半导体物理

1. （ D ）下面关于有效质量的叙述错误的是 。 A. 有效质量概括了半导体内部势场的作用

B. 有效质量直接把外力f和电子的加速度联系起来

C. 有效质量的引入使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用

D. 不是所有的有效质量都可以直接由实验测定

2. （ D ）对于只含一种杂质的非简并ｐ型半导体，费米能级随温度上升而 。 A. 上升 B. 下降 C. 不变

D. 经过一极值后趋近Ei

3. （ C ）一块半导体寿命τ=15μs，光照在材料中会产生非平衡载流子，光照突然停止30μs后，其中非平衡载流子将衰减到原来的 。 A.1/4 ； B.1/e ； C.1/e2 ； D.1/2 4. （ A ）不是深杂质能级特点的是 。 A. 杂质能级离带边较近 B. 多次电离（多重能级） C. 有可能成为两性杂质 D. ED，EA 可与Eg相比拟

5.（ B ）对于补偿的半导体材料，下列叙述正确的是 。 A.载流子浓度取决于杂质浓度较大者，载流子迁移率取决于电离杂质总浓度 B.载流子浓度取决于两种杂质浓度之差，载流子迁移率取决于电离杂质总浓度 C.载流子浓度取决于电离杂质总浓度，载流子迁移率取决于杂质浓度较大者 D.载流子浓度取决于电离杂质总浓度，载流子迁移率取决于两种杂质浓度之差

二、填空题

1. 半导体回旋共振实验的目的是测 有效质量 ，了解 能带结构 。

2. Si是 B（或者间接） （A.直接 B.间接）能隙结构，GaAs是 A（或者直接） （A.直接 B.间接）能隙结构

3. 纯净半导体Si中掺Ⅲ族元素的杂质，这种杂质称 受主 杂质；相应的半导体称 p 型半导体。

4. 电子在各能量状态上的分布服从 费米分布 的半导体称为简并半导体，可以采用 波尔兹曼分布 近似描述的半导体称为非简并半导体。

??p0 。5. n型半导体中只有一种施主杂质，杂质浓度为ND，则电中性条件为 n0?nD 6. 强n型半导体中，电阻率与迁移率的关系式??1nq?n。

7. 半导体中载流子在运动过程中遭到散射的根本原因是 周期性势场 的被破坏。

8. 电离杂质散射概率Pi，随着温度T的升高而 减小（或降低） ，随着电离杂质浓度的增大而 增大（或升高） 。

9. 最有效的复合中心能级的位置在 禁带中央 附近，最有利于陷阱作用的能级位置位于 平衡时的费米能级 附近。

10. p-n结电容包括 势垒 电容和 扩散 电容

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11. 平衡pn结的接触电势为VD?k0TNDNAln。 qni212. 制作欧姆接触最常用的方法是用 重掺杂 的半导体与金属接触。

13. 某N型Si 半导体的功函数WS 是4.3eV，金属Al 的功函数Wm 是4.2 eV，该半导体和金属接触时的界面将会形成 反阻挡层（或者欧姆接触） 。

三、问答题

1. （5分）深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？即二者在半导体中所起的作用。

深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用。(2.5分) 浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用。(2.5分)

2. （5分）什么是空穴？试指出空穴的主要特征。

空穴是未被电子占据的空量子态，被用来描述半满带中的大量电子的集体运动状态，是准粒子。(3分)

空穴的主要特征：

A、荷正电：+q；(0.5分)

B、空穴浓度表示为p（电子浓度表示为n）；(0.5分) C、EP=-En；0.5分) D、mP*=-mn*。(0.5分)

3. （5分）下图是室温下，NA?4?1015/cm3的p型硅中，Qs与表面势Vs的函数关系图。说明图中各部分曲线分别表示表面层的哪一个状态，并确定每个状态中外加电压VG和表面势Vs的正负性。

V?0(金属接负)，Vs?0多数载流子堆积状态：G。AB段（1分）

V?0，Vs?0平带状态：G。B点（1分）

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耗尽状态：反型状态：

VG?0(金属接正)，Vs?0VG?0(金属接正)，Vs?0。BC段（1分）

。CD段（弱反型）；DE段（强反型）（2分）

4.（5分）肖特基势垒二极管与pn结二极管的相同点是什么？前者区别于后者的主要特点是

什么？

相同点：

肖特基势垒二极管和pn结二极管具有类似的电流—电压关系，即它们都有单向导电性。(2分)

肖特基势垒二极管区别于pn结二极管主要特点为：

（1）就载流子的运动形式而言，pn结正向导通时，由p区注入n区的空穴或由n区注入p区的电子，都是少数载流子，它们先形成一定的积累，然后靠扩散运动形成电流。这种注入的非平衡载流子的积累称为电荷存贮效应，它严重地影响了pn结的高频性能。而肖特基势垒二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的。它是多数载流子器件。因此，肖特基势垒二极管比pn结二极管有更好的高频特件。(2分) （2）对于相同的势垒高度，肖特基二极管的JsD或JsT要比pn结的反向饱和电流Js大得多。即对于同样的使用电流，肖特基势垒二极管将有较低的正向导通电压，一般为0.3V。(1分)

5. 下图给出了电子的迁移率与温度及掺杂浓度的关系图，写出迁移率与温度的关系式，并试就此关系曲线说明硅样品电阻率与温度和掺杂浓度的关系。

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一般可以认为半导体中载流子的迁移率主要由声学波散射和电离杂质散射决定，因此迁移率μ与电离杂质浓度Ni和温度间T的关系可表为

q11 （或??）（3分） ??*BNmAT3/2?BNiAT3/2?3/2i3/2TT其中A、B是常量。由此可见

（1）杂质浓度较小时，μ随T的增加而减小；（2分）

（2）杂质浓度较大时，低温时以电离杂质散射为主、上式中的B项起主要作用，所以μ随T增加而增加，高温时以声学波散射为主、A项起主要作用，μ随T增加而减小；（3分）

（3）温度不变时，μ随杂质浓度的增加而减小。（2分）

6、（10分）画出外加正向偏压（小注入情况）下，pn结的能带图及载流子少子分布图，并比描述一下载流子的运动情况。

（3分）

（3分）

在p-n结两端加正向偏压V, V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-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-xp处的电子浓度由热平衡值np0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np0。在-xp处电子浓度为n(-xp)，同理，空穴向n区注入时，在n区一侧xn处的空穴浓度上升到p(xn)，经Lp后，恢复到pn0。（4分）

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四、计算题（

1.（10分）已知本征锗的电导率在310K时为3.56×10-2 S/cm， 在273K时为0.42×10-2S/cm。一个n型锗样品，在这两个温度时，其施主杂质浓度为ND?1015/cm3，假设电子和空穴的迁移率(不随掺杂而改变)分别为?n?3600cm2/(V?s)，?p?1700cm2/(V?s)。 试计算在310K和273K时掺杂锗的电导率。

解： T=310K时，本征载流子浓度为

?i3.56?10?212?3ni???42?10(cm)（1.5分） ?19q(?n???)1.6?10?(3600?1700)T=273K时，本征载流子浓度为

?i0.42?10?212?3ni???5.0?10(cm)（1.5分） ?19q(?n???)1.6?10?(3600?1700)?杂质全部电离(忽略ni的影响)?n0?ND?10(cm)由

n0p0?ni215?3（1分）

ni2得n0?

p0T=310K时，

少子浓度为：

ni2(42?1012)212?3p0???1.76?10(cm)（1分） 15n010电导率为：

??q(n0?n?p0?p)?1.6?10?19?(1015?3600?1.76?1012?1700)（2分） ?0.576(S/cm)T=273K时，

少子浓度为：

ni2(5.0?1012)210?3p0???2.5?10(cm)（1分） 15n010电导率为：

??q(n0?n?p0?p)?1.6?10?19?(1015?3600?2.5?1010?1700)（2分） ?0.576(S/cm)

2. （10分）已知在室温下（300K）三块半导体硅材料的空穴浓度分别为： p01?2.25?1016/cm3，p02?1.5?1010/cm3，p03?2.25?104/cm3。（室温下硅的禁带宽度

Eg?1.12eV，ni?1.5?1010/cm3，k0T?0.026eV）

（1）分别计算这三种硅材料的电子浓度n01，n02，n03；（3分） （2）判断这三种材料的导电类型；（3分） （3）分别计算这三种材料的费米能级的位置。（4分） 解：

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（1） 由n0p0?n2i得

ni2 n0?p0ni2(1.5?1010)24?3则n01???1?10(cm)（1分） 16p012.25?10ni2(1.5?1010)2n02???1.5?1010(cm?3)（1分） 10p021.5?10ni2(1.5?1010)216?3n03???1?10(cm)（1分） 4p032.25?10

（2） 因为p01?n01，即2.25?1016?1?104?cm?3?，故该材料为p型半导体。（1分）

因为p02?n02，即ni?n02?p02?1.5?1010(cm?3)，故该材料为本征半导体。（1分） 因为p03?n03，即2.25?104?1?1016?cm?3?，故该材料为n型半导体。（1分）

（3） 对p型半导体，有：p0?niexp(Ei?EF) k0T2.25?1016?0.026?14.2?0.37(eV)，即p型半导体的费米能级在所以Ei?EF?0.026ln101.5?10禁带中线下0.37eV处。 （1.5分）

对于本征半导体，费米能级位于禁带中线位置（1分）

E?Ei) 对n型半导体，有：n0?niexp(Fk0Tn01016EF?Ei?k0Tln?0.026ln?0.026?13.4?0.35(eV)，即n型半导体的费米能10ni1.5?10级在禁带中线上0.35eV处。（1.5分）

?p1?（10分）证明：直接复合时，非平衡载流子的寿命为??。 Udr(n0?p0)?r?p

证明：

在直接复合情况下，复合率R?rnp （2分） 非简并条件下产生率可视为常数，热平衡时产生率 G?R0?rn0p0?rni2 （2分）

因此净复合率

Ud?R?G?rnp?rni2?r?n0??n??p0??p??rni2 （3分）

?r?n0?p0??p???p?非平衡少子寿命

?p1???

Udr??n0?p0???p?

2??

（3分）

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