半导体物理试卷a答案

1、一、名词解释（本大题共 5 题 每题 4分，共 20 分）受主能级：通过受主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级。正常情况下，此能 级为空穴所占据，这个被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。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。空穴：当满带顶附近产生P0个空态时，其余大量电子在外电场作用下所产 生的电流，可等效为P0个具有正电荷q和正有效质量竹，速度为v（k）的准经典 粒子所产生的电流，这样的准经典粒子称为空穴。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

2、=n-n0和空穴 p=p-p0 称为过剩载流子。费米能级、化学势答：费米能级与化学势：费米能级表示等系统处于热平衡状态，也不对外做 功的情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化，等于系统的化学势。 处于热平衡的系统有统一的化学势。这时的化学势等于系统的费米能级。费米能 级和温度、材料的导电类型杂质含量、能级零点选取有关。费米能级标志了电子 填充能级水平。费米能级位置越高，说明较多的能量较高的量子态上有电子。随 之温度升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的几率下降，而电子占据能量 大于费米能级的量子态的几率增大。二、选择题（本大题共5题 每题3分，共15分）对于大注入下的直接辐射复合，

3、非平衡载流子的寿命与（D ）A. 平衡载流子浓度成正比B. 非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：含铝 1x10-i5cm-3乙含硼和磷各 1x10-i7cm-3丙.含镓 1x10-i7cm-3室温下，这些样品的电阻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）命正比于（C）A.1/n0B.l/DnC.1/p0D.l/Dp5以下 4 种半导体中最适合于

4、制作高温器件的是（ D ）A. SiB. GeC. GaAsD. GaN三、填空：（每空 2 分，共 20 分）1 ）半导体的晶格结构式多种多样的，常见的 Ge 和 Si 材料，其原子均通过 共价键四面体相互结合，属于 金刚石 结构；与Ge和Si晶格结构类似，两 种不同元素形成的化合物半导体通过共价键四面体还可以形成闪锌矿和 纤锌矿 等两种晶格结构。2）如果电子从价带顶跃迁到导带底时波矢 k 不发生变化，则具有这种能带 结构的半导体称为直接禁带半导体，否则称为间接禁带半导体，那么按这种原 则分类，GaAs属于直接禁带半导体。3）半导体载流子在输运过程中，会受到各种散射机构的散射，主要散射机构

5、有晶格振动散射、 电离杂质散射、中性杂质散射、位错散射、载流子间的散 射和等价能谷间散射。4）半导体中的载流子复合可以有很多途径，主要有两大类：带间电子-空穴直 接复合和通过禁带内的复合中心 进行复合。5）反向偏置 pn 结，当电压升高到某值时，反向电流急剧增加，这种现象称为pn结击穿，主要的击穿机理有两种：雪崩 击穿和 隧道 击穿。三、简答题（15 分）1）当电子和空穴的浓度是空间和时间的函数时，它们随时间的变化率将由载流 子的扩散、漂移及其产生和复合所决定，由电子数、空穴数的守恒原则，试写 出载流子随时间的净变化率（生）和（算），并加以说明。（6分）dtdt解：载流子随时间的净变化率（|）

6、和（专）为 分） 右边第一项为扩散项，第二项为漂移项，第三项为产生，第四项为复合。注意 为电场，是几何空间坐标的函数，该式为连续性方程.dp (QAp) dtdt=dp (QAp) dtdt=D V2ppe) + 8 一空ppG Tdn _ (dAn) dtdt_ D V2n +yV(ne) + 8 -nnG Tp每个式子 2 分，说明 22）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？（9 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

7、区的电场强度减弱，势垒高度由平衡时 的qVD下降到q（VD-V,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，使一x力处的电子浓度由热平衡值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-兀力处电子 浓度为n（-xTp），同理，空穴向n区注入时，在n区一侧勺处的空穴浓度上升到 P（XTn），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qVD+g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

8、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，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。（5 分）电流密度方程：j二j电流密度方程：j二jDsexpqV2 分）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）四、计算题 （共 3 小题，每题 10 分，共 30分）1.已知室温时锗的本征载流子浓度n=2-1 x 1013cim-3，均匀掺杂百万分之一的硼 原子后，又均匀掺入1.442xl0i7cm-3的砷，计算掺杂锗室温时的多子浓度

9、和少子 浓度以及Ef的位置。（10分）解：硼的浓度：NA=4.42x10i6cm-3。有效施主杂质浓度为： ND=（14.42-4.42）x1016cm-3=1017cm-3室温时下杂质全部电离，由于有效杂质浓度远大于本征载流子浓度2.4x10i3cm-3,锗半导体处于饱和电离区。多子浓度 n0=ND= 10i7cm-3少子浓度 p0=ni2/n0=(2.4x 1013)2/10i7=5.76x109(cm-3)费米能级：EF=EC+k0Tln(ND/NC)=EC+0.026ln10i7/(1.1 x 10i9)=EC - 0.122(eV) 2、掺有1.1x1015 cm-3硼原子和9x10

10、14 cm-3磷原子的Si样品，试计算室温时多Nd=9 Nd=9 x1014cm-3; NA=1-1x1015cm-3； TTOOK 时 ni=24x1013cm-3解：对于 Si多子浓度:no=N 一 N = 2 x 1014 cm -3多子浓度:noD A ；p0少子浓度: 0n2 = (2.4x 1013)2 cm-3 = 2.88x 1012cm-32 x1014P =nqp + pqpn qpnp 0 n=8.01Q.cm2x1014 x1.6 x10 -19 x 39003.由电阻率为4G.cm的p型Ge和0.4Q.Cm的n型Ge半导体组成一个p-n结,计算在室温（300K）时内建

11、电势VD和势垒宽度xD。已知在上述电阻率下，p区的空穴迁移率卩=1650cm2/V.S, np区的电子迁移率卩=3000cm 2 / V.S，Ge的本征载流子浓度 n = 2.5x1013 /cm3，i真空介电常数80= 8.85 x 10 一12 F / m, 8 = 16. s10分)解：o = = nq p n n =-n P n P qp0.4x1.6x10-19x3600nn n=4.34 x 1015 cm-3 ( 2 分)=pqp n p = 9.19x 1014cm-3(2 分)ppp qp4 x1.6 x 10-19 x1700pp pKT np 1.38x10-23x3004.34 x1015 x 9.19 x1014= In =In= 0.2267V (3 分)q n 2