半導(dǎo)體物理試卷試題b答案

1、一、名詞解釋（本大題共5題 每題4分，共20分）1. 直接復(fù)合：導(dǎo)帶中的電子越過(guò)禁帶直接躍遷到價(jià)帶，與價(jià)帶中的空穴復(fù)合，這樣的復(fù)合過(guò)程稱為直接復(fù)合。2.本征半導(dǎo)體：不含任何雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，它的電子和空穴數(shù)量相同。3簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：半導(dǎo)體中電子分布不符合波爾茲滿分布的半導(dǎo)體稱為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。過(guò)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(huì)產(chǎn)生高于熱平衡時(shí)濃度的電子和空穴，超過(guò)熱平衡濃度的電子n=n-n0和空穴p=p-p0稱為過(guò)剩載流子。4. 有效質(zhì)量、縱向有效質(zhì)量與橫向有效質(zhì)量 答：有效質(zhì)量：由于半導(dǎo)體中載流子既受到外場(chǎng)力作用，又受到半導(dǎo)體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)作用。有效概括

2、了半導(dǎo)體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)的作用，使外場(chǎng)力和載流子加速度直接聯(lián)系起來(lái)。在直接由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的有效質(zhì)量后，可以很方便的解決電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 5. 等電子復(fù)合中心等電子復(fù)合中心：在III- V族化合物半導(dǎo)體中摻入一定量與主原子等價(jià)的某種雜質(zhì)原子，取代格點(diǎn)上的原子。由于雜質(zhì)原子與主原子之間電性上的差別，中性雜質(zhì)原子可以束縛電子或空穴而成為帶電中心。帶電中心吸引與被束縛載流子符號(hào)相反的載流子，形成一個(gè)激子束縛態(tài)。這種激子束縛態(tài)叫做等電子復(fù)合中心。二、選擇題（本大題共5題 每題3分，共15分）1對(duì)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.

3、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(gè)硅樣品，其摻雜情況分別是：甲含鋁1×10-15cm-3 乙.含硼和磷各1×10-17cm-3 丙.含鎵1×10-17cm-3室溫下，這些樣品的電子遷移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(jí)必靠近( A )A. 禁帶中部 B.導(dǎo)帶 C.價(jià)帶 D.費(fèi)米能級(jí) 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(shí)，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半導(dǎo)體中載流子的擴(kuò)散系數(shù)決定于其中的( A )A.散射機(jī)構(gòu) B.

4、復(fù)合機(jī)構(gòu) C.雜質(zhì)濃變梯度 D.表面復(fù)合速度6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、簡(jiǎn)答題（20分）1請(qǐng)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(yùn)動(dòng)情況，寫出其電流密度方程，請(qǐng)解釋為什么pn結(jié)具有單向?qū)щ娦裕?（10分）解：在p-n結(jié)兩端加正向偏壓VF, VF基本全落在勢(shì)壘區(qū)上，由于正向偏壓產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，勢(shì)壘高度由平衡時(shí)的qVD下降到q(VD-VF)，耗盡區(qū)變窄，因而擴(kuò)散電流大于漂移電流，產(chǎn)生正向注入。過(guò)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)

5、部擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)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(shí)，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(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向一致，因而勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng)，空間電荷數(shù)量增加，勢(shì)壘區(qū)變寬，勢(shì)壘高度由qVD增高到q(VD+VR).勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng)增強(qiáng)，破壞了原來(lái)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的平衡，漂移運(yùn)動(dòng)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，在區(qū)邊界處的空穴被勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)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(chǎng)驅(qū)走后，內(nèi)部少子就來(lái)補(bǔ)充，形成了反向偏壓下的空穴擴(kuò)散電流和電子擴(kuò)散電流。 （6分）電流密度方程：

6、 （2分）正向偏置時(shí)隨偏置電壓指數(shù)上升，反向偏壓時(shí)，反向擴(kuò)散電流與V無(wú)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）2. 在一維情況下，描寫非平衡態(tài)半導(dǎo)體中載流子（空穴）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的連續(xù)方程為：，請(qǐng)說(shuō)明上述等式兩邊各個(gè)單項(xiàng)所代表的物理意義。（10分）答：在x處，t時(shí)刻單位時(shí)間、單位體積中空穴的增加數(shù)；（2分）由于擴(kuò)散，單位時(shí)間、單位體積中空穴的積累數(shù)；（2分）由于漂移，單位時(shí)間、單位體積中空穴的積累數(shù)；（2分）由于復(fù)合，單位時(shí)間、單位體積中空穴的消失數(shù)；（2分）由于其他原因，單位時(shí)間、單位體積中空穴的產(chǎn)生數(shù)。（2分）四、計(jì)算題（共5小題，每題9分，共45分）1.設(shè)E -

7、EF分別為3k0T，分別用費(fèi)米分布函數(shù)和玻爾茲曼分布函數(shù)計(jì)算電子占據(jù)該能級(jí)的概率。解：費(fèi)米分布函數(shù)為,當(dāng)EEF等于3k0T時(shí)，f0.047玻耳茲曼分布函數(shù)為,當(dāng)EEF等于3k0T時(shí)，f0.050上述結(jié)果顯示在費(fèi)米能級(jí)附近費(fèi)米分布和玻耳茲曼分布有一定的差距。2. 設(shè)晶格常數(shù)為a的一維晶格，導(dǎo)帶極小值附近能量Ec（k）和價(jià)帶極大值附近能量Ev（k）分別為：和；m0為電子慣性質(zhì)量，k11/(2a)；a0.314nm。試求：禁帶寬度；導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量；價(jià)帶頂電子有效質(zhì)量；解：禁帶寬度Eg根據(jù)0；可求出對(duì)應(yīng)導(dǎo)帶能量極小值Emin的k值：kmin，由題中EC式可得：EminEC(K)|k=kmin=；由

8、題中EV式可看出，對(duì)應(yīng)價(jià)帶能量極大值Emax的k值為：kmax0；并且EminEV(k)|k=kmax；EgEminEmax0.64eV 導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量mn； mn 價(jià)帶頂電子有效質(zhì)量m， 3、 Si原子加到GaAs材料中，取代Ga原子成為施主雜質(zhì)或取代As原子成為受主雜質(zhì)。假定Si原子濃度為，其中5%取代As原子，95%取代Ga原子，并在室溫下全部離化。求：施主和受主雜質(zhì)濃度；電子和空穴濃度及費(fèi)米能級(jí)位置；導(dǎo)電類型及電阻率。（ni=1.6×106cm-3，n=8000cm2/VS, p=400cm2/VS ） 解：（1）取代As的Si為受主雜質(zhì)，故受主雜質(zhì)濃度為 取代Ga的Si為施主雜質(zhì)，故施主雜質(zhì)濃度為（2）施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)全部電離，所以 因?yàn)?所以費(fèi)米能級(jí)在在禁帶中線上0.284eV處 （3）易知此材料為n型半導(dǎo)體 4. 在室溫下，本征Ge的電阻率為47。試求：1) 本征載流子的濃度，若摻入銻雜質(zhì)使每個(gè)鍺原子中有一個(gè)雜質(zhì)原子；2) 計(jì)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；3) 試求該雜質(zhì)鍺材料的電阻率。（設(shè)，且不隨雜質(zhì)變化。）解：（1）本征半導(dǎo)體的表達(dá)式為： 施主雜質(zhì)原子的濃度為 因?yàn)殡s質(zhì)全部電離，故 所以 其電