大連理工大學半導體物理作業(yè)2016參考(答案第二版)

1、第一次作業(yè)1、 區(qū)別于半導體器件，功率半導體器件的特點有哪些？1）能處理電功率的大小，即承受電壓和電流 的能力是其最重要的參數其處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級, 大多都遠大于處理信息的電子器件電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)導通時（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定2）阻斷時（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定電力電子器件的動態(tài)特性（開關特性）和參數，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關來代替有時將其稱之為電力電子開關或電力半導體開關。3）電力電子器件往

2、往需要由信息電子電路來控制在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進行適當放大，這就是電力電子器件的驅動電路(Driving Circuit）4）為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設計，在其工作時一般都要安裝散熱器。導通時器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗，阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過，形成斷態(tài)損耗，在器件開通或關斷的轉換過程中產生開通損耗和關斷損耗，總稱開關損耗。2、 列出幾種常用的電力電子器件，寫出英文全稱和縮寫。功率二極管 Power Diode 可控硅整流器 Silicon Controlled Rectifier,

3、SCR 門極可關斷晶閘管 Gate Turn Off Thyristor, GTO集成門極換流晶閘管 Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT絕緣柵雙極性晶體管 Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT3、 什么是理想開關？畫出表明其通斷過程的電流和電壓波形。 關斷時可承受正、反向電壓（越高越好） 開通時可流過正、反向電流（越大越好） 開通態(tài)、關斷態(tài)均無損耗，狀態(tài)轉換過程無損耗，狀態(tài)轉換過程快速完成（越快越好） 開關壽命長（允許的開關次數越多越好）與下面的圖相比，波形是直上直下的，沒有過渡過程。第二次作業(yè)1、確定

4、晶胞中的原子數：（a）面心立方；（b）體心立方；(c)金剛石晶格。面心立方：體心立方：金剛石晶格：2、計算如下平面硅原子的面密度：（a）（100），（b）（110），（c）（111）。3、金剛石結構晶胞，若a 是其晶格常數，求原子密度。8/a34、半導體的電阻率？表征物體的導電能力，電導率倒數5、什么是晶體？晶體主要分幾類？6、什么是晶格？什么是原胞、晶胞？為了研究晶體的結構，將構成晶體的粒子抽象為一個點，這樣得到的空間點陣成為晶格。原胞：能夠完整反映晶體內部原子或離子在三維空間分布的平行六面體單元。晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。第三次作業(yè)1、整理空帶、滿帶、半滿帶、價帶、導帶、

5、禁帶、導帶底、價帶頂、禁帶寬度的概念。 2、簡述空穴的概念?？昭ǎ簬д姷膶щ娸d流子，是價電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應于價帶中的電子空位。3、從能帶的角度區(qū)別導體、絕緣體和半導體4、本征半導體、雜質半導體、施主雜質、受主雜質、施主能級、受主能級本征半導體：沒有摻入雜質的純凈半導體雜質半導體: 摻入雜質的純凈半導體施主（Donor）雜質: 比晶格主體原子多一個價電子的替位式雜質。它們在適當的溫度下能夠釋放多余的價電子而在半導體中產生非本征自由電子并使自身電離。受主（accepter）雜質: 比晶格主體原子少一個價電子的替位式雜質。它們在適當的溫度下能夠向價帶釋放空穴而在半導體中產生非本

6、征自由空穴并使自身電離。 施主能級: 被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)，叫做施主能級受主能級：被受主雜質束縛的空穴的能量狀態(tài)，叫做受主能級5、半導體中的導電粒子有哪些？解釋雜質半導體中的多子和少子。自由電子與空穴P型中。N型中。 6、如何理解雜質半導體對外呈電中性？ 7、如何把本征硅變成N型硅。第四次作業(yè)8、本征半導體的能帶特征，畫出本征半導體的能帶圖本征情況下的費米EF能級，基本上相當于禁帶的中線（略微偏離中線），且n=p9、本征半導體平衡時載流子濃度之間的關系10、非本征半導體平衡時載流子濃度之間的關系11、費米能級隨摻雜濃度是如何變化的？隨溫度是如何變化的？N型半導體時：P型半導體時：一定

7、ND時，溫度T越高，EF越向本征費米能級Ei方向靠近。12、電離能的概念基態(tài)原子或離子失去一個電子所需要的最小能量13、當E-EF為1.5 kT，4 kT, 10 kT時，分別用費米分布函數和玻耳茲曼分布函數計算電子占據各該能級的概率。第五次作業(yè)14、對于某n型半導體，試證明其費米能級在其本征半導體的費米能級之上。即EFnEFi。15、試分別定性定量說明：（1）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；（2）對一定的材料，當摻雜濃度一定時，溫度越高，載流子濃度越高。(1) 在一定的溫度下，對本征材料而言，材料的禁帶寬度越窄，則躍遷所需的能量越小，所以受激發(fā)的載流子濃度

8、隨著禁帶寬度的變窄而增加。由公式：也可知道，溫度不變而減少本征材料的禁帶寬度，上式中的指數項將因此而增加，從而使得載流子濃度因此而增加。（2）對一定的材料，當摻雜濃度一定時，溫度越高，受激發(fā)的載流子將因此而增加。由公式可知，這時兩式中的指數項將因此而增加，從而導致載流子濃度增加。16、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米能級的相對位置，并判斷樣品的導電類型。假如再在其中都摻入濃度為2.251016cm-3的受主雜質，這兩塊樣品的導電類型又將怎樣？解：由 得： 可見，又因為 ，則假如再在其中都摻入濃度為2.251016

9、cm-3的受主雜質，那么將出現雜質補償，第一種半導體補償后將變?yōu)閜型半導體，第二種半導體補償后將近似為本征半導體。答：第一種半導體中的空穴的濃度為1.1x1010cm-3,費米能級在價帶上方0.234eV處；第一種半導體中的空穴的濃度為3.3x103cm-3,費米能級在價帶上方0.331eV處。摻入濃度為2.251016cm-3的受主雜質后，第一種半導體補償后將變?yōu)閜型半導體，第二種半導體補償后將近似為本征半導體。17、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？解：在300K時，因為ND10ni，因此雜質全電離n0=ND4.51016cm-3答

10、： 300K時樣品中的的電子濃度和空穴濃度分別是4.51016cm-3和5.0103cm-3。18、什么是載流子的漂移運動？什么是載流子的擴散運動？漂移運動：兩種載流子（電子和空穴）在電場的作用下產生的運動。其運動產生的電流方向一致。擴散運動：由于載流子濃度的差異，而形成濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴散，產生擴散運動。19、何謂遷移率？影響遷移率的主要因素有哪些？ 遷移率m：為單位電場作用下載流子獲得平均速度，反映了載流子在電場作用下輸運能力，是反映半導體及其器件導電能力的重要參數。單位：cm2/Vs。不同的半導體材料的遷移率不同，不同類型的載流子遷移率不同其影響因素與散射模式相關（電離雜質散射

11、，晶格散射）20、漂移運動和擴散運動有什么不同？漂移運動是載流子在外電場的作用下發(fā)生的定向運動，而擴散運動是由于濃度分布不均勻導致載流子從濃度高的地方向濃度底的方向的定向運動。前者的推動力是外電場，后者的推動力則是載流子的分布引起的。21、漂移運動與擴散運動之間有什么聯系？非簡并半導體的遷移率與擴散系數之間有什么聯系？解：漂移運動與擴散運動之間通過遷移率與擴散系數相聯系。而非簡并半導體的遷移率與擴散系數則通過愛因斯坦關系相聯系，二者的比值與溫度成反比關系。即22、截面積為0.6cm2、長為1cm的 n型GaAs樣品，設un=8000 cm2/( VS),n=1015cm-3，試求樣品的電阻。2

12、3、300K時，Ge的本征電阻率為47Wcm，如電子和空穴遷移率分別為3900cm2/( V.S)和1900cm2/( V.S)。 試求Ge 的載流子濃度。第六次作業(yè)24、試計算本征Si在室溫時的電導率，設電子和空穴遷移率分別為1350cm2/( V.S)和500cm2/( V.S)。當摻入百萬分之一的As后，設雜質全部電離，試計算其電導率。比本征Si的電導率增大了多少倍？300K時，室溫下Si的本征載流子濃度約為。雜質全部電離后，這種情況下，多子的遷移率為800 cm2/( V.S)25、 熱平衡半導體(沒有電流)的施主雜質濃度在范圍內呈指數變化：其中為常數。（a）求范圍 內的電場分布函數；

13、（b）求處和處之間的電勢差。26、500g的Si單晶，摻有4.510-5g 的B ，設雜質全部電離，試求該材料的電阻率mp=500cm2/( V.S),硅單晶密度為2.33g/cm3,B原子量為10.8。27、空間電荷區(qū)或稱耗盡區(qū)？空間電荷區(qū)也稱耗盡層，在PN結中，由于自由電子的擴散運動和內電場導致的漂移運動，使PN結中間的部位(P區(qū)和N區(qū)交界面)產生一個很薄的電荷區(qū),它就是空間電荷區(qū)。28、空間電荷區(qū)的內建電場？電子和空穴的轉移在N型和P型各邊分別留下沒有載流子補償的固定的施主離子和受主離子。結果建立了兩個空間電荷層。這些荷電的施主離子和受主離子稱為空間電荷，空間電荷所在的區(qū)稱為空間電荷區(qū)，

14、空間電荷區(qū)內形成的電場就稱為內建電場。29、 空間電荷區(qū)的內建電勢差？平衡pn結的空間電荷區(qū)兩端間的電勢差，稱為pn結的接觸電勢差或內建電勢差第七次作業(yè)30、 P-N的反偏狀態(tài)？ P區(qū)接負，N區(qū)接正，外加電場與內建電場方向相同31、何謂P-N結正偏？并敘述P-N結外加正偏電壓時，會出現何種情況？外加電場與內建電場方向相反，空間電荷區(qū)中的電場減弱，勢壘區(qū)寬度變窄，勢壘高度變低，破壞擴散與漂移運動間的平衡，擴散運動 強于 漂移運動，注入少子（非平衡載流子的電注入 ），注入的少子邊擴散邊復合32、空間電荷區(qū)的寬度？34、結空間電荷區(qū)邊界分別為和，利用導出一般情況下的表達式。（課件中有推導）35、熱平衡時凈電子電流或凈空穴電流為零，用此方法推導方程。36、根據修正歐姆定律和空穴擴散電流公式證明，在外加正向偏壓作用下，結側空穴擴散區(qū)準費米能級的改變量為。37、 硅突變結二極管的摻雜濃度為