半導體物理學簡答題及答案

1、復習思考題與自測題第一章1 原子中的電子和晶體中電子受勢場作用情況以及運動情況有何不同，原子中內層電子和外層電子參與共有化運動有何不同。答：原子中的電子是在原子核與電子庫倫相互作用勢的束縛作用下以電子云的形式存在，沒有一個固定的軌道；而晶體中的電子是在整個晶體內運動的共有化電子，在晶體周期性勢場中運動。當原子互相靠近結成固體時，各個原子的內層電子仍然組成圍繞各原子核的封閉殼層，和孤立原子一樣;然而，外層價電子則參與原子間的相互作用，應該把它們看成是屬于整個固體的一種新的運動狀態(tài)。組成晶體原子的外層電子共有化運動較強，其行為與自由電子相似，稱為準自由電子，而內層電子共有化運動較弱，其行為與孤立原

2、子的電子相似。2描述半導體中電子運動為什么要引入”有效質量”的概念，用電子的慣性質量描述能帶中電子運動有何局限性。答：引進有效質量的意義在于它概括了半導體內部勢場的作用，使得在解決半導體中電子在外力作用下的運動規(guī)律時，可以不涉及半導體內部勢場的作用。慣性質量描述的是真空中的自由電子質量，而不能描述能帶中不自由電子的運動，通常在晶體周期性勢場作用下的電子慣性運動，成為有效質量3般來說，對應于高能級的能帶較寬，而禁帶較窄，是否如此，為什么？答：不是，能級的寬窄取決于能帶的疏密程度，能級越高能帶越密，也就是越窄；而禁帶的寬窄取決于摻雜的濃度，摻雜濃度高，禁帶就會變窄，摻雜濃度低，禁帶就比較寬。4有效

3、質量對能帶的寬度有什么影響，有人說：”有效質量愈大，能量密度也愈大,因而能帶愈窄是否如此，為什么？答：有效質量與能量函數對于K的二次微商成反比，對寬窄不同的各個能帶，1(k)隨k的變化情況不同，能帶越窄，二次微商越小，有效質量越大，內層電子的能帶窄，有效質量大；外層電子的能帶寬，有效質量小。5簡述有效質量與能帶結構的關系；答：能帶越窄，有效質量越大，能帶越寬，有效質量越小。6從能帶底到能帶頂，晶體中電子的有效質量將如何變化？外場對電子的作用效果有什么不同；答：在能帶底附近，電子的有效質量是正值，在能帶頂附近，電子的有效質量是負值。在外電F作用下，電子的波失K不斷改變，fhdkdt,其變化率與外

4、力成正比，因為電子的速度與k有關，既然k狀態(tài)不斷變化，則電子的速度必然不斷變化。7以硅的本征激發(fā)為例，說明半導體能帶圖的物理意義及其與硅晶格結構的聯(lián)系，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體的禁帶寬度？答：沿不同的晶向，能量帶隙不一樣。因為電子要擺脫束縛就能從價帶躍遷到導帶，這個時候的能量就是最小能量，也就是禁帶寬度。2 為什么半導體滿帶中的少量空狀態(tài)可以用具有正電荷和一定質量的空穴來描述?答：空穴是一個假想帶正電的粒子，在外加電場中，空穴在價帶中的躍遷類比當水池中氣泡從水池底部上升時，氣泡上升相當于同體積的水隨氣泡的上升而下降。把氣泡比作空穴，下降的水比作電子，因為在出現空穴的

5、價帶中，能量較低的電子經激發(fā)可以填充空穴，而填充了空穴的電子又留下了一個空穴。因此，空穴在電場中運動，實質是價帶中多電子系統(tǒng)在電場中運動的另一種描述。因為人們發(fā)現，描述氣泡上升比描述因氣泡上升而水下降更為方便。所以在半導體的價帶中，人們的注意力集中于空穴而不是電子。3 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是否相等，彼此有何聯(lián)系？答：相等，沒任何關系4 為什么極值附近的等能面是球面的半導體，當改變磁場方向時只能觀察到一個共振吸收峰。答：各向同性。5 金剛石晶體結構和閃鋅礦晶體結構的晶向對物理性質的影響。6 典型半導體的帶隙。一般把禁帶寬度等于或者大于2.3ev的

6、半導體材料歸類為寬禁帶半導體，主要包括金剛石，SiC,GaN,金剛石等。26族禁帶較寬，46族的比較小，如硏化鉛，硒化鉛(0.3ev),35族的不申化鐐(1.4ev)o第二章1 說明雜質能級以及電離能的物理意義。為什么受主、施主能級分別位于價帶之上或導帶之下，而且電離能的數值較?。看穑罕浑s質朿縛的電子或空穴的能量狀態(tài)稱為雜質能級，電子脫離雜質的原子的束縛成為導電電子的過程成為雜質電離，使這個多余的價電子掙脫束縛成為導電電子所需要的能量成為雜質電離能。雜質能級離價帶或導帶都很近，所以電離能數值小。2純錯，硅中摻入III或V族元素后,為什么使半導體電學性能有很大的改變？雜質半導體（P型或n型）應用

7、很廣，但為什么我們很強調對半導體材料的提純？答：因為摻入III或V族后，雜質產生了電離，使得到導帶中得電子或價帶中得空穴增多，增強了半導體的導電能力。極微量的雜質和缺陷，能夠對半導體材料的物理性質和化學性質產生決定性的影響，當然，也嚴重影響著半導體器件的質量。3把不同種類的施主雜質摻入同一種半導體材料中，雜質的電離能和軌道半徑是否不同?把同一種雜質摻入到不同的半導體材料中（例如錯和硅），雜質的電離能和軌道半徑又是否都相同？答：不相同4何謂深能級雜質，它們電離以后有什么特點？答：雜質電離能大，施主能級遠離導帶底，受主能級遠離價帶頂。特點：能夠產生多次電離，每一次電離相應的有一個能級。5為什么金元

8、素在錯或硅中電離后可以引入多個施主或受主能級？答：因為金是深能級雜質，能夠產生多次電離，每一次電離相應的有一個能級，因此，金在硅錯的禁帶往往能引入若干個能級。6說明摻雜對半導體導電性能的影響。答：在純凈的半導體中摻入雜質后，可以控制半導體的導電特性。摻雜半導體又分為n型半導體和p型半導體。例如，在常溫情況下，本征Si中的電子濃度和空穴濃度均為1.5X10cm-3o當在Sixx摻入l.OX1016cm-3后，半導體中的電子濃度將變?yōu)閘.OX1016cm-3,而空穴濃度將近似為2.25X104cm-3o半導體中的多數載流子是電子，而少數載流子是空穴。7 說明半導體中淺能級雜質和深能級雜質的作用有何

9、不同？答：深能級雜質在半導體中起復合中心或陷阱的作用。淺能級雜質在半導體中起施主或受主的作用8什么叫雜質補償，什么叫高度補償的半導體，雜質補償有何實際應用。答：當半導體中既有施主又有受主時，施主和受主將先相互抵消，剩余的雜志最后電離，這就是雜質補償，若施主電子剛好填充受主能級，雖然雜質很多，但不能向導帶和價帶提供電子和空穴，這種現象稱為雜質的高度補償。利用雜質補償效應，可以根據需要改變半導體中某個區(qū)域的導電類型，制造各種器件。9什么是半導體的共摻雜答：摻入兩種或兩種元素以上10. 用氫原子模型計算雜質電離能第三章1半導體處于怎樣的狀態(tài)才能叫處于熱平衡狀態(tài)，其物理意義如何？載流子激發(fā)和載流子復合

10、之間建立起動態(tài)平衡時稱為熱平衡狀態(tài)，這時電子和空穴的濃度都保持一個穩(wěn)定的數值，處在這中狀態(tài)下的導電電子和空穴稱為熱平衡載流子。2 什么是能量狀態(tài)密度能帶中能量E附近每單位能量間隔內的量子態(tài)數。3什么叫統(tǒng)計分布函數，費米分布和玻耳茲曼分布的函數形式有何區(qū)別？在怎樣的條件下前者可以過渡到后者，為什么半導體中載流子分布可以用玻耳茲曼分布描述？統(tǒng)計分布函數描述的事熱平衡狀態(tài)下電子在允許的量子態(tài)如何分布的一個統(tǒng)計分布函數。當E-EFkT時，前者可以過度到后者。4說明費米能級的物理意義，根據費米能級位置如何計算半導體中電子和空穴濃度，如何理解費米能級是摻雜類型和摻雜程度的標志。費米能級的意義：當系統(tǒng)處于熱

11、平衡狀態(tài)，也不對外界做功的情況下，系統(tǒng)增加一個電子所引起的系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學能。n型摻雜越高，電了濃度越咼，EF就越高。5在半導體計算中,經常應用這個條件把電子從費米能級統(tǒng)計過渡到玻耳茲曼統(tǒng)計，試說明這種過渡的物理意義。E-EFkT時，量子態(tài)為電子占據的概率很小，適合于波爾茲曼分布函數，泡利原理失去作用，兩者統(tǒng)計結果變得一樣To6寫出半導體的電中性方程，此方程在半導體中有何重要意義？電子濃度等于空穴濃度。意義：平衡狀態(tài)下半導體體內是電中性的。7半導體本征載流子濃度的表達式及其費米能級載流子濃度：費米能級：Ei=Ef=(Ec+Ev)/2+(3kT/4)*ln(mp/mn)8若n型硅

12、中摻入受主雜質，費米能級升高還是降低？若溫度升高當本征激發(fā)起作用時，費米能級在什么位置，為什么？費米能級降低了。費米能級在本征費米能級以上。9如何理解分布函數與狀態(tài)密度的乘積再對能量積分即可求得電子濃度？根據公式和常識，必然是這樣。10. 為什么硅半導體器件比錯器件的工作溫度高？硅的禁帶寬度比錯大，且在相同溫度下，錯的本征激發(fā)強于硅，很容易就達到較高的本征載流子濃度，使器件失去性能。11. 當溫度一定時，雜質半導體的費米能級主要由什么因素決定？試把強n,弱n型半導體與強p,弱p半導體的費米能級與本征半導體的費米能級比較。決定因素：摻雜濃度，摻雜能級，導帶的電子有效態(tài)密度等。費米能級比較：強門弱

13、n本征弱p強p12如果向半導體中重摻施主雜質，就你所知會出現一些什么效應？費米能級深入到導帶或者價帶中13半導體的簡并化判據Ec-Ef=0第四章1試從經典物理和量子理論分別說明載流子受到散射的物理意義。經典：電子在運動中和晶格或者雜質離子發(fā)生碰撞導致載流子速度的大小和方向發(fā)生了改變。量子理論：電子波仔半導體傳播時遭到了散射。2 半導體的主要散射機制。電離雜質散射；晶格振動散射，包括聲子波和光學波散射；其他因素散射：等能谷散射，中性雜質散射，位錯散射，合金散射，等。3 比較并區(qū)別下述物理概念：電導遷移率，漂移遷移率和xx遷移率。電導遷移率：漂移遷移率：載流子在電場作用下運動速度的快慢的量度，運動

14、得越快，遷移率越大；運動得慢，遷移率小XX遷移率：Hall系數RH與電導率o的乘積，即|RH|o,具有遷移率的量綱，Hall遷移率HH實際上不一定等于載流子的電導遷移率兒因為載流子的速度分布會影響到電導遷移率4 什么是聲子?它對半導體材料的電導起什么作用？聲子是晶格振動的簡正模能量量子，聲子可以產生和消滅，有相互作用的聲子數不守恒，聲子動量的守恒律也不同于一般的粒子，并且聲子不能脫離固體存在。電子在半導體中傳輸時若發(fā)生晶格振動散射，則會發(fā)出或者吸收聲子，使電子動量發(fā)生改變，從而影響到電導率。5平均自由程，平均自由時間，散射幾率平均自由程：電子在受到兩次散射之間所走過的平均距離；平均自由時間：電

15、子在受到兩次散射之間運動的平均時間；散射幾率：用來描述散射的強弱，代表單位時間內一個載流子受到散射的次數。6幾種散射機制同時存在，總的散射幾率總散射概率等于多種散射概率之和。7塊本征半導體樣品,試描述用以增加其電導率的兩個物理過程。提高遷移率和和提高本征載流子濃度8 如果有相同的電阻率的摻雜錯和硅半導體，問哪一個材料的少子濃度高，為什么？錯的少子濃度高。由電阻率=l/nqu和（ni）2=nOpO以及硅和錯本征載流子濃度的數量級差別，可以算出錯的少子濃度高。9 硅電阻率與溫度的關系圖10.光學波散射和聲學波散射的物理機構有何區(qū)別？各在什么樣晶體中起主要作用？光學波散射：彈性散射，散射前后電子能量

16、基本不變。主要在離子性晶體中起作用聲學波散射：非彈性散射，散射前后電子能量發(fā)生改變。主要在共價性晶體中起作用。9/1311說明本征錯和硅中載流子遷移率隨溫度增加如何變化？遷移率隨溫度的升高逐漸降低12電導有效質量和狀態(tài)密度有效質量有何區(qū)別？它們與電子的縱向有效質量和橫向有效質量的關系如何？當導帶底的等能面不是球面時，不同方向的電導的有效質量就不同，且態(tài)密度分布可能不同，通過把不同的電導有效質量進行加權平均，就可以換算得到狀態(tài)密度的有效質量。13對于僅含一種雜質的錯樣品，如果要確定載流子符號、濃度、遷移率和有效質量，應進行哪些測量？進行霍爾系數測量和回旋共振法測有效質量。14解釋多能谷散射如何影

17、響材料的導電性。多能谷之間有效質量不同導致遷移率不同，當電子從一能谷躍遷到另一能谷時，遷移率會減低，導致導電性降低。15解釋耿氏振蕩現象，振蕩頻率取決于哪些參數？耿氏振蕩來源于半導體內的負微分電導，振蕩頻率決定于外加電壓和器件的長度。16.半導體本征吸收與本征光電導本征吸收：半導體吸收光子能量大于帶隙的光子，使電子直接躍遷到導帶。又本征吸收產生的非平衡載流子的增加使半導體電導率增加。17光電導靈敏度與光電導增益因子光電導靈敏度：單位光照度所引起的光電導增益因子:銅一種材料由于結構不同，可以產生不同的光電導效果，用增益因子來表示光電導的增強。第五章1區(qū)別半導體平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)有何不同？什么叫

18、非平衡載流子？什么叫非平衡載流子的穩(wěn)定分布？半導體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導體施加外界作用，破壞了熱平衡條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡態(tài)的半導體比平衡態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。2摻雜、改變溫度和光照激發(fā)均能改變半導體的電導率，它們之間有何區(qū)別？試從物理模型上予以說明。摻雜：增加濃度，溫度：增加本征載流子光昭.丿Li八產生非平衡載流子，增加載流子數目3在平衡情況下，載流子有沒有復合這種過程？為什么著重討論非平衡載流子的復合過程？有，4為什么不能用費米能級作為非平衡載流子濃度的標準而要引入準費米能級？費米能級和準費米能級有何區(qū)

19、別？當熱平衡狀態(tài)受到外界影響，遭到破壞，使半導體處于非平衡狀態(tài)，不再存在統(tǒng)一的費米能級，因為費米能級和統(tǒng)計分布函數都是指熱平衡狀態(tài)下。而分別就價帶和導帶中的電子來說，它們各自基本上處于平衡狀態(tài)，導帶和價帶之間處于不平衡狀態(tài)，準費米能級是不重合的。5在穩(wěn)定不變的光照下，半導體中電子和空穴濃度也是保持恒定不變的，但為什么說半導體處于非平衡狀態(tài)？光照是外部條件，6說明直接復合、間接復合的物理意義。直接：電子在導帶和價帶之間的直接躍遷而引起的電子和空穴的復合消失過程間接復合：電子空穴通過禁帶中的能級復合；7 區(qū)別：復合效應和陷阱效應，復合中心和陷阱中心，俘獲和復合，俘獲截面和俘獲幾率。復合效應：陷阱效應：積累