半導(dǎo)體物理試卷a答案.docx

一、 名詞解釋（本大題共5題 每題4分，共20分）1. 受主能級：通過受主摻雜在半導(dǎo)體的禁帶中形成缺陷能級。正常情況下，此能級為空穴所占據(jù)，這個被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級。2. 直接復(fù)合：導(dǎo)帶中的電子越過禁帶直接躍遷到價帶，與價帶中的空穴復(fù)合，這樣的復(fù)合過程稱為直接復(fù)合。3. 空穴：當(dāng)滿帶頂附近產(chǎn)生P0個空態(tài)時，其余大量電子在外電場作用下所產(chǎn)生的電流，可等效為P0個具有正電荷q和正有效質(zhì)量mp，速度為v(k)的準(zhǔn)經(jīng)典粒子所產(chǎn)生的電流，這樣的準(zhǔn)經(jīng)典粒子稱為空穴。4. 過剩載流子：在光注入、電注入、高能輻射注入等條件下，半導(dǎo)體材料中會產(chǎn)生高于熱平衡時濃度的電子和空穴，超過熱平衡濃度的電子n=n-n0和空穴p=p-p0稱為過剩載流子。5.費米能級、化學(xué)勢答：費米能級與化學(xué)勢：費米能級表示等系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，也不對外做功的情況下，系統(tǒng)中增加一個電子所引起系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學(xué)勢。處于熱平衡的系統(tǒng)有統(tǒng)一的化學(xué)勢。這時的化學(xué)勢等于系統(tǒng)的費米能級。費米能級和溫度、材料的導(dǎo)電類型雜質(zhì)含量、能級零點選取有關(guān)。費米能級標(biāo)志了電子填充能級水平。費米能級位置越高，說明較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。隨之溫度升高，電子占據(jù)能量小于費米能級的量子態(tài)的幾率下降，而電子占據(jù)能量大于費米能級的量子態(tài)的幾率增大。二、選擇題（本大題共5題 每題3分，共15分）1對于大注入下的直接輻射復(fù)合，非平衡載流子的壽命與（D ）A. 平衡載流子濃度成正比 B. 非平衡載流子濃度成正比C. 平衡載流子濃度成反比 D. 非平衡載流子濃度成反比2有3個硅樣品，其摻雜情況分別是：含鋁110-15cm-3 乙.含硼和磷各110-17cm-3 丙.含鎵110-17cm-3室溫下，這些樣品的電阻率由高到低的順序是（C ）甲乙丙 B. 甲丙乙 C. 乙甲丙 D. 丙甲乙3有效復(fù)合中心的能級必靠近( A )禁帶中部 B.導(dǎo)帶 C.價帶 D.費米能級 4當(dāng)一種n型半導(dǎo)體的少子壽命由直接輻射復(fù)合決定時，其小注入下的少子壽命正比于（C ）A.1/n0 B.1/n C.1/p0 D.1/p5以下4種半導(dǎo)體中最適合于制作高溫器件的是（ D ）A. Si B. Ge C. GaAs D. GaN三、填空：（每空2分，共20分） 1）半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)式多種多樣的，常見的Ge和Si材料，其原子均通過共價鍵四面體相互結(jié)合，屬于 金剛石 結(jié)構(gòu)；與Ge和Si晶格結(jié)構(gòu)類似，兩種不同元素形成的化合物半導(dǎo)體通過共價鍵四面體還可以形成 閃鋅礦 和 纖鋅礦 等兩種晶格結(jié)構(gòu)。2)如果電子從價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底時波矢k不發(fā)生變化，則具有這種能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為直接禁帶半導(dǎo)體，否則稱為間接禁帶半導(dǎo)體，那么按這種原則分類，GaAs屬于 直接 禁帶半導(dǎo)體。 3)半導(dǎo)體載流子在輸運過程中，會受到各種散射機構(gòu)的散射，主要散射機構(gòu)有 晶格振動散射、 電離雜質(zhì)散射 、中性雜質(zhì)散射、位錯散射、載流子間的散射和等價能谷間散射。 4)半導(dǎo)體中的載流子復(fù)合可以有很多途徑，主要有兩大類：帶間電子-空穴直接復(fù)合和通過禁帶內(nèi)的 復(fù)合中心 進行復(fù)合。5) 反向偏置pn結(jié)，當(dāng)電壓升高到某值時，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱為pn結(jié)擊穿，主要的擊穿機理有兩種： 雪崩 擊穿和 隧道 擊穿。三、簡答題（15分）1）當(dāng)電子和空穴的濃度是空間和時間的函數(shù)時，它們隨時間的變化率將由載流子的擴散、漂移及其產(chǎn)生和復(fù)合所決定，由電子數(shù)、空穴數(shù)的守恒原則，試寫出載流子隨時間的凈變化率（）和（），并加以說明。 （6分）解：載流子隨時間的凈變化率（）和（）為 （每個式子2分，說明2分）右邊第一項為擴散項，第二項為漂移項，第三項為產(chǎn)生，第四項為復(fù)合。注意e為電場，是幾何空間坐標(biāo)的函數(shù)，該式為連續(xù)性方程.2）請描述小注入條件正向偏置和反向偏置下的pn結(jié)中載流子的運動情況，寫出其電流密度方程，請解釋為什么pn結(jié)具有單向?qū)щ娦裕?（9分）解：在p-n結(jié)兩端加正向偏壓VF, VF基本全落在勢壘區(qū)上，由于正向偏壓產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場方向相反，勢壘區(qū)的電場強度減弱，勢壘高度由平衡時的qVD下降到q(VD-VF)，耗盡區(qū)變窄，因而擴散電流大于漂移電流，產(chǎn)生正向注入。過剩電子在p區(qū)邊界的結(jié)累，使xTp處的電子濃度由熱平衡值n0p上升并向p區(qū)內(nèi)部擴散，經(jīng)過一個擴散長度Ln后，又基本恢復(fù)到n0p。在-xTp處電子濃度為n(-xTp)，同理，空穴向n區(qū)注入時，在n區(qū)一側(cè)xTn處的空穴濃度上升到p(xTn)，經(jīng)Lp后，恢復(fù)到p0n。反向電壓VR在勢壘區(qū)產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場方向一致，因而勢壘區(qū)的電場增強，空間電荷數(shù)量增加，勢壘區(qū)變寬，勢壘高度由qVD增高到q(VD+VR).勢壘區(qū)電場增強增強，破壞了原來載流子擴散運動和漂移運動的平衡，漂移運動大于擴散運動。這時，在區(qū)邊界處的空穴被勢壘區(qū)電場逐向p區(qū)，p區(qū)邊界的電子被逐向n區(qū)。當(dāng)這些少數(shù)載流子被電場驅(qū)走后，內(nèi)部少子就來補充，形成了反向偏壓下的空穴擴散電流和電子擴散電流。 （5分）電流密度方程： （2分）正向偏置時隨偏置電壓指數(shù)上升，反向偏壓時，反向擴散電流與V無關(guān)，它正比于少子濃度，數(shù)值是很小的，因此可以認(rèn)為是單向?qū)щ姟?（2分）四、計算題 （共3小題，每題10分，共30分）1. 已知室溫時鍺的本征載流子濃度，均勻摻雜百萬分之一的硼原子后，又均勻摻入1.4421017cm-3的砷，計算摻雜鍺室溫時的多子濃度和少子濃度以及EF的位置。（10分）解：硼的濃度：NA4.421016 cm-3。有效施主雜質(zhì)濃度為：ND=(14.42-4.42) 1016 cm-3=1017 cm-3 室溫時下雜質(zhì)全部電離，由于有效雜質(zhì)濃度遠大于本征載流子濃度2.41013cm-3，鍺半導(dǎo)體處于飽和電離區(qū)。 多子濃度n0ND1017cm-3少子濃度p0=ni2/n0=(2.41013)2 /1017=5.76109(cm-3)費米能級：EF=EC+k0Tln(ND/NC)=EC+0.026ln1017/(1.11019)=EC - 0.122(eV)2、摻有1.11015 cm-3硼原子和91014 cm-3磷原子的Si樣品，試計算室溫時多數(shù)載流子和少數(shù)載流子濃度及樣品的電阻率。（10分）解：對于Si：ND=9 1014cm-3；NA1.11015cm-3；T300K時 ni=2.41013cm-3.多子濃度:；