半導(dǎo)體物理習(xí)題答案.doc

第一章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)例1. 證明:對于能帶中的電子，K狀態(tài)和-K狀態(tài)的電子速度大小相等,方向相反。即：v(k)= v(k)，并解釋為什么無外場時，晶體總電流等于零。解：K狀態(tài)電子的速度為： （1）同理，K狀態(tài)電子的速度則為：（2）從一維情況容易看出： （3）同理有： （4）（5）將式（3）（4）（5）代入式（2）后得：（6）利用（1）式即得：v(k)= v(k)因為電子占據(jù)某個狀態(tài)的幾率只同該狀態(tài)的能量有關(guān)，即：E(k)=E(k)故電子占有k狀態(tài)和-k狀態(tài)的幾率相同，且v(k)=v(k)故這兩個狀態(tài)上的電子電流相互抵消，晶體中總電流為零。例2. 已知一維晶體的電子能帶可寫成： 式中，a為晶格常數(shù)。試求：（1）能帶的寬度；（2）能帶底部和頂部電子的有效質(zhì)量。解：（1）由E(k)關(guān)系 （1）（2）令 得： 當(dāng)時，代入（2）得：對應(yīng)E(k)的極小值。當(dāng)時，代入（2）得： 對應(yīng)E(k)的極大值。根據(jù)上述結(jié)果，求得和即可求得能帶寬度。故：能帶寬度 （3）能帶底部和頂部電子的有效質(zhì)量： 習(xí)題與思考題：1 什么叫本征激發(fā)？溫度越高，本征激發(fā)的載流子越多，為什么？試定性說明之。2 試定性說明Ge、Si的禁帶寬度具有負(fù)溫度系數(shù)的原因。3 試指出空穴的主要特征。4 簡述Ge、Si和GaAs的能帶結(jié)構(gòu)的主要特征。5 某一維晶體的電子能帶為 其中E0=3eV，晶格常數(shù)a=510-11m。求： （1）能帶寬度； （2）能帶底和能帶頂?shù)挠行з|(zhì)量。6 原子中的電子和晶體中電子受勢場作用情況以及運(yùn)動情況有何不同？原子中內(nèi)層電子和外層電子參與共有化運(yùn)動有何不同？7 晶體體積的大小對能級和能帶有什么影響？8 描述半導(dǎo)體中電子運(yùn)動為什么要引入“有效質(zhì)量”的概念？用電子的慣性質(zhì)量描述能帶中電子運(yùn)動有何局限性？9 一般來說，對應(yīng)于高能級的能帶較寬，而禁帶較窄，是否如此？為什么？10有效質(zhì)量對能帶的寬度有什么影響？有人說：“有效質(zhì)量愈大，能量密度也愈大，因而能帶愈窄?！笔欠袢绱耍繛槭裁?？11簡述有效質(zhì)量與能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系？12對于自由電子，加速反向與外力作用反向一致，這個結(jié)論是否適用于布洛赫電子？13從能帶底到能帶頂，晶體中電子的有效質(zhì)量將如何變化？外場對電子的作用效果有什么不同？14試述在周期性勢場中運(yùn)動的電子具有哪些一般屬性？以硅的本征激發(fā)為例，說明半導(dǎo)體能帶圖的物理意義及其與硅晶格結(jié)構(gòu)的聯(lián)系？15為什么電子從其價鍵上掙脫出來所需的最小能量就是半導(dǎo)體的禁帶寬度？16為什么半導(dǎo)體滿帶中的少量空狀態(tài)可以用具有正電荷和一定質(zhì)量的空穴來描述？17有兩塊硅單晶，其中一塊的重量是另一塊重量的二倍。這兩塊晶體價帶中的能級數(shù)是否相等？彼此有何聯(lián)系？18說明布里淵區(qū)和k空間等能面這兩個物理概念的不同。19為什么極值附近的等能面是球面的半導(dǎo)體，當(dāng)改變存儲反向時只能觀察到一個共振吸收峰第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)與缺陷能級例1.半導(dǎo)體硅單晶的介電常數(shù)11.8，電子和空穴的有效質(zhì)量各為0.97，0.19和0.16，0.53，利用類氫模型估計： （1）施主和受主電離能; （2）基態(tài)電子軌道半徑解：（1）利用下式求得和。因此，施主和受主雜質(zhì)電離能各為：（2）基態(tài)電子軌道半徑各為：式中, 是波爾半徑。習(xí)題與思考題：1 什么叫淺能級雜質(zhì)？它們電離后有何特點(diǎn)？2 什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離前后有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出n型半導(dǎo)體。3 什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出p型半導(dǎo)體。4 摻雜半導(dǎo)體與本征半導(dǎo)體之間有何差異？試舉例說明摻雜對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能的影響。5 兩性雜質(zhì)和其它雜質(zhì)有何異同？6 深能級雜質(zhì)和淺能級雜質(zhì)對半導(dǎo)體有何影響？7 何謂雜質(zhì)補(bǔ)償？雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)囊饬x何在？8 說明雜質(zhì)能級以及電離能的物理意義。8為什么受主、施主能級分別位于價帶之上或?qū)е拢译婋x能的數(shù)值較?。? 純鍺、硅中摻入族或族元素后，為什么使半導(dǎo)體電性能有很大的改變？雜質(zhì)半導(dǎo)體（p型或n型）應(yīng)用很廣，但為什么我們很強(qiáng)調(diào)對半導(dǎo)體材料的提純？10把不同種類的施主雜質(zhì)摻入同一種半導(dǎo)體材料中，雜質(zhì)的電離能和軌道半徑是否不同？把同一種雜質(zhì)摻入到不同的半導(dǎo)體材料中（例如鍺和硅），雜質(zhì)的電離能和軌道半徑又是否都相同？11何謂深能級雜質(zhì)？它們電離以后有說明特點(diǎn)？12為什么金元素在鍺或硅中電離后可以引入多個施主或受主能級？13說明摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響。14說明半導(dǎo)體中淺能級雜質(zhì)和深能級雜質(zhì)的作用有何不同？15什么叫雜質(zhì)補(bǔ)償？什么叫高度補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體？雜質(zhì)補(bǔ)償有何實際應(yīng)用？第三章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布例1.有一硅樣品，施主濃度為，受主濃度為，已知施主電離能，試求的施主雜質(zhì)電離時的溫度。解：令和表示電離施主和電離受主的濃度，則電中性方程為：略去價帶空穴的貢獻(xiàn)，則得：（受主雜質(zhì)全部電離）式中： 對硅材料 由題意可知 ,則（1）當(dāng)施主有99%的N電離時，說明只有1%的施主有電子占據(jù)，即 0.01。 198，代入式（1）得：去對數(shù)并加以整理即得到下面的方程： 用相關(guān)數(shù)值解的方法或作圖求得解為： T=101.例2. 現(xiàn)有三塊半導(dǎo)體硅材料，已知室溫下（300K）它們的空穴濃度分別為：，。分別計算這三塊材料的電子濃度，；判斷這三塊材料的導(dǎo)電類型；分別計算這三塊材料的費(fèi)米能級的位置。解：（1）室溫時硅的， 根據(jù)載流子濃度積公式：可求出 （2）即 ，故為p型半導(dǎo)體., 即 ，故為本征半導(dǎo)體.，即 ，故為n型半導(dǎo)體. (3)當(dāng)T=300k時，由 得： 對三塊材料分別計算如下： 即 p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級在禁帶中線下0.37eV處。 即費(fèi)米能級位于禁帶中心位置。對n型材料有 即對n型材料，費(fèi)米能級在禁帶中心線上0.35eV處。1 對于某n型半導(dǎo)體，試證明其費(fèi)米能級在其本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級之上。即EFnEFi。2 試分別定性定量說明：在一定的溫度下，對本征材料而言，材料的禁帶寬度越窄，載流子濃度越高； 對一定的材料，當(dāng)摻雜濃度一定時，溫度越高，載流子濃度越高。3 若兩塊Si樣品中的電子濃度分別為2.251010cm-3和6.81016cm-3，試分別求出其中的空穴的濃度和費(fèi)米能級的相對位置，并判斷樣品的導(dǎo)電類型。假如再在其中都摻入濃度為2.251016cm-3的受主雜質(zhì)，這兩塊樣品的導(dǎo)電類型又將怎樣？4 含受主濃度為8.0106cm-3和施主濃度為7.251017cm-3的Si材料，試求溫度分別為300K和400K時此材料的載流子濃度和費(fèi)米能級的相對位置。5 試分別計算本征Si在77K、300K和500K下的載流子濃度。6 Si樣品中的施主濃度為4.51016cm-3，試計算300K時的電子濃度和空穴濃度各為多少？7 某摻施主雜質(zhì)的非簡并Si樣品，試求EF=（EC+ED）/2時施主的濃度。8 半導(dǎo)體處于怎樣的狀態(tài)才能叫處于熱平衡狀態(tài)？其物理意義如何。9 什么叫統(tǒng)計分布函數(shù)？費(fèi)米分布和玻耳茲曼分布的函數(shù)形式有何區(qū)別？在怎樣的條件下前者可以過渡到后者？為什么半導(dǎo)體中載流子分布可以用玻耳茲曼分布描述？10說明費(fèi)米能級的物理意義。根據(jù)費(fèi)米能級位置如何計算半導(dǎo)體中電子和空穴濃度？如何理解費(fèi)米能級是摻雜類型和摻雜程度的標(biāo)志？11證明，在時，對費(fèi)米能級取什么樣的對稱形式？12在半導(dǎo)體計算中，經(jīng)常應(yīng)用這個條件把電子從費(fèi)米能級統(tǒng)計過渡到玻耳茲曼統(tǒng)計，試說明這種過渡的物理意義。13寫出半導(dǎo)體的電中性方程。此方程在半導(dǎo)體中有何重要意義？14若n型硅中摻入受主雜質(zhì)，費(fèi)米能級升高還是降低？若溫度升高當(dāng)本征激發(fā)起作用時，費(fèi)米能級在什么位置？為什么？15如何理解分布函數(shù)與狀態(tài)密度的乘積再對能量積分即可求得電子濃度？16為什么硅半導(dǎo)體器件比鍺器件的工作溫度高？17當(dāng)溫度一定時，雜質(zhì)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級主要由什么因素決定？試把強(qiáng)N、弱N型半導(dǎo)體與強(qiáng)P、弱P半導(dǎo)體的費(fèi)米能級與本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級比較。18如果向半導(dǎo)體中重?fù)绞┲麟s質(zhì)，就你所知會出現(xiàn)一些什么效應(yīng)？第四章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性例1.室溫下，本征鍺的電阻率為47，試求本征載流子濃度。若摻入銻雜質(zhì)，使每個鍺原子中有一個雜質(zhì)原子，計算室溫下電子濃度和空穴濃度。設(shè)雜質(zhì)全部電離。鍺原子的濃度為，試求該摻雜鍺材料的電阻率。設(shè)， 且認(rèn)為不隨摻雜而變化。解：本征半導(dǎo)體的電阻率表達(dá)式為： 施主雜質(zhì)原子的濃度 故 其電阻率 例2.在半導(dǎo)體鍺材料中摻入施主雜質(zhì)濃度，受主雜質(zhì)濃度；設(shè)室溫下本征鍺材料的電阻率，假設(shè)電子和空穴的遷移率分別為，若流過樣品的電流密度為，求所加的電場強(qiáng)度。解：須先求出本征載流子濃度又 聯(lián)立得: 故樣品的電導(dǎo)率： 即: E=1.996V/cm習(xí)題與思考題：1 對于重?fù)诫s半導(dǎo)體和一般摻雜半導(dǎo)體，為何前者的遷移率隨溫度的變化趨勢不同？試加以定性分析。2 何謂遷移率？影響遷移率的主要因素有哪些？ 3 試定性分析Si的電阻率與溫度的變化關(guān)系。4 證明當(dāng)np，且電子濃度，空穴濃度時半導(dǎo)體的電導(dǎo)率有最小值，并推導(dǎo)min的表達(dá)式。5 0.12kg的Si單晶摻有3.010-9kg的Sb，設(shè)雜質(zhì)全部電離，試求出此材料的電導(dǎo)率。（Si單晶的密度為2.33g/cm3，Sb的原子量為121.8）6 試從經(jīng)典物理和量子理論分別說明散射的物理意義。7 比較并區(qū)別下述物理概念：電導(dǎo)遷移率、霍耳遷移率和漂移遷移率。8 什么是聲子？它對半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)起什么作用？9 強(qiáng)電場作用下，遷移率的數(shù)值與場強(qiáng)E有關(guān)，這時歐姆定律是否仍然正確？為什么？10半導(dǎo)體的電阻系數(shù)是正的還是負(fù)的？為什么？11有一塊本征半導(dǎo)體樣品，試描述用以增加其電導(dǎo)率的兩個物理過程。12如果有相同的電阻率的摻雜鍺和硅半導(dǎo)體，問哪一個材料的少子濃度高？為什么？13光學(xué)波散射和聲學(xué)波散射的物理機(jī)構(gòu)有何區(qū)別？各在什么樣晶體中起主要作用？14說明本征鍺和硅中載流子遷移率溫度增加如何變化？15電導(dǎo)有效質(zhì)量和狀態(tài)密度有何區(qū)別？它們與電子的縱有效質(zhì)量和橫有效質(zhì)量的關(guān)系如何？16對于僅含一種雜質(zhì)的鍺樣品，如果要確定載流子符號、濃度、遷移率和有效質(zhì)量，應(yīng)進(jìn)行哪些測量？17解釋多能谷散射如何影響材料的導(dǎo)電性。18為什么要引入熱載流子概念？熱載流子和普通載流子有何區(qū)別？第五章 非平衡載流子例1.某p型半導(dǎo)體摻雜濃度 ,少子壽命,在均勻光的照射下產(chǎn)生非平衡載流子,其產(chǎn)生率, 試計算室溫時光照情況下的費(fèi)米能級并和原來無光照時的費(fèi)米能級比較。設(shè)本征載流子濃度 .解: (1)無光照時,空穴濃度 說明無光照時,費(fèi)米能級在禁帶中線下面0.35eV處。（2）穩(wěn)定光照后，產(chǎn)生的非平衡載流子為： 上面兩式說明，在之下，而在之上。且非平衡態(tài)時空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級和和原來的費(fèi)米能級幾乎無差別，與電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級相差甚遠(yuǎn)，如下圖所示。 光照前 光照后習(xí)題與思考題 ：1 何謂非平衡載流子？非平衡狀態(tài)與平衡狀態(tài)的差異何在？2 漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動有什么不同？3 漂移運(yùn)動與擴(kuò)散運(yùn)動之間有什么聯(lián)系？非簡并半導(dǎo)體的遷移率與擴(kuò)散系數(shù)之間有什么聯(lián)系？4 平均自由程與擴(kuò)散長度有何不同？平均自由時間與非平衡載流子的壽命又有何不同？5 證明非平衡載流子的壽命滿足，并說明式中各項的物理意義。6 導(dǎo)出非簡并載流子滿足的愛因斯坦關(guān)系。7 間接復(fù)合效應(yīng)與陷阱效應(yīng)有何異同？8 光均勻照射在6cm的n型Si樣品上，電子-空穴對的產(chǎn)生率為41021cm-3s-1，樣品壽命為8s。試計算光照前后樣品的電導(dǎo)率。9 證明非簡并的非均勻半導(dǎo)體中的電子電流形式為。10假設(shè)Si中空穴濃度是線性分布，在4m內(nèi)的濃度差為21016cm-3，試計算空穴的擴(kuò)散電流密度。11試證明在小信號條件下，本征半導(dǎo)體的非平衡載流子的壽命最長。12區(qū)別半導(dǎo)體平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)有何不同？什么叫非平衡載流子？什么叫非平衡載流子的穩(wěn)定分布？13摻雜、改變溫度和光照激發(fā)均能改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，它們之間有何區(qū)別？試從物理模型上予以說明。14在平衡情況下，載流子有沒有復(fù)合這種運(yùn)動形式？為什么著重討論非平衡載流子的復(fù)合運(yùn)動？15為什么不能用費(fèi)米能級作為非平衡載流子濃度的標(biāo)準(zhǔn)而要引入準(zhǔn)費(fèi)米能級？費(fèi)米能級和準(zhǔn)費(fèi)米能級有何區(qū)別？16在穩(wěn)定不變的光照下，半導(dǎo)體中電子和空穴濃度也是保持恒定不變的，但為什么說半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)？17說明直接復(fù)合、間接復(fù)合的物理意義。18區(qū)別：復(fù)合效應(yīng)和陷阱效應(yīng)，復(fù)合中心和陷阱中心，俘獲和復(fù)合，俘獲截面和俘獲幾率。第六章 金屬和半導(dǎo)體接觸例1.設(shè)p型硅（如圖72），受主濃度，試求： (1) 室溫下費(fèi)米能級的位置和功函數(shù)； EV (2) 不計表面態(tài)的影響，該p型硅分別與鉑和銀接觸后是否形成阻擋層？若能形成阻擋層，求半導(dǎo)體一邊勢壘高度。 已知： ;硅電子親合能 解：（1）室溫下，可認(rèn)為雜質(zhì)全部電離，若忽略本征激發(fā)，則 得： 功函數(shù) （2）不計表面態(tài)的影響。對p型硅，當(dāng)時，金屬中電子流向半導(dǎo)體，使得半導(dǎo)體表面勢，空穴附加能量，使得能帶向下彎，形成空穴勢壘。所以， p型硅和銀接觸后半導(dǎo)體表面形成空穴勢壘，即空穴阻擋層。又因，所以，p型硅和鉑接觸后不能形成阻擋層。（3）銀和p-Si接觸形成的阻擋層其勢壘高度：例2.施主濃度的n型硅（如圖），室溫下功函數(shù)是多少？若不考慮表面態(tài)的影響，它分別同Al、Au、Mo接觸時，是形成阻擋層還是反阻擋層？硅的電子親合能取4.05eV。設(shè)，。解：設(shè)室溫下雜質(zhì)全部電離：則 即 n-Si 的功函數(shù)為：已知：，故二者接觸形成反阻擋層。，顯然，故Au 與n-Si接觸，Mo與n-Si接觸均形成阻擋層。習(xí)題與思考題：1 什么是功函數(shù)？哪些因數(shù)影響了半導(dǎo)體的功函數(shù)？什么是接觸勢差？2 什么是Schottky勢壘？影響其勢壘高度的因數(shù)有哪些？3 什么是歐姆接觸？形成歐姆接觸的方法有幾種？試根據(jù)能帶圖分別加以分析。4 什么是鏡像力？什么是隧道效應(yīng)？它們對接觸勢壘的影響怎樣的？5 施主濃度為7.01016cm-3的n型Si與Al形成金屬與半導(dǎo)體接觸，Al的功函數(shù)為4.20eV，Si的電子親和能為4.05eV，試畫出理想情況下金屬-半導(dǎo)體接觸的能帶圖并標(biāo)明半導(dǎo)體表面勢的數(shù)值。6 分別分析n型和p型半導(dǎo)體形成阻擋層和反阻擋層的條件。7 試分別畫出n型和p型半導(dǎo)體分別形成阻擋層和反阻擋層的能帶圖。8 什么是少數(shù)載流子注入效應(yīng)？9 某Shottky二極管，其中半導(dǎo)體中施主濃度為2.51016cm-3，勢壘高度為0.64eV，加上4V的正向電壓時，試求勢壘的寬度為多少？10試根據(jù)能帶圖定性分析金屬-n型半導(dǎo)體形成良好歐姆接觸的原因。11金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)是如何定義的？半導(dǎo)體的功函數(shù)與哪些因素有關(guān)？12說明金屬半導(dǎo)體接觸在什么條件下能形成接觸勢壘（阻擋層）？分析n型和p型半導(dǎo)體形成阻擋層和反電阻率的條件？13分別畫出n型和p型半導(dǎo)體與金屬接觸時的能帶圖？14半導(dǎo)體表面態(tài)是怎樣影響勢壘高度的？分別討論受主型表面態(tài)和施主型表面態(tài)的影響。15什么叫歐姆接觸？實現(xiàn)半導(dǎo)體金屬的歐姆接觸有幾種方法？簡要說明其物理原理。16應(yīng)該怎樣制作n型硅和金屬鋁接觸才能實現(xiàn)（1）歐姆接觸；（2）整數(shù)接觸。17試比較pn結(jié)和肖特基結(jié)的主要異同點(diǎn)。指出肖特基二極管具有哪些重要特點(diǎn)。18為什么金屬半導(dǎo)體二極管（肖特基二極管）消除了載流子注入后的存貯時間？19為什么對輕摻雜的p型半導(dǎo)體不能用四探針方法測量其電阻率？對輕摻雜的n型半導(dǎo)體如何分析其物理過程。20什么叫少數(shù)載流子注入效應(yīng)？21鏡像力和隧道效應(yīng)是如何影響金屬半導(dǎo)體接觸勢壘的？22比較擴(kuò)散理論和熱電子反射理論在解決肖特基二極管整流特性時其主要區(qū)別在什么地方？23金屬與重?fù)诫s的半導(dǎo)體接觸能夠形成歐姆接觸，說明其物理原理。第七章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)例1.設(shè)在金屬與n型半導(dǎo)體之間加一電壓，且n-Si接高電位，金屬接低電位，使半導(dǎo)體表面層內(nèi)出現(xiàn)耗盡狀態(tài)。 (1)求耗盡層內(nèi)電勢V(x)； (2)若表面勢；外加電壓5V, 施主濃度，求耗盡層厚度。設(shè)，解：（1）根據(jù)耗盡層近似，即假設(shè)空間電荷層的電子都已全部耗盡，電荷全由已電離的施主雜質(zhì)構(gòu)成，設(shè)摻雜是均勻的，則空間電荷層的電荷密度，故泊松方程可寫為： 設(shè)為耗盡層寬度，則因半導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零，有： 設(shè)體內(nèi)電勢為0，即 ，積分上式得；式中時，即為。（2）當(dāng)加電壓為時，表面勢由Vs提高為VsV，所以，外加電壓為V后， 例2.試導(dǎo)出使表面恰為本征時表面電場強(qiáng)度，表面電荷密度和表面層電容的表示式（設(shè)p型硅情形）。 解： 當(dāng)表面恰為本征時，即Ei在表面與EF重合 所以 Vs=VB設(shè)表面層載流子濃度仍遵守經(jīng)典統(tǒng)計。則 表面恰為本征 故 但 取對數(shù)即得：F函數(shù)：p型硅，且 故 ， 因此：習(xí)題與思考:1 解釋什么是表面積累、表面耗盡和表面反型？2 在由n型半導(dǎo)體組成的MIS結(jié)構(gòu)上加電壓VG，分析其表面空間電荷層狀態(tài)隨VG變化的情況，并解釋其CV曲線。3 試述影響平帶電壓VFB的因素。4 什么是空間電荷區(qū)？如何才能在半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)和負(fù)的空間電荷區(qū)？5 說明表面勢的物理意義，如何才能保證和？6 為什么半導(dǎo)體的表面會發(fā)生彎曲？說明能帶向上彎和向下彎的條件？7 能帶彎曲以后形成電子勢壘還是空穴勢壘，如何判斷之。在能帶圖上討論n型半導(dǎo)體和表面空間電荷的關(guān)系。8 半導(dǎo)體表面積累、耗盡、本征和反型的物理意義是什么？分析n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體形成上述幾種狀態(tài)的條件，以圖示意之。9 為什么二氧化硅層下面的p型硅表面有自行變?yōu)閚型半導(dǎo)體的傾向？10分別對n型襯底和p型襯底MOS結(jié)構(gòu)，畫出在外加偏壓條件下MOS結(jié)構(gòu)中對應(yīng)于載流子在積累、耗盡、強(qiáng)反型時能帶和電荷分布圖。11畫出MOS結(jié)構(gòu)的等效電路，寫出MOS的電容表達(dá)式（包括歸一化電容的表達(dá)式）。設(shè)在實際MOS結(jié)構(gòu)中存在可動離子，固定電荷和金半功函數(shù)差，說明每種情況對MOS結(jié)構(gòu)CV特性的影響。12在忽略界面態(tài)影響情況下，可以用什么實驗方法測量MOS結(jié)構(gòu)氧化層中固定電荷與可動電荷，說明試驗方法及有關(guān)公式。13用耗盡近似方法推導(dǎo)半導(dǎo)體表面耗盡層的表面勢，厚度和空間表面電荷的表示式。14何謂異質(zhì)結(jié)？異質(zhì)結(jié)如何分類？試以鍺和砷化鎵為例，說明異質(zhì)結(jié)的表示法。15何謂突變異質(zhì)結(jié)和緩變異質(zhì)結(jié)？它們與同質(zhì)的突變pn結(jié)和緩變pn結(jié)有何區(qū)別？16以晶格常數(shù)為a的金剛石結(jié)構(gòu)為例，計算（111），（110），（100）的懸掛鍵密度，并比較其大小。17如何區(qū)分界面的原子面密度和懸掛鍵面密度，是否原子面密度大的懸掛鍵面密度一定大？18比較異質(zhì)結(jié)與同質(zhì)結(jié)的不同。根據(jù)異質(zhì)結(jié)的獨(dú)特性質(zhì)，說明異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用。19為什么異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)比同質(zhì)結(jié)復(fù)雜得多？第十章半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和光電與發(fā)光現(xiàn)象習(xí)題與思考:1 什么是電導(dǎo)？說明復(fù)合效應(yīng)和陷阱效應(yīng)對光電導(dǎo)的影響？2 區(qū)別直接躍遷和間接躍遷（豎直躍遷和非豎直躍遷）。3 什么是聲子？它對半導(dǎo)體吸收特性起什么作用？4 使半導(dǎo)體材料硅、鍺和砷化鎵在光照下能夠產(chǎn)生電子空穴對的光最大波長為多少？5 半導(dǎo)體對光的吸收有哪幾種主要過程？哪些過程具有確定的長波吸收限？寫出對應(yīng)的波長表示式。哪些具有線狀吸收光譜？哪些光吸收對光電導(dǎo)有貢獻(xiàn)？6 本征吸收中電子吸收光子時，可能出現(xiàn)哪幾種躍遷方式？它們有何不同？各在什么樣的半導(dǎo)體中容易發(fā)生？試舉一、二例說明。7 什么是半導(dǎo)體的自由載流子光吸收？分別用經(jīng)典理論和量子理論說明，并簡要討論其結(jié)果。（1）寫出pn結(jié)光電二極管的伏安特性方程并畫出對應(yīng)的特性曲線；（2）pn結(jié)光電二極管的電流相應(yīng)于正偏置還是反偏置的二極管電流；（3）對于不同能量的光照，其曲線如何變化？8 要產(chǎn)生激光發(fā)射，為什么需要對半導(dǎo)體重?fù)诫s？9 解釋p型半導(dǎo)體霍耳系數(shù)改變符號的原因。10區(qū)別：電導(dǎo)遷移率、漂移遷移率和霍耳遷移率。11何謂霍耳角？與磁感應(yīng)強(qiáng)度和載流子遷移率的關(guān)系如何？12為什么半導(dǎo)體的霍耳效應(yīng)比金屬大的多？綜合練習(xí)題一一、選擇填空（含多項選擇） 1. 與半導(dǎo)體相比較，絕緣體的價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量（） A. 比半導(dǎo)體的大 B. 比半導(dǎo)體的小 C. 與半導(dǎo)體的相等 2. 室溫下，半導(dǎo)體Si摻硼的濃度為1014cm3，同時摻有濃度為1.11015cm3的磷，則電子濃度約為（），空穴濃度為（），費(fèi)米能級（）；將該半導(dǎo)體升溫至570K，則多子濃度約為（），少子濃度為（），費(fèi)米能級（）。（已知：室溫下，ni1.51010cm3，570K時，ni21017cm3）A. 1014cm3 B. 1015cm3 C. 1.11015cm3D. 2.251015cm3 E. 1.21015cm3F. 21017cm3 G. 高于Ei H. 低于Ei I. 等于Ei3. 施主雜質(zhì)電離后向半導(dǎo)體提供（），受主雜質(zhì)電離后向半導(dǎo)體提供（），本征激發(fā)后向半導(dǎo)體提供（）。 A. 空穴 B. 電子4. 對于一定的半導(dǎo)體材料，摻雜濃度降低將導(dǎo)致禁帶寬度（），本征流子濃度（），功函數(shù)（）。 A. 增加 B. 不變 C. 減少 5. 對于一定的n型半導(dǎo)體材料，溫度一定時，較少摻雜濃度，將導(dǎo)致（）靠近Ei。 A. Ec B. Ev C. Eg D. Ef6. 熱平衡時，半導(dǎo)體中電子濃度與空穴濃度之積為常數(shù)，它只與（）有關(guān)，而與（）無關(guān)。 A. 雜質(zhì)濃度 B. 雜質(zhì)類型 C. 禁帶寬度 D. 溫度 7. 表面態(tài)中性能級位于費(fèi)米能級以上時，該表面態(tài)為（）。 A. 施主態(tài) B. 受主態(tài) C. 電中性 8. 當(dāng)施主能級Ed與費(fèi)米能級Ef相等時，電離施主的濃度為施主濃度的（）倍。 A. 1 B. 1/2 C. 1/3 D. 1/4 9. 最有效的復(fù)合中心能級位置在（）附近；最有利陷阱作用的能級位置在（）附近，常見的是（）的陷阱 A. Ea B. Ed C. E D. Ei E. 少子 F. 多子10. 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生（）電流，漂移運(yùn)動長生（）電流。 A. 漂移 B. 隧道 C. 擴(kuò)散11. MIS結(jié)構(gòu)的表面發(fā)生強(qiáng)反型時，其表面的導(dǎo)電類型與體材料的（），若增加摻雜濃度，其開啟電壓將（）。A. 相同 B. 不同 C. 增加 D. 減少二、思考題 1. 簡述有效質(zhì)量與能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 2. 為什么半導(dǎo)體滿帶中的少量空狀態(tài)可以用帶有正電荷和具有一定質(zhì)量的空穴來描述？3. 分析化合物半導(dǎo)體PbS中S的間隙原子是形成施主還是受主？S的缺陷呢？ 4. 說明半導(dǎo)體中淺能級雜質(zhì)、深能級雜質(zhì)的作用有何不同？ 5. 為什么Si半導(dǎo)體器件的工作溫度比Ge半導(dǎo)體器件的工作溫度高？你認(rèn)為在高溫條件下工作的半導(dǎo)體應(yīng)滿足什么條件工廠生產(chǎn)超純Si的室溫電阻率總是夏天低，冬天高。試解釋其原因。 6. 試解釋強(qiáng)電場作用下GaAs的負(fù)阻現(xiàn)象。 7. 穩(wěn)定光照下，半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度維持不變，半導(dǎo)體處于平衡狀態(tài)下嗎？為什么？ 8. 愛因斯坦關(guān)系是什么樣的關(guān)系？有何物理意義？ 9. 怎樣才能使得n型硅與金屬鋁接觸才能分別實現(xiàn)歐姆接觸和整流接觸？綜合練習(xí)題二一、選擇填空 1.族化合物半導(dǎo)體起施主作用的缺陷是（ ）。 A. 正離子填隙 B. 正離子缺位 C.負(fù)離子填隙 2.下列哪個參數(shù)不能由霍爾效應(yīng)確定（） A. 遷移率 B. 載流子濃度 C. 有效質(zhì)量m* 3.非平衡電子的擴(kuò)散電流密度擴(kuò)的方向是（ ）。 A.流密度Sn的方向 B.電子擴(kuò)散方向C.電子濃度梯度方向 4. 有效陷阱中心的能級接近（）能級。 A.禁帶中心能級 B.施主或受主能級 C.費(fèi)米能級 5.在強(qiáng)電離區(qū)，N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級位于（） A.高于施主能級 B.低于施主能級 C.等于施主能級6.在強(qiáng)電場下，隨電場的增加，GaAs中載流子的平均漂移速率是（） A.增加 B.減少 C.不變 7.直接復(fù)合時，小注入的N型半導(dǎo)體的非平衡載流子壽命d主要決定于（ ）。 A. B. C. 8.N型半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)隨溫度的變化 A. 從正變到負(fù) B. 從負(fù)到正 C. 始終為負(fù) 9.有效復(fù)合中心的能級接近（）能級。 A.禁帶中心能級Ei B.施主或受主能級 C.費(fèi)米能級EF10.對于某n型半導(dǎo)體構(gòu)成的金半阻擋層接觸，加上正向電壓時，隨著電壓增加，阻擋層的厚度將逐漸（）。 A. 變寬B. 不變 C. 變窄 綜合練習(xí)題三一、單項選擇題（總分16分，每小題2分）1. 若某半導(dǎo)體導(dǎo)帶中發(fā)現(xiàn)電子的幾率為零，則該半導(dǎo)體必定（ ） a） 不含施主雜質(zhì) b）不含受主雜質(zhì) c）本征半導(dǎo)體 d）處于絕對零度2. 半導(dǎo)體中載流子擴(kuò)散系數(shù)的大小決定于其中的（ ） a） 散射機(jī)構(gòu) b） 能帶結(jié)構(gòu) c） 復(fù)合機(jī)構(gòu) d） 晶體結(jié)構(gòu)3. 在溫室條件下，1cm3的硅中摻入濃度為1016/cm3的N型雜質(zhì)，則其電導(dǎo)率將增加（ ）倍 a） 一百萬 b） 一千萬 c）十萬 d）無法確定4. 硅中摻金工藝主要用于制造（ ）器件 a） 大功率 b） 高反壓 c） 高頻 d）低噪聲5. 現(xiàn)有一材料的電阻率隨溫度增加而先下降后上升，該材料是（ ） a）金屬 b）本征半導(dǎo)體 c）摻雜半導(dǎo)體 d）高純化合物半導(dǎo)體6. MOS器件的導(dǎo)電溝道是（ ）層 a）耗盡 b）反型 c）阻擋 d）反阻擋7. 有效的復(fù)合中心能級通常都是靠近（ ） a）Ec b）Ev c）Ei d）Ef8. 反向的PN結(jié)空間電荷區(qū)中不存在（ ）電流 a）少子 b）漂移 c）產(chǎn)生 d）復(fù)合二、多項選擇題（總分24分，每小題3分）1. 以下的敘述中（ ）不屬于空穴的特征 a）空穴濃度等于價帶中空狀態(tài)濃度 b）空穴所帶的正電荷等于電子電荷 c）空穴的能量等于原空狀態(tài)內(nèi)電子的能量的負(fù)值 d）空穴的波矢與原空狀態(tài)內(nèi)電子的波矢相同2. 關(guān)于電子的費(fèi)米分布函數(shù)f(E)，敘述正確的是（ ） a）是能量為E的一個量子狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率 b）電子在能量為E的狀態(tài)上服從泡利原理 c）當(dāng)EC-EFkT時，費(fèi)米分布可用波爾茲曼分布近似 d）服從費(fèi)米分布的半導(dǎo)體是簡并的3. 關(guān)于結(jié)的敘述中（ ）是正確的 a）流過結(jié)的正向電流成分中空穴電流占優(yōu)勢 b）結(jié)的耗盡區(qū)寬度主要在N型側(cè) c）流過結(jié)的反向電流成分中沒有復(fù)合電流 d）降低N區(qū)的摻雜濃度可以提高結(jié)的反向擊穿電壓4. 下面四塊半導(dǎo)體硅單晶，除摻雜濃度不同外，其余條件均相同，由下面給出的數(shù)據(jù)可知：電阻率最大的是（ ），電阻率最小的是（ ） a） b）， c） d）5. 下列敘述正確的是（ ） a）非平衡載流子在電場作用下，在壽命時間內(nèi)所漂移的距離叫牽引長度 b）非平衡載流子在復(fù)合前所能擴(kuò)散深入樣品的平均距離稱為擴(kuò)散長度 c）使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需的最小能量叫電子親和能 d）復(fù)合中心指的是促進(jìn)復(fù)合過程的雜質(zhì)和缺陷6. 關(guān)于P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級的敘述（ ）是正確的 a）由溫度和受主濃度決定 b）當(dāng)溫度一定時，受主濃度越高，與的差就越小 c）當(dāng)受主濃度一定時，溫度越高，與的差就越小 d）用適當(dāng)波長的光均勻照射半導(dǎo)體時，與的差變大7. 關(guān)于PN結(jié)擊穿的敘述（ ）是正確的 a）雪崩擊穿的擊穿電壓比隧道擊穿的擊穿電壓高 b）輕摻雜的PN結(jié)易發(fā)生雪崩擊穿 c）重?fù)诫s的PN結(jié)易發(fā)生隧道擊穿 d）P-i-N結(jié)的擊穿電壓要比一般PN結(jié)的擊穿電壓高8. 下列敘述中（ ）是正確的 a）PN結(jié)的接觸電勢差隨溫度升高要減小 b）PN結(jié)的接觸電勢差 c）零偏壓時的硅PN結(jié)微分電阻要比鍺PN結(jié)的微分電阻大 d）在相同的正向電壓情況下，鍺PN結(jié)的微分電阻要比硅PN結(jié)的小 e）在相同的正向電流情況下，鍺PN結(jié)的微分電阻要比硅PN結(jié)的大三、填空題（共15分，每題3分）1.在公式 中，是載流子的_，m*是載流子的_。2.N型硅摻砷后，費(fèi)米能級向_移動，在室溫下進(jìn)一步升高溫度，費(fèi)米能級向_移動。3.在同一個坐標(biāo)系中畫出硅和鍺二極管的伏安特性為_4.一維情況下，描述非平衡態(tài)半導(dǎo)體中空穴運(yùn)動規(guī)律的連續(xù)性方程為 寫出每一項的物理意義是： _ _ _ _ _ _5.MOS結(jié)構(gòu)的強(qiáng)反型條件是 _四、解釋或說明下列各名詞（共15分，每小題5分） 1.有效質(zhì)量 2.本征激發(fā) 3.歐姆接觸和肖特基接觸五、說明以下幾種效應(yīng)及其物理機(jī)制，并分別寫出其可能的一種應(yīng)用（總分21分，每小題7分） 1.湯姆遜效應(yīng) 2.霍爾效應(yīng) 3.耿氏效應(yīng)六、計算題或證明題（總分59分，共 5小題）1.（12分）一塊足夠厚的P型硅樣品，室溫下電子遷移率，電子壽命，其表面處，穩(wěn)定注入的電子濃度。計算： 在距表面多遠(yuǎn)處？由表面擴(kuò)散到該處的非平衡少子的電流密度為（表面復(fù)合不計）。2.（12分）一硅結(jié)，結(jié)兩邊的摻雜濃度為，結(jié)面積，空穴壽命，空穴擴(kuò)散系數(shù)。室溫下計算： 加正偏壓時，流過的電流。3.（12分）已知本征鍺的電導(dǎo)率在310K是為，在273K時為。一個N型鍺樣品，在這兩個溫度時，施主濃度為。試計算： 在上述兩個溫度時摻雜鍺的電導(dǎo)率。（設(shè)，）4.（13分）設(shè)一均勻的N型硅樣品，在右半部用一穩(wěn)定的光照射，如圖所示。均勻產(chǎn)生電子空穴對，產(chǎn)生率為g。若樣品足夠長，求穩(wěn)態(tài)時： 1） 樣品兩邊的空穴濃度分布的表達(dá)式 2）畫出隨的分布示意圖。5.（10分）證明愛因斯坦關(guān)系式。綜合練習(xí)題四 一、單項選擇題（總分16分，每小題2分） 1.設(shè)半導(dǎo)體能帶位于k=0處，則下列敘述（ ）正確 a）能帶底的電子有效質(zhì)量為正b）能帶底的電子有效質(zhì)量為負(fù) c）能帶底的電子有效質(zhì)量為負(fù) d）能帶底附近電子的速度為負(fù) 2. 在室溫時T=300K，在本征半導(dǎo)體的兩端外加電壓U,則（ ） a）價帶中的電子不參與導(dǎo)電 b）價帶中的電子參與導(dǎo)電 c）基本能級位于禁帶中央的下方 d）基本能級位于禁帶中央的上方3. 在制造半導(dǎo)體高速開關(guān)器件時，認(rèn)為地?fù)饺虢?，其目的是?） a）減少關(guān)斷時間 b）增加電流放大倍數(shù) c）提高擊穿電壓 d）增加少子壽命4. 關(guān)于載流子濃度 ,對同一材料，在一定溫度時，正確的說法是（ ） a）僅適用于本征半導(dǎo)體 b）僅適用于p型半導(dǎo)體 c）僅適用于n型半導(dǎo)體 d）以上三種情況都適用5. 由（ ）散射決定的遷移率正比于 a）電離雜質(zhì) b）聲子波 c）光子波 d）電子間的6. 關(guān)于半導(dǎo)體中非平衡載流子的壽命，下列敘述不正確的是( )。 a）壽命與材料類型有關(guān) b）壽命與材料的表面狀態(tài)有關(guān) c）壽命與材料的純度有關(guān) d）壽命與材料的晶格完整性有關(guān)7. 若pn結(jié)空間電荷區(qū)中不存在復(fù)合電流，則pn結(jié)一定在（ ）工作狀態(tài)。 a）反向 b）正向 c）擊穿 d）零偏壓8. 在同樣的條件下，硅二極管的反向飽和電流要比鍺二極管的要（ ）。 a）大 b）小 c）相等 d）無法判斷二、多項選擇題（總分24分，每小題3分）1. 關(guān)于霍耳效應(yīng)，下列敘述正確的是（ ）。 a）n型半導(dǎo)體的霍耳系數(shù)總是負(fù)值。 b）p型半導(dǎo)體的霍耳系數(shù)可以是正值，零或負(fù)值。 c）利用霍耳效應(yīng)可以判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。 d）霍耳電壓與樣品形狀有關(guān)。2. 下列（ ）不屬于熱電效應(yīng)。 a）塞貝克效應(yīng) b）帕耳帖效應(yīng) c）湯姆遜效應(yīng) d）帕斯托效應(yīng)3. 半導(dǎo)體pn結(jié)激光的發(fā)射，必須滿足的條件是（ ）。 a）形成粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn) b）共振腔 c）至少達(dá)到閾值的電流密度 d）pn結(jié)必須處于反向工作狀態(tài)4. 若 ，則正確的是（ ）。 a）金屬與n型半導(dǎo)體接觸形成阻擋層 b）金屬與p型半導(dǎo)體接觸形成反阻擋層 c）金屬與n型半導(dǎo)體提接觸形成反阻擋層 d）金屬與p型半導(dǎo)體接觸形成阻擋層5. 下列結(jié)構(gòu)中，（ ）可以實現(xiàn)歐姆接觸。 a）金屬-n+-n b）金屬-p+-p c）金屬-p-p+ d）金屬-n-n+6. 下列關(guān)于p+n結(jié)的敘述中，（ ）是正確的。 a）p+n結(jié)的結(jié)電容要比相同條件的pn結(jié)結(jié)電容大 b）流過p+n結(jié)的正向電流中無產(chǎn)生電流成分 c）p+n結(jié)的開關(guān)速度要比一般pn結(jié)的開關(guān)速度快 d）p+n結(jié)的反向擊穿電壓要比一般pn結(jié)的低7. 對于硅pn結(jié)的擊穿電壓，敘述正確的是（ ）。 a）擊穿電壓6.7V時，為雪崩擊穿 b）擊穿電壓4.5V時，為隧道擊穿 c）隧道擊穿電壓的溫度系數(shù)為正值 d）雪崩擊穿電壓的溫度系數(shù)為負(fù)值8. 在理想MIS結(jié)構(gòu)中，下列結(jié)論（ ）正確。 a）平帶電壓為零 b） c）無外加電壓時，半導(dǎo)體表面勢為零 d）無外加電壓時，半導(dǎo)體表面無反型層也無耗盡層三、填空題（共15分，每題3分）1.在晶體中電子所遵守的一維薛定諤方程，滿足此方程的布洛赫函數(shù)為 。2. 硅摻磷后，費(fèi)米能級向移動，在室溫下進(jìn)一步提高溫度，費(fèi)米能級向移動。3. 畫出硅的電阻率隨溫度的變化關(guān)系示意圖。 。4.寫出p型半導(dǎo)體構(gòu)成的理想MIS結(jié)構(gòu)形成下列狀態(tài)所滿足的條件： 多子堆積 多子耗盡 反型_5. 暖電子通常指的是它的溫度 晶格溫度。而熱電子指的是電子的溫度 晶格溫度。四、解釋或說明下列各名詞（共15分，每小題5分）1. 空穴2. 準(zhǔn)費(fèi)米能級3. pn結(jié)的雪崩擊穿五、說明以下幾種效應(yīng)及其物理機(jī)制，并分別寫出其可能的一種應(yīng)用（總分21分，每小題7分）1.霍耳效應(yīng)2.半導(dǎo)體的光聲伏特效應(yīng)3.pn結(jié)的電容效應(yīng)六、計算題或證明題（總分59分，共 5小題)1.（12分）計算硅p+n+結(jié)在時的最大接觸電勢差。2.（12分）設(shè)硅p+n結(jié)的p區(qū)電阻率為0.0