半导体物理2复习总结讲解.docx

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半导体物理2复习总结讲解

一、名词解释

1．能带

晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。

这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。

2．有效质量

有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。

它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。

其大小由晶体自身的E-k关系决定。

3．施主杂质

某种杂质取代半导体晶格原子后，在和周围原子形成饱和键结构时，若尚有一多余价电子，且该电子受杂质束缚很弱、电离能很小，所以该杂质极易提供导电电子，因此称这种杂质为施主杂质

4．施主能级

施主未电离时，在饱和共价键外还有一个电子被施主杂质所束缚，该束缚态所对应的能级称为施主能级。

5．受主能级

受主杂质电离后所接受的电子被束缚在原来的空状态上，该束缚态所对应的能级称为受主能级。

6．深杂质能级

一些非IIIV族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，它们产生的受主能级距离价带顶也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。

7．直接复合

导带中的电子不通过任何禁带中的能级直接与价带中的空穴发生的复合

8．间接复合

杂质或缺陷可在禁带中引入能级，通过禁带中能级发生的复合被称作间接复合。

相应的杂质或缺陷被称为复合中心。

9．俄歇复合

载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴复合时，把多余的能量付给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量常以声子形式放出，这种复合称为俄歇复合。

10．扩散

由于浓度不均匀而导致的微观粒子从高浓度处向低浓度处逐渐运动的过程。

11．空穴

空穴是为处理价带电子导电问题而引进的概念。

设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷，并赋予其与电子符号相反、大小相等的有效质量，这样就引进了一个假想的粒子，称其为空穴。

它引起的假想电流正好等于价带中的电子电流。

12．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-n0和空穴△p=p-p0称为过剩载流子。

13．准费米能级

对于非平衡半导体，导带和价带间的电子跃迁失去了热平衡。

但就它们各自能带内部而言，由于能级非常密集、跃迁非常频繁，往往瞬间就会使其电子分布与相应的热平衡分布相接近，因此可用局部的费米分布来分别描述它们各自的电子分布。

这样就引进了局部的非米能级，称其为准费米能级。

14．费米能级

费米能级不一定是系统中的一个真正的能级，它是费米分布函数中的一个参量，具有能量的单位，所以被称为费米能级。

它标志着系统的电子填充水平，其大小等于增加或减少一个电子系统自由能的变化量。

15．势垒电容

PN结上外加电压的变化，导致势垒去区的空间电荷数量随外加电压变化，这种电容效应称为势垒电容。

在耗尽层近似下，PN结反向偏压下的势垒电容可以等效为一个平行板电容器的电容。

16．扩散电容

正向偏压下，PN结扩散长度内形成非平衡空穴和电子的积累，当偏压变化时，扩散区内积累的非平衡载流子发生改变，这种扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，成为PN结的扩散电容。

17．欧姆接触

欧姆接触是指金属和半导体之间形成的接触电压很小，基本不改变半导体器件特性的非整流接触。

18．表面电场效应

在半导体MIS结构的栅极施加栅压后，半导体表面的空间电荷区会随之发生变化，通过控制栅压可使半导体表面呈现出不同的表面状态，这种现象就是所谓的表面电场效应。

19．理想PN结电流电压方程及IV图

20．表面态

它是由表面因素引起的电子状态，这种表面因素通常是悬挂键、表面杂质或缺陷，表面态在表面处的分布几率最大。

21．表面电场效应

在半导体MIS结构的栅极施加栅压后，半导体表面的空间电荷区会随之发生变化，通过控制栅压可使半导体表面呈现出不同的表面状态，这种现象就是所谓的表面电场效应。

22．激子吸收

在低温时发现，某些晶体在本征吸收连续光谱区的低能侧靠近吸收限附近存在一系列吸收线，并且对应于这些吸收线不伴随有光电导，这种吸收成为激子吸收。

23．自由载流子吸收

当入射光的波长较长，不足以引起带间跃迁或形成激子时，半导体中仍然存在光吸收，而且吸收系数随着波长的增加而增加。

这种吸收是自由载流子在同一能带内的跃迁引起的，称为自由截流子吸收。

24．杂质吸收

杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级，例如Ge和Si中的III族和V族杂质。

占据杂质能级的电子或空穴的跃迁可以引起光吸收，这种吸收称为杂质吸收，可以分为下面三种类型：

吸收光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发态或导带的跃迁；中性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁；电离受主到电离施主间的跃迁。

25．半导体发光

处于激发态的电子可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放出能量，也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子。

就是半导体的发光现象。

二、选择题

1．下列材料中，不是半导体材料是（）

AAlSb　　　　　BAlNi　　　CGaNDGaAs

2．半导体GaAs晶体结构是（）

A闪锌矿B金刚石C铅锌矿D氯化钠

3．施主杂质电离后向半导体提供（）

A空穴B电子C质子D中子

4．受主杂质电离后向半导体提供（）

A空穴B电子C质子D中子

5．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、比半导体的大，B、比半导体的小，

C、与半导体的相等。

5．衡量电子填充能级水平的是（）

A施主能级　　B费米能级　　C受主能级D缺陷能级

6．硅中非平衡载流子的复合主要依靠（）

A直接复合B间接复合C俄歇复合D直接和间接复合

7．室温下，半导体Si中掺有浓度为1.1×1015cm－3的硼，则电子浓度约为（）。

（已知：

室温下，ni≈1.5×1010cm-3）

A1014cm-3B1015cm-3C1010cm-3D105cm-3

8．pn结反偏状态下，空间电荷层的宽度随外加电压数值增加而（）。

A．展宽B．变窄C．不变

9．下列哪一项不属于影响PN结电流电压特性偏离理想方程的因素（）

A．表面效应B．势垒区中的产生于复合C．大注入条件D.非平衡态

10．半导体功函数是指（）

A导带底电子变成真空中自由电子所需最低能量

B价带顶电子变成真空中自由电子所需最低能量

C真空中自由电子最低能级与半导体本征费米能级之差

D真空中自由电子最低能级与半导体费米能级之差

11．理想的金属半导体接触会形成不同效果，下列接触形成阻挡层的是（）

An型半导体，Wm>WsBn型半导体，Wm

Cp型半导体，Wm>WsDp型半导体，Wm=Ws

12．下列器件不是利用半导体表面效应制成的是（）

AMOS器件

B电荷耦合器件

C表面发光器件

D热敏电阻

13.下列半导体材料中，哪个材料可以吸收2微米以上的红外光（）

ASiBGeCGaAsDInSb

14.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）。

A.施主B.受主C.复合中心D两性杂质

15.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εr是乙的3/4，mn*/m0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

16.一块半导体寿命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（C）。

A.1/4；B.1/e；C.1/e2；D.1/2

17.在室温下，非简并Si中电子扩散系数Dｎ与ＮＤ有如下图（C）所示的最恰当的依赖关系：

　　　　Ｄｎ　　　　　Ｄｎ　　　　　Ｄｎ　　　　　　　　　　　Ｄｎ

　　　　　Ａ　　　　Ｂ　　　Ｃ　　　　Ｄ

18.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.Ei；D.EF

19.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。

20.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。

21.在磷掺杂浓度为2×1016cm-3的硅衬底（功函数约为4.25eV）上要做出欧姆接触，下面四种金属最适合的是（A）。

A.In（Wm=3.8eV）；B.Cr（Wm=4.6eV）；C.Au（Wm=4.8eV）；D.Al（Wm=4.2eV）。

三、简答

1.杂质对半导体造成的影响

杂质的出现，使得半导体中产生了局部的附加势场，这使严格的周期性势场遭到破坏。

从能带的角度来讲，杂质可导致导带、价带或禁带中产生了原来没有的能级

2.施主能级及其特征

施主未电离时，在饱和共价键外还有一个电子被施主杂质所束缚，该束缚态所对应的能级称为施主能级。

特征：

①施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子；

②电子浓度大于空穴浓度，即n>p。

3.受主能级及其特征

受主杂质电离后所接受的电子被束缚在原来的空状态上，该束缚态所对应的能级称为受主能级。

特征：

①受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴；

②空穴浓度大于电子浓度，即p>n。

4.深能级杂质的特点和作用：

（1）不容易电离，对载流子浓度影响不大

（2）一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。

（3）能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。

（4）深能级杂质电离后成为带电中心，对载流子起散射作用，

使载流子迁移率减少，导电性能下降。

5.以n型硅为例，简要说明迁移率与杂质浓度和温度的关系。

杂质浓度升高，散射增强，迁移率减小。

低温时，以电离杂质散射为主。

温度升高散射减弱，迁移率增大。

随着温度的增加，晶格振动散射逐渐增强最终成为主导因素。

因此，迁移率达到最大值后开始随温度升高而减小。

6.以n型半导体为例说明电阻率和温度的关系。

答：

低温时，温度升高载流子浓度呈指数上升，且电离杂质散射呈密函数下降，因此电阻率随温度升高而下降；当半导体处于强电离情况时，载流子浓度基本不变，晶格震动散射逐渐取代电离杂质散射成为主要的散射机构，因此电阻率随温度由下降逐渐变为上升；高温时，虽然晶格震动使电阻率升高，但半导体逐渐进入本征状态使电阻率随温度升高而迅速下降，最终总体表现为下降。

7.300K时，Ge的本征电阻率为47Ω·cm，电子和空穴迁移率分别为3900cm2/V·S和1900cm2/V·S，试求本征Ge的载流子浓度。

答：

T=300K，ρ＝47Ω·cm，μn＝3900cm2/V·S，μp＝1900cm2/V·S

8.画出p型半导体形成的理想MIS结构的C-V特性曲线，并说明高频情况与低频情况的差别。

p型半导体形成的理想MIS结构特性曲线的C-V如下

高频和低频情况的区别在于接近强反型时，低频情况空间电荷层电容迅速增加并趋近于无穷大，而高频情况空间电荷称电容则会保持在最小值上。

前者是由于半导体表面处于强反型时，由于反型层中的电子浓度与表面势呈指数关系，导致空间电荷层电容随表面势变化呈指数规律，即，Cs∝exp（qVs/2k0T）。

而C/C0=1/（1+C0/Cs），所以C-V特性曲线在VG>VT后迅速增加，最终趋近于1。

高频时，由于没有少子产生与复合的时间，应此反型电子对电容没有贡献，只能通过空间电荷层的宽度变化来承担表面势的变化，所以Cs仍与空间电荷层宽度Xd成反比。

弱反型时，Xd随表面势而增加。

当VG>VT后，开始进入强反型，Xd很快趋于饱和，所以曲线保持在最小值上。

9.半导体对光的吸收有哪些？

本征吸收，激子吸收，杂质吸收，自由载流子吸收，晶格振动吸收等。

10.如金属和一n型半导体形成金属－半导体接触，请简述在什么条件下，形成的哪两种不同电学特性的接触，说明半导体表面的能带情况，并画出对应的I-V曲线。

（忽略表面态的影响）

答：

在金属和n型半导体接触时，如金属的功函数为Wm,半导体的功函数为Ws。

当Wm＞Ws时，在半导体表面形成阻挡层接触，是个高阻区，能带向上弯曲；（2分）

当Wm＜Ws时，在半导体表面形成反阻挡层接触，是个高电导区，能带向下弯曲；（2分）

对应的I-V曲线分别为：

四、综合题（共32分）

可能用到的信息：

Si原子密度：

5.00×1022/cm3，

Si本征载流子浓度（室温）：

ni＝1.5×1010/cm3，

迁移率（室温）：

Sin=1350cm2/V.s，p=500cm2/V.s；

Si有效状态密度：

Nc=2.8×1019/cm3，Nv＝1.1×1019/cm3

电子电量为1.6×10－19C；普朗克常数h＝6.625×10－34J.s；室温时k0T=0.026eV

图1：

Si电阻率与杂质浓度的关系

图2：

Si迁移率与杂质浓度的关系

1.设E－EF为1.5k0T，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。

解：

费米分布函数为

（2分）

当E－EF等于1.5k0T时，f＝0.182（1分）

玻耳兹曼分布函数为

（2分）

当E－EF等于1.5k0T时，f＝0.223（1分）

上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.掺有1.1×1016cm-3硼原子和9×1015cm-3磷原子的Si样品，试计算室温时多数载流子和少数载流子浓度及样品的电阻率。

解：

对于硅材料：

ND=9×1015cm-3；NA＝1.1×1016cm-3；（1分）

T＝300k时ni=1.5×1010cm-3：

（1分）

；（2分）

（2分）

3．计算

（1）掺入ND为1×1015个/cm3的施主硅，在室温（300K）时的电子浓度n0和空穴浓度p0分别为多少？

（其中本征载流子浓度ni=2×1010个/cm3。

）

（2）如果在

（1）中掺入NA=5×1014个/cm3的受主，那么n0和p0分别为多少？

（3）如果在

（1）中掺入NA=1×1015个/cm3的受主，那么n0和p0又为多少？

1．解：

（1）300K时可认为施主杂质全部电离。

则（1分）

（1分）

（2）掺入了NA=5×1014个/cm3的受主，那么同等数量的施主得到了补偿。

则

（1分）

（1分）

（3）因为施主和受主相互完全补偿，杂质的掺杂不起作用。

因此该半导体可看作是本征半导体（实际上不是）。

则

（2分）

4.室温下，在本征硅单晶中掺入浓度为1015cm-3的杂质硼后，再在其中掺入浓度为3×1015cm-3的杂质磷。

试求：

（1）载流子浓度和电导率。

（2）费米能级的位置。

（注：

电离杂质浓度分别为1015cm-3、3×1015cm-3、4×1015cm-3时，电子迁移率分别为1300、1130和1000cm2/V.s，空穴迁移率分别为500、445和400cm2/V.s；在300K的温度下，

，

，

，

）

答：

室温下，该半导体处于强电离区，则多子浓度

（2分）

少子浓度

；（2分）

电导率

（2分）

（2）根据

（2分）

可得

所以费米能级位于禁带中心之上0.31eV的位置。

（2分）

5.在一个均匀的n型半导体的表面的一点注入少数载流子空穴。

在样品上施加一个50V/cm的电场，在电场力的作用下这些少数载流子在100μs的时间内移动了1cm，求少数载流子的漂移速率、迁移率和扩散系数。

（kT=0.026eV）

解：

在电场下少子的漂移速率为：

（2分）

迁移率为：

（2分）

扩散系数为：

（2分）

6.在室温下，锗的有效状态密度Nc＝1.05×1019cm－3，Nv＝5.7×1018cm－3，试求锗的载流子有效质量mn*和mp*。

计算77k时的Nc和Nv。

已知300k时，Eg＝0.67eV。

77k时Eg＝0.76eV。

求这两个温度时锗的本征载流子浓度。

[解]室温下，T=300k（27℃）,k0=1.380×10-23J/K，h=6.625×10-34J·S，

对于锗：

Nc＝1.05×1019cm－3，Nv=5.7×1018cm－3：

根据（3－18）式：

（2分）

根据（3－23）式：

（2分）

77k时的Nc和Nv：

（1分）

同理：

（1分）

300k时的ni：

（2分）

77k时的ni：

（2分）

7.计算含有施主杂质浓度ND＝9×1015cm-3及受主杂质浓度为1.1×1016cm-3的硅在300k时的电子和空穴浓度以及费米能级的位置。

[解]对于硅材料：

ND=9×1015cm-3；NA＝1.1×1016cm-3；T＝300k时ni=1.5×1010cm-3：

；（2分）

（2分）

∵

且

（2分）

∴

∴

（2分）

8.试计算本征Si在室温时的电导率，设电子和空穴迁移率分别为1350cm2/V·S和500cm2/V·S。

当掺入百万分之一的As后，设杂质全部电离，试计算其电导率。

比本征Si的电导率增大了多少倍？

[解]T=300K,，μn＝1350cm2/V·S，μp＝500cm2/V·S

（2分）

掺入As浓度为ND＝5.00×1022×10-6＝5.00×1016cm-3（1分）

杂质全部电离，

，查图4－14可查此时μn＝900cm2/V·S（2分）

（2分）

（1分）

9.n型硅中，掺杂浓度ND＝1016cm-3，光注入的非平衡载流子浓度Δn＝Δp＝1014cm-3。

计算无光照和有光照时的电导率。

[解]

n-Si，ND＝1016cm-3，Δn＝Δp＝1014cm-3，

查表4－14得到：

：

（2分）

无光照：

（2分）

Δn＝Δp<

有光照：

（2分）

10.掺施主杂质的ND＝1015cm-3n型硅，由于光的照射产生了非平衡载流子Δn＝Δp＝1014cm-3。

试计算这种情况下准费米能级的位置，并和原来的费米能级做比较。

[解]

n-Si，ND＝1015cm-3，Δn＝Δp＝1014cm-3，

（2分）

光照后的半导体处于非平衡状态：

（2分）

（2分）

室温下，EgSi＝1.12eV；

（2分）

比较：

由于光照的影响，非平衡多子的准费米能级

与原来的费米能级

相比较偏离不多，而非平衡勺子的费米能级

与原来的费米能级

相比较偏离很大。

（2分）