半导体物理学题库剖析.docx
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半导体物理学题库剖析
一.填空题
1.能带中载流子的有效质量反比于能量函数对于波矢的,引入有效质量的意义
在于其反映了晶体材料的的作用。
(二阶导数,内部势场)
2.半导体导带中的电子浓度取决于导带的(即量子态按能量如何分布)和
(即电子在不同能量的量子态上如何分布)。
(状态密度,费米分布函数)
3.两种不同半导体接触后,费米能级较高的半导体界面一侧带电,达到热平衡后
两者的费米能级。
(正,相等)
4.半导体硅的价带极大值位于空间第一布里渊区的中央,其导带极小值位于方向
上距布里渊区边界约0.85倍处,因此属于半导体。
([100],间接带隙)
5.间隙原子和空位成对出现的点缺陷称为;形成原子空位而无间隙原子的点缺
陷称为。
(弗仑克耳缺陷,肖特基缺陷)
6.在一定温度下,与费米能级持平的量子态上的电子占据概率为,高于费米能
级2kT能级处的占据概率为。
(1/2,1/1+exp
(2))
7.从能带角度来看,锗、硅属于半导体,而砷化稼属于半导体,后者
有利于光子的吸收和发射。
(间接带隙,直接带隙)
&通常把服从的电子系统称为非简并性系统,服从的电子系统称为简
并性系统。
(玻尔兹曼分布,费米分布)
9.对于同一种半导体材料其电子浓度和空穴浓度的乘积与有关,而对于不同的半
导体材料其浓度积在一定的温度下将取决于的大小。
(温度,禁带宽度)
10.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和纤锌矿等两种晶格结构。
(金刚石,闪锌矿)
11.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
为禁带半导体,否则称为禁带半导体。
(直接,间接)
12.半导体载流子在输运过程中,会受到各种散射机构的散射,主要散射机构有
、、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。
(电离杂质的散射,晶格振动的散射)
13.半导体中的载流子复合可以有很多途径,主要有两大类:
的直接复合和通过
禁带内的进行复合。
(电子和空穴,复合中心)
14.
pn结击穿,
反向偏置pn结,当电压升高到某值时,反向电流急剧增加,这种现象称为主要的击穿机理有两种:
击穿和击穿。
(雪崩,隧道)
•选择题
3.有效复合中心的能级必靠近(A)。
5.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(A)。
A.1/nOB.1/△nC.1/p0D.1/△p
6.
在Si材料中掺入P,则引入的杂质能级(B)
7.公式「二q./m*中的t是半导体载流子的(C)。
A.迁移时间B.寿命
8.对于一定的n型半导体材料,温度一定时,减少掺杂浓度,将导致(
D
)靠近Ei。
A.Ec
B.Ev
C.Eg
D.Ef
9.在晶体硅中掺入元素(
A.锗B.磷
B)杂质后,能形成N型半导体。
C.硼D.锡
10.
对大注入条件下,在一定的温度下,非平衡载流子的寿命与(
11.重空穴是指(C)
A.质量较大的原子组成的半导体中的空穴B•价带顶附近曲率较大的等能面上的空穴
C.价带顶附近曲率较小的等能面上的空穴
D.自旋一轨道耦合分裂出来的能带上的空穴
12.
电子在导带能级中分布的概率表达式是(C)。
3
B.
A.平方成正比
C.平方成反比
次方成反比
2
3
D.-次方成正比
2
14.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
15.一般半导体器件使用温度不能超过一定的温度,这是因为载流子浓度主要来源于,而将忽略不计。
(A)
A.杂质电离,本征激发B.本征激发,杂质电离
C.施主电离,本征激发D.本征激发,受主电离
16..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宙后,
其中非平衡载流子将衰减到原来的(C)。
2
A.1/4B.1/eC.1/eD.1/2
17.半导体中由于浓度差引起的载流子的运动为(B)。
A.漂移运动
B.扩散运动
C.热运动
D.共有化运动
18.硅导带结构为(D)。
A.位于第一布里渊区内沿<100>方向的6个球形等能面
B.一半位于第一布里渊区内沿<111>方向的6个球形等能面
C.一半位于第一布里渊区内沿<111>方向的8个椭球等能面
D.位于第一布里渊区内沿<100>方向的6个椭球等能面
19.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)o
A.变大,变小B.变小,变大C.变小,变小D.变大,变大
20.与半导体相比较,绝缘体的价带电子激发到导带所需的能量(A)o
A.比半导体的大B.比半导体的小
C.与半导体的相等D.不确定
21.一般半导体它的价带顶位于,而导带底位于o(D)
A.波矢k=0或附近,波矢k丰0B.波矢心0,波矢k=0或附近
C.波矢k=0,波矢k丰0D.波矢k=0或附近,波矢k丰0或k=0
22.锗的晶格结构和能带结构分别是(C)o
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
23.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(D)o
A.施主B.复合中心C.陷阱D.两性杂质
24.杂质对于半导体导电性能有很大影响,下面哪两种杂质分别掺杂在硅中能显著地提高硅
的导电性能(C)o
A.硼或铁B.铁或铜C.硼或磷D.金或银
25.
当施主能级Ed与费米能级
A.1B.1/2
26.
&是乙的3/4,mn*/mo
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
值是乙的2倍,那么用类氢模型计算结果是(D)。
A.
甲的施主杂质电离能是乙的
8/3,弱束缚电子基态轨道半径为乙的
3/4
B.
甲的施主杂质电离能是乙的
3/2,弱束缚电子基态轨道半径为乙的
32/9
C.
甲的施主杂质电离能是乙的
16/3,弱束缚电子基态轨道半径为乙的
8/3
D.
甲的施主杂质电离能是乙的
32/9,的弱束缚电子基态轨道半径为乙的
3/8
27.本征半导体费米能级的表达式是。
(B)
(a)。
B.含磷1x1016cm3的硅
D.纯净的硅
29.下面情况下的材料中,室温时功函数最大的是
153
a.含硼1x10cm的硅
C.含硼1x1015cm-3,磷1x1016cnf的硅
30.—般可以认为,在温度不很高时,能量大于费米能级的量子态基本上,而能量
小于费米能级的量子态基本上为,而电子占据费米能级的概率在各种温度下总是
,所以费米能级的位置比较直观地标志了电子占据量子态的情况,通常就说费米
能级标志了电子填充能级的水平。
(
A.没有被电子占据,电子所占据,1/2C.没有被电子占据,电子所占据,1/3
A)
B.电子所占据,没有被电子占据,1/2
D.电子所占据,没有被电子占据,1/3
三•简答题
1•简要说明费米能级的定义、作用和影响因素。
答:
电子在不同能量量子态上的统计分布概率遵循费米分布函数:
f(E)
费米能级Ef是确定费米分布函数的一个重要物理参数,在绝对零度是,费米能级Ef反
映了未占和被占量子态的能量分界线,在某有限温度时的费米能级Ef反映了量子态占据概
率为二分之一时的能量位置。
确定了一定温度下的费米能级&位置,电子在各量子态上的统计分布就可完全确定。
费米能级Ef的物理意义是处于热平衡状态的电子系统的化学势,即在不对外做功的情况下,系统中增加一个电子所引起的系统自由能的变化。
半导体中的费米能级Ef一般位于禁带内,具体位置和温度、导电类型及掺杂浓度有关。
只有确定了费米能级&就可以统计得到半导体导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度。
2•在本征半导体中进行有意掺杂各种元素,可改变材料的电学性能。
请解释什么是浅能级
杂质、深能级杂质,它们分别影响半导体哪些主要性质;什么是杂质补偿?
杂质补偿的意义
何在?
答:
浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。
它们电离后将成为带正电(电离施主)或带负电(电离受主)的离子,并同时向导带提供电子或向价带提供空穴。
它可有效地提高半导体的导电能力。
掺杂半导体又分为n型半导体和p型半导体。
深能级杂质是指杂质所在的能级位置在禁带中远离导带或价带,在常温下很难电离,不能对
导带的电子或价带的空穴的浓度有所贡献,但它可以提供有效的复合中心,在光电子开关器
件中有所应用。
当半导体中既有施主又有受主时,施主和受主将先互相抵消,剩余的杂质最后电离,这就是
杂质补偿。
利用杂质补偿效应,可以根据需要改变半导体中某个区域的导电类型,制造各种器件。
3.什么叫受主?
什么叫受主电离?
受主电离前后有何特征?
答:
半导体中掺入受主杂质后,受主电离后将成为带负电的离子,并同时向价带提供空穴,
这种杂质就叫受主。
受主电离成为带负电的离子(中心)的过程就叫受主电离。
受主电离前带不带电,电离后带负电。
4•什么叫复合中心?
何谓间接复合过程?
有哪四个微观过程?
试说明每个微观过程和哪些参数有关。
答:
半导体内的杂质和缺陷能够促进复合,称这些促进复合的杂质和缺陷为复合中心;
间接复合:
非平衡载流子通过复合中心的复合;
四个微观过程:
俘获电子,发射电子,俘获空穴,发射空穴;俘获电子:
和导带电子浓度和空穴复合中心浓度有关。
发射电子:
和复合中心能级上的电子浓度。
俘获空穴:
和复合中心能级上的电子浓度和价带空穴浓度有关。
发射空穴:
和空的复合中心浓度有关。
5•漂移运动和扩散运动有什么不同?
两者之间有什么联系?
答:
漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动,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。
漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系。
而非简并半导体的迁移率与扩
散系数则通过爱因斯坦关系相联系,二者的比值与温度成反比关系。
即
DkoT
6•简要说明pn结空间电荷区如何形成?
答:
当p型半导体和n型半导体结合形成pn结时,由于两者之间存在载流子浓度梯度,从而导致了空穴从p区到n区、电子从n区到p区的扩散运动。
对于p区,空穴离开后留下了不可动的带负电荷的电离受主,因此在p区一侧出现了一个负电荷区;同理对于n区,电子
离开后留下了不可动的带正电荷的电离施主,因此在n区一侧出现了一个正电荷区。
这样带
负电荷的电离受主和带正电荷的电离施主形成了一个空间电荷区,并产生了从n区指向p
区的内建电场。
在内建电场作用下,载流子的漂移运动和扩散运动方向相反,内建电场阻碍载流子的扩散运动。
随内建电场增强,载流子的扩散和漂移达到动态平衡。
此时就形成了一定宽度的空间电荷区,并在空间电荷区两端产生了电势差,即pn结接触电势差。
7•简要说明载流子有效质量的定义和作用。
答:
能带中电子或空穴的有效质量m的定义式为:
*h2
m2
d2E(k)dk2
有效质量m与能量函数E(k)对于波矢k的二次微商,即能带在某处的曲率成反比;能
带越窄,曲率越小,有效质量越大,能带越宽,曲率越大,有效质量越小;
在能带顶部,曲率小于零,则有效质量为负值,在能带底部,曲率大于零,则有效质
量为正值。
有效质量的意义在于它概括了内部势场的作用,使得在解决半导体中载流子在外场作用下的
运动规律时,可以不涉及内部势场的作用。
&对于掺杂的元素半导体Si、Ge中,一般情形下对载流子的主要散射机构是什么?
写出其主要散射机构所决定的散射几率和温度的关系。
答:
对掺杂的元素半导体材料Si、Ge,其主要的散射机构为长声学波散射和电离杂质散射
其散射几率和温度的关系为:
声学波散射:
Ps氏T32,电离杂质散射:
p戈NiT,/2
9.说明能带中载流子迁移率的物理意义和作用。
答:
载流子迁移率」反映了单位电场强度下载流子的平均漂移速度,其定义式为:
Vd2
;其单位为:
cm/Vs
E
半导体载流子迁移率的计算公式为:
J尽
m
其大小与能带中载流子的有效质量成反比,与载流子连续两次散射间的平均自由时间成正比。
确定了载流子迁移率和载流子浓度就可确定该载流子的电导率。
四•证明题
1试推证:
对于只含一种复合中心的间接带隙半导体晶体材料,在稳定条件下非平衡载流子的净复合率公式
.2
Ntrnrpfnp—n)
LU—
MmrppP!
证:
题中所述情况,主要是间接复合起作用,包含以下四个过程。
甲:
电子俘获率=rnn(Nt-nt)
乙:
电子产生率=rnnintni=niexp((Et-Ei)/koT)
丙:
空穴俘获率=rppnt
丁:
空穴产生率=rppi(Nt-nt)pi=niexp((Ei-Et)/koT)
稳定情况下净复合率
(1)
上甲-乙=丙-丁
稳定时
甲+丁=丙+乙
将四个过程的表达式代入上式解得
nrn+pi「p
rn(nnJrp(ppj
(3)
2叭(np-np)
rn(nnJrp(ppj
由pi和ni的表达式可知
2
pini=ni代入上式可得
r2
Ntrjpnpf
Gnni心ppi
2•试用一维非均匀掺杂(掺杂浓度随x的增加而下降),非简并p型半导体模型导出爱因斯
证明:
由于掺杂浓度不均匀,电离后空穴浓度也不均匀,形成扩散电流:
dp。
Jp「-qDp0
dx
空穴向右扩散的结果,使得左边带负电,右边带正电,形成反x方向的自建电场E,产生漂
移电流:
j漂二q丄ppoE
稳定时两者之和为零,即:
-qDpdxqW
dV
而E,有电场存在时,在各处产生附加势能-qV(x),使得能带发生倾斜。
dx
在x处的价带顶为:
Ev(x)=Ev-qV(x),则x处的空穴浓度为:
qdV
dp
koT
f(x)齐
3.证明非平衡载流子的寿命满足八pt二八p°e•,并说明式中各项的物理意义。
证明:
单位时间内非平衡载流子的减少数二
而在单位时间内复合的非平衡载流子数二空
如果在t二O时刻撤除光照
则在单位时间内减少的非平衡载流子数=在单位时间内复合的非平衡载流子数,即d〔巾t丨_p
dts
在小注入条件下,T为常数,解方程
(1),得到
t
也p(t)=^p(oe忌—-
(2)
式中,△p(O)为t=o时刻的非平衡载流子浓度。
此式表达了非平衡载流子随时间呈指数衰减的规律。
得证。
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