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文档简介
1、*一、填空题4mq2 2 28ohn的分立能级),晶体中的电子能量为(电子共有化运动)所形成的(准连续)的能带。2.温度一定时,对于一定的晶体,体积大的能带中的能级间隔(小),对于同一块晶体,当原子间距变大时,禁带宽度(变小)。3.玻尔兹曼分布适用于(非简并)半导体,对于能量为E的一个量子态被电子占据的概率EFEfB(E) exp( -) exp( )为(koTkoT),费米分布适用于(简并)半导体,对于能量为E的(EcE-2koT或E- EV2koT)时,必须考虑该分布。4.半导体材料中的(能带结构(直接复合)、 (杂质和缺陷等复合中心(间接复合)、(样品形状和表面状态(表面复合)等会影响非
2、平衡载流子的寿命,寿命值的大小反映了材料 晶格的(完整性),是衡量材料的一个重要指标。5. Si属于(间接)带隙半导体。导带极小值位于布里渊区的(方向)上由布里渊区中心点r到边界X点的(0.85倍)处,导带极值附近的等能面是(长轴沿方向的旋转椭 球面),在简约布里渊区,共有(6)个这样的等能面。6. Ge属于(间接)带隙半导体。导带极小值位于布里渊区的(方向)上由布里渊区边界L点处,导带极值附近的等能面是(长轴沿方向的旋转椭球面),在简约布里渊区, 共有(4)个这样的等能面。7. GaAs属于(直接)带隙半导体。导带极小值位于布里渊区中心点r处,极值附近的等能 面是(球面),在简约布里渊区,共
3、有(1)个这样的等能面。在布里渊区的(方向)边界L点处,存在高于能谷值0.29eV的次低能谷,简约布里渊区一共有(8)个这样的能谷。8. Si、Ge和GaAs能带结构的 共同点:1)禁带宽度具有负温度系数2)价带顶位于布里渊区中心,k=0处,等能面不是球面,有轻重空穴之分。1.自由电子的能量与波数的关系式为(E(k)2 2h k2m0),孤立原子中的电子能量(大小为个量子态被电子占据的概率为((E)1E_ET1 exp( -)koT),当EF满足*9.有效质量是 (半导体内部势场)作用的概括。由于晶体内部的各向异性,在k空间的三个主轴上,有效质量可以表示为(1 1_丄j_2Em;h2kx2m;
4、h2ky21*mz丄上h2kz2*h2(k k。)2B,其中ko和B是常数,则电12.导体的陷阱中心使其中心光电导灵敏度(提高) 时间)。13.当系统处于热平衡状态,也不对外做功的情况下,系统(每增加一个电子)所弓I起系统自由能的变化,等于系统的化学势, 也就是等于系统的费米能级。费米能级标志了 (电子填充能级)的水平。它主要受(掺杂浓度)、(掺杂种类)和(温度)的影响。在绝对零度时,E EF的能级(没有)电子占据;而E EF的能级(完全被)电子占据。随着温度的升二、选择题1.施主杂质电离后向半导体导带提供(B),受主杂质电离后向半导体价带提供(A), 本征激发后向半导体提供(AB)。A.空穴
5、B.电子2.室温下,半导体Si掺硼的浓度为1014cm-3,费米能级(B);继续掺入浓度为1.1 1015cm-3的磷,费米能级(A);将该半导体升温至570K,费米能级(C)。(已知:室温下,ni1.5x1(1cm-3,570K时,山2 他m-3)A.高于EiB.低于EiC.约等于Ei3.对于处于饱和区的半导体硅材料,温度升高将导致禁带宽度(C),本征流子浓度(A),多子浓度(B),少子浓度(A)oA.变大B.不变C.变小为(负)值,即m;( 0)。在E k关系的拐点处,(m;k),说明此处电子(不受外电场作用,电子从外场获得的能量,全部释放给晶格)。内层电子形成的能带(窄),E k曲线曲率
6、(小),(小),所以m;(大)。外层电子能带k2E(大),所以mn(小),共有化运动强,在外力作用下,可以获得更大的加速度。10.一种晶体中导带底电子能量E与波矢EK的关系为Ech2k22A,其中Ec为导带底能量,A是常数,则电子的有效质量:(mnh2A)。EE与波矢K的关系为子速度:(V丄dE 2h)o,并使其光电导衰减规律(延长衰减高,电子占据EEF的能级概率(增大),空穴占据EEF的能级概率(增大)11.一维晶体中电子能量h dk B4.最有效的复合中心能级位置在(D)附近;最有利陷阱作用的能级位置在(C)附近。A. EAB. EDC. EFD. Ei5.扩散系数反映了载流子在(A)作用
7、下运动的难易程度,迁移率反映了载流子在(B)作用下运动的难易程度。A.浓度梯度B.电场C.光照D.磁场6.最小电导率出现在(B)型半导体。A. n B. p C.本征7.电子在晶体中的共有化运动是指(C)。A.电子在晶体中各处出现的几率相同。B.电子在晶体原胞中各点出现的几率相同。C.电子在晶体各原胞对应点出现的几率相同。D.电子在晶体各原胞对应点的相位相同。8.本征半导体是指(D)的半导体。A.电子浓度等于本征载流子浓度B.电阻率最高C.电子浓度等于空穴浓度D.不含杂质与缺陷9. II-VI族化合物中的M空位Vm是(C)。A.点阵中的金属原子间隙B.一种在禁带中引入施主的点缺陷C.点阵中的点
8、阵中的金属原子空位D.一种在禁带中引入受主的位错10.若某半导体导带中电子出现几率为零,则此半导体必定(A)。A.处于绝对零度B.不含任何杂质C.不含任何缺陷D.不含施主11. Si中掺金的工艺主要用于制造(B)器件。A.高可靠性B.高频C.大功率D.高电压12.半导体的载流子扩散系数大小决定于其(D)。A.复合机构B.能带结构C.晶体结构D.散射机构3* 2qB “2(2 mnkoT)2*13.公式c *和Ncn中的mn对于(A)取值相同。mnhA. GaAs B. GaP C. Si D. Ge14.若用N取代GaP中的一部分P,半导体的禁带宽度(A);若用As则禁带宽度(C)。*A.变大
9、B.不变C.变小A.等于空穴占据(EFkoT)能级的几率B.等于空穴占据(EFkT)能级的几率C.大于电子占据EF的几率D.大于空穴占据EF的几率18.对于只含一种杂质的非简并n型半导体,费米能级EF随温度升高而 (D) 。A.单调上升B.单调下降C.经过一个极小值后趋近EiD.经过一个极大值后趋近Ei19.若一种材料的电阻率随温度升高先下降后升高,则该材料是(D)。A.本征半导体B.金属C.化合物半导体D.掺杂半导体q20.公式r中的 是载流子的(C)。mA.渡越时间B.寿命C.平均自由时间D.扩散系数21.在太空的空间实验室里生长的GaAS具有很高的载流子迁移率,是因为这样的材料(D)。A
10、.无杂质污染B.受宇宙射线辐射C.化学配比合理D.晶体完整性好22.在光电转换过程中,Si比GaAs量子效率低,因为其(D)。A.禁带较窄B.禁带较宽C.禁带是间接跃迁型D.禁带是直接跃迁型23.若某材料电阻率随温度上升而先下降后上升,该材料是(C)。A.金属.B.本征半导体C.掺杂半导体D.高纯化合物半导体15. GaAs的导带极值位于布里渊区(D)。C. 方向边界处D.中心B.价带顶附近曲率较大的等能面上的空穴D.自旋一轨道耦合分裂出来的能带上的空穴kT)能级的几率(B)。*C.平均自由时间D.扩散系数*24在硅和锗的能带结构中,在布里渊中心存在两个极大值重合的价带,外面的能带(B),对应
11、的有效质量(C),称该能带中的空穴为(E )。A.曲率大;B.曲率小;C.大;D.小;E.重空穴;F.轻空穴25.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(F)。A.施主B.受主C.复合中心D.陷阱F.两性杂质26.在通常情况下,GaN呈(A)型结构,具有(C),它是(F)半导体材料。A纤锌矿型;B闪锌矿型;C.六方对称性;D.立方对称性;E间接带隙;F.直接带隙27.同一种施主杂质掺入甲、乙两种半导体,如果甲的相对介电常数 乙的2倍,那么用类氢模型计算结果是(D)。8/3,弱束缚电子基态轨道半径为乙的3/43/2,弱束缚电子基态轨道半径为乙的32/916/3,弱束缚电子基态轨道半
12、径为乙的8/332/9,弱束缚电子基态轨道半径为乙的3/828.一块半导体寿命T=15,光照在材料中会产生非平衡载流子,光照突然停止30后,其中非平衡载流子将衰减到原来的(C)。2A.1/4;B.1/e;C.1/e;D.1/229.对于同时存在一种施主杂质和一种受主杂质的均匀掺杂的非简并半导体,在温度足够高、ni /ND-NA/时,半导体具有(B) 半导体的导电特性。30.在室温下,非简并Si中电子扩散系数D与N有如下图nD31.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;当掺杂浓度一定时,温度从室温逐步增加,费米能级向(C )移动。A.Ev;B.Ec;C
13、.Ei;D. EF32.把磷化镓在氮气氛中退火,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。33.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。34.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。a是乙的3/4,m*/m 0是A.甲的施主杂质电离能是乙的B.
14、甲的施主杂质电离能是乙的C.甲的施主杂质电离能是乙的D.甲的施主杂质电离能是乙的A.非本征B.本征(C)所示的最恰当的依赖关系NDDBC*35.如在半导体的禁带中有一个深杂质能级位于禁带中央,则它对电子的俘获率(B)空穴的俘获率,它是(D)。A.大于;B.等于;C.小于;D.有效的复合中心;E.有效陷阱。36.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37.简并半导体是指(A)的半导体。A、(EC-EF)或(EF-EV)三0 B、能使用玻耳兹曼近似计算载流子浓度C、(EC-EF)或(EF-EV)0D、导带
15、底和价带顶能容纳多个状态相同的电子14-315-338.在某半导体掺入硼的浓度为10 cm ,磷为10 cm,则该半导体为(B)半导体;其有效杂质浓度约为(E)。15-314-3A.本征,B. n型,C. p型,D. 1.1 10 cm , E. 9 1Q cm39.当半导体材料处于热平衡时,其电子浓度与空穴浓度的乘积为(B),并且该乘积和(E、F)有关,而与(C、D)无关。A、变化量;B、常数;C、杂质浓度;D、杂质类型;E、禁带宽度;F、温度40.在一定温度下,对一非简并n型半导体材料,减少掺杂浓度,会使得(C)靠近中间能级E;如果增加掺杂浓度,有可能使得(C)进入(A),实现重掺杂成为简
16、并半导体。A、EC;B、EV;C、EF;D、Eg;E、Ei。41.最有效的复合中心能级的位置在(D)附近,最有利于陷阱作用的能级位置位于(C)附近,并且常见的是(E)陷阱。AEAB EBC、EFD、E E、少子F、多子42.一块半导体寿命T15Q,光照在材料中会产生非平衡载流子,光照突然停止30 Q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/e2D、1/243.半导体中载流子的扩散系数决定于该材料中的(A)。A、散射机构;B、复合机构;C、杂质浓度梯度;C、表面复合速度。44.当Au掺入Si中时,它引入的杂质能级是 (A)能级,在半导体中起的是 (C)的作用;当B
17、掺入Si中时,它引入的杂质能级是(B)能级,在半导体中起的是(D)的作用。A、施主B、受主C、深能级D、浅能级45对大注入下的直接复合,非子寿命与平衡载流子浓度(A)A.无关;B.成正比;C.成反比;D.的平方成反比46. 3个硅样品的掺杂情况如下:甲.含镓1017cm;乙.含硼和磷各1017cm;丙.含铝1Eg被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。如果温度升高,则禁带宽度变窄,跃迁所需的能量变小,将会有更多的电子被激发到导带中。14.实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么?答:(1)理想半导体:假设晶格原子严格按周期性排列并静止在格点位置上,
18、实际半导体中原子不是静止的,而是在其平衡位置附近振动。(2)理想半导体是纯净不含杂质的,实际半导体含有若干杂质。(3)理想半导体的晶格结构是完整的,实际半导体中存在点缺陷,线缺陷和面缺陷等。15.举例说明什么是受主杂质,什么是p型半导体?答:温度一定时,扩散系数与迁移率的比值为定值,DnkoT爱因斯坦关系式,扩散系数q随掺杂杂质浓度的变化取决于迁移率,而qm迁移率受电离杂质散射的影BNiT3/ 2*答:能够接受电子而在价带中产生空穴,并形成负电中心的杂质, 称为受主杂质,掺有受主型杂质的半导体叫P型半导体。16.漂移运动和扩散运动有什么不同?答:漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动,
19、而扩散运动是由于浓度分布不均匀导致载流子从浓度高的地方向浓度底的方向的定向运动。前者的推动力是外电场,后者的推动力则是载流子的分布引起的。17.解释重掺杂半导体使禁带变窄的原因。答:重掺杂后杂质原子间出现轨道交叠,产生能级分裂,扩展为杂质能带,杂质能带中的电子可以在杂质原子间作共有化运动,杂质的电离能减小,杂质能带的带尾进入导带或价带, 使电离能变为零,引起禁带变窄。18.若P型硅中掺入受主杂质,EF是升高还是降低?若n型硅中掺入受主杂质,EF是升高还是降低?答:P型硅中掺入受主杂质,EF降低。费米能级是电子填充水平的标志,向P型硅中掺入受主杂质,随杂质浓度的增加,载流子浓度增加,费米能级下降
20、。n型硅中掺入受主杂质,EF降低。向n型硅中掺入受主杂质,考虑杂质补偿效应,有效施主浓度降低,费米能级下降。19.对于由直接复合过程所决定的半导体,在下述条件,是否有载流子的净复合或净产生:(1)在载流子完全耗尽(即n,p都远小于ni时)的半导体区域; 在n=p的半导体区域,此处nni,(3)在只有少数载流子被耗尽(例如,n型半导体中的空穴浓度pn远小于热平衡时的pn0而nn=nn0)的半导体区域。答:由于直接复合过程中,U正比于(np-nF),(1)npni2U小于零,有载流子的净产生;(2)npni2U大于零,有载流子的净复合。20.如图所示为费米分布函数与温度关系曲线。请指出图上三条曲线
21、A、B、C的温度关系。(1)在1、n、川三个带中,哪一个带的电子有效质量数值最小?*答:(III,因为能带最宽)(2)在考虑I、n两个带充满电子, 而第川个带全空的情况,如果少量电子进入第川个带,在n带中产生同样数目的空穴,那么n带中的空穴有效质量同川带中的电子有效质量相比, 是一样、还是大或小?答:(大,因为II窄,II的|mp|=ll的|m;|iii的)22请画出能量、速度、有效质量和波矢的关系。(见上图)四、证明题:1.对于某n型半导体,试证明其费米能级在其本征半导体的费米能级之上,即EFnEFi。一EC- EFnEC- EFinoni,利用(3-19)式有:Ncexp(-)NCexp(
22、-)成立koTkoT2假设在300K下,一种施主浓度为ND的非简并半导体,其禁带宽度为Eg、导带和价带有效状态密度分别为N-和Nv,试证明它由掺杂状态到本征状态的临界温度Td符合下式:0E自曲电子II*NCNV(Td)32(ccc)ND300k0ln*(3)11(4)证明:依题意有:nNDni而ni. NcNvexp(2kTd(1)NC32(2 m;koT)2h3(2)以及Nvh3(3)同时NC32(2 m;kTd)2h3(4)以及Nv3*牙2(2 mpkeTd)2h3(5)则NJNC(6)且有NvNvTd(7)将(6)、(7)式带入(1)式,有niTdEg2koTd证毕3假若一种半导体为n型
23、,除了掺杂浓度为ND的施主,还掺有少量的浓度为NA的受主,请证明弱电离情况下该半导体的电子浓度满足下式:n0沽;山呦详)式中施主的电离能为度。ED,NC为导带底有效状态密证明:热平衡状态下的电中性方程:n0pA=p0nD(1)对于本题的弱电离情况,pANA,p0可以忽略。而nDNDnDND(111TEEFTexp(-)2koT(2)所以(1)式为:n0NAND(1lexp(旦2koTND_/若假设NC少初誉)j)2koT*(3)11(4)*根据n0NCexXECEFkoT)(5),则得到:2n。(NCNA)NC(NDNA)0(6)求得:n。NCNA(NCNA)24NC(NDNA)(7)22式(
24、7)就是杂质未完全电离的载流子普遍公式。在极低温下,NCNA,而且n02可以忽略,则有:21 1dZ 2VdV 2V3(8mt2ml)2(E EC)2dE hNC(NDNA)NC(NDNA)2exp(EDkoT证毕。4试证明Si和Ge中导带底附近状态密度公式为:gc(E)4h32-(E1EC)1证明:Si、Ge导带底附近E(k) k关系:E(k)EC2 2h M(_2mtk3)ml(1)而已知椭球方程形式为:k12a2b2c2(2)对比可知椭球的三个轴:2mt(E EC)2ml(EEC)根据椭球体积公式:V椭球4rabcE范围的椭球壳体积为:h2h2设晶体体积为数为:V,则其量子态密度为43h
25、327(8g mJ (EdV dEdE 231(8m2ml)2(E(3)1E$dE(4)2V(考虑自旋),故在能量空间为dV体积内,量子态(5)*试用一iam躅匀摻杂杂浓度霞x的增加而下降).非筒井P型半导体模型导 出爱因斯坦关系式匕纬q证明;由于掺杂洙度不均匀,电离后空冗粮度也不均匀,形成扩散电流;空穴向右扩散的结果,使得左边帯负电,右边帯正电形成反 K 方向的自建电场 E,产生漂移电说:稳定时两者之和为零,即:-qD字+0 竹巩左=ax而 5=-,有电场存在时,夜各处产生附加势能一 qV(x),使得能带发生倾斜“dx在筈处的价带顶为:Ev(xEv-qV(x),贝丘处的空穴浓度为:巩(对二痴
26、(-禺)则:复二两(申一盼旳几q dx二-戲(X)壽孚KTdx吩 Iax因为导带极值在k空间有S个,则状态密度:gC(E)dZ4 VsdEi(8m2mi尸h3iEEC三(6)31若令2mdn2S8m;mi2,则有导带电子状态密度有效质量mdn3s22mtmi1空,证毕。4.*存在内建电场时,电子浓度公式为:n(x)=ncexp(EF+qV(x)-Ec)/koT;式中V(x)为各处不相等的电势。对上式求导,有:dno/dx= noq/koTdV(x)/dx(1);式中-dV(x)/dx=|E|(2)又因为热平衡时的电子电流和空穴电流的总电流应该分别为零,即(Jn)=(Jn)漂移+(Jn)扩散=0也就是qA(nunE-Dndno/dx)=0(3)把(2)式带入(1)式,再将(1)式带入(3)式,有:n UnE=DnnqE/k0T,即Dn/un= k0T/q。 同理,对于空穴有Dp/up= k0T/q。此两式称为爱因斯坦关系。三、写出半导体中载流子的连续性方程,并说明方程各项的物理意义。半导体载流子输运规律:左边是单位时间单位体积内载流子浓度变化率。半导体载流子输运规律右边第一项是为单位时间、 单位体积内由于载流子浓度梯度不均匀所引起的载流子积累(扩散运动)、第二项是漂移过程中单
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