一个扩散长度Ln 后，又基本恢复到n0p。在 -x Tp 处电子浓度为n(-x Tp) ，同理，空穴向n 区注入时，在 n 区一侧 xTn 处的空穴浓度上升到p(x Tn) ，经 Lp 后，恢复到 p0n。反向电压 VR 在势垒区产生的电场与内建电场方向一致，因而势垒区的电场增强，空间电荷数量增加，势垒区变宽，势垒高度由qVD增高到q(VD+VR).势垒区电场增强增强， 破坏了原来载流子扩散运动和漂移运动的平衡， 漂移运动大于扩散运动。这时，在区边界处的空穴被势垒区电场逐向 p 区，p 区边界的电子被逐向 n 区。当这些少数载流子被电场驱走后

6、， 内部少子就来补充， 形成了反向偏压下的空穴扩散电流和电子扩散电流。（ 6 分）电流密度方程： jD j s exp qV1（2 分）kB T正向偏置时随偏置电压指数上升，反向偏压时， 反向扩散电流与V 无关，它正比于少子浓度，数值是很小的，因此可以认为是单向导电。（2 分）2. 在一维情况下，描写非平衡态半导体中载流子（空穴）运动规律的连续方程p2 ppEp为：tD p x2p Exp pxp g p ，请说明上述等式两边各个单项所代表的物理意义。（ 10 分）答： p 在 x 处， t时刻单位时间、单位体积中空穴的增加数； （2 分）tDp2 p由于扩散，单位时间、单位体积中空穴的积累数

7、；（2 分）x2EpE由于漂移，单位时间、单位体积中空穴的积累数； （ 2 分）pp pxxp 由于复合，单位时间、单位体积中空穴的消失数； （2 分）pgp 由于其他原因，单位时间、单位体积中空穴的产生数。（ 2 分）四、计算题（共5 小题，每题 9 分，共 45 分）1. 设 E - E F 分别为 3k0 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概率。f ( E)1 e1(E E F ) / k0 TF0解：费米分布函数为,当 EE等于 3k T 时， f 0.047EE F玻耳兹曼分布函数为f B (E)ekoT, 当 E EF等于 3k0T 时， f 0.050上

8、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。2. 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：EC (k )h2k 2 h2 ( kk1 )2和 Ev (k)h2 k12 3h2k 2；3m0m06m0m0m0 为电子惯性质量， k11/(2a) ；a0.314nm。试求：禁带宽度；导带底电子有效质量；价带顶电子有效质量；解：禁带宽度 Eg根据 dEc(k )2h2 k2h2 (k k1 )0；可求出对应导带能量极小值min 的 kdk3m0m0E3值： kmink1 ，h由题中 EC式可得： EminEC(K)|k=

9、k min=k 2 ；1由题中 EV式可看出，对应价带能量极大值Emax的 k 值为： kmax0；并且 EminEV(k)|k=kmax h2 k12；6m0Eg Emin Emaxh2k12h 248m0 a 212m0 48(6.62 10 27 )20.64eV9.1 10 28(3.14 10 8 ) 2 1.610 11导带底电子有效质量 mnd 2 EC2h22h 28h 2； mn h2 / d 2 EC3 m0dk 23m0m03m0dk 28价带顶电子有效质量 md 2 EV6h2'2d 2 EV1dk 2， mn h/dk 2m0m063、 Si 原子加到 GaA

10、s材料中，取代 Ga原子成为施主杂质或取代As 原子成为受主杂质。假定 Si 原子浓度为 1011cm 3 ，其中 5%取代 As 原子， 95%取代 Ga原子，并在室温下全部离化。 求：施主和受主杂质浓度； 电子和空穴浓度及费米能级位置；导电类型及电阻率。（ni=1.6×6-3，n210 cm=8000cm/VS,2 p=400cm/VS ）解：（1）取代 As 的 Si 为受主杂质，故受主杂质浓度为 N A1011 5%5109/ cm3取代 Ga的 Si 为施主杂质，故施主杂质浓度为N D101195%9.51010 / cm3（ 2）施主杂质和受主杂质全部电离， N D ?

11、N A 所以n0N DN A9.01010/ cm3p0ni2(1.6 106 )228 / cm3n09.01010E FEi因为 n0ni e K B TEFEiK BT ln n00.026eV ln9.010100.284eVni1.6106所以费米能级在在禁带中线上0.284eV 处（3） N D ? N A 易知此材料为 n 型半导体118170 gcmqunn01.6 10 198500 9.0 10104. 在室温下，本征 Ge的电阻率为 47 cm 。试求：1) 本征载流子的浓度，若掺入锑杂质使每 106 个锗原子中有一个杂质原子；2) 计算室温下电子浓度和空穴浓度。设杂质全

12、部电离，锗原子的浓度为4.4 1022 cm 3 ；3)试求该杂质锗材料的电阻率。 （设 un3600cm2/ Vs ， u p1700cm2 / V s 且不随杂质变化。）解：（ 1）本征半导体的表达式为：1ni q(unup )ni1471.602 1019360017001131q(un up )2.5 10cm3施主杂质原子的浓度为ND4.4 102210 64.41016 cm 3因为杂质全部电离，故n0ND1614.4 10cm321322.510所以 p0ni1.421010 14.410163n0cm14.4 10161.60210 19 3600110 2cm其电阻率为 n3.94ni qun5.由电阻率为 4.cm 的 p 型 Ge和 0.4.cm的 n 型 Ge半导体组成一个 p-n 结，计算在室温（ 300K）时内建电势 VD 和势垒宽度 xD。已知在上述电阻率下， p 区的空穴迁移率p16502/. ,区的电子迁移率n3000cm2 /V .S，的本征cmV S nGe载 流子浓 度 ni2.51013 / cm3 ，真 空介 电常 数 08.85 10 12 F / m,s 16.（10 分）解： n1nqn1ppqpnpn10.41.614.341015 cm 3 （2 分）n qn10 193600p141.61