半導(dǎo)體物理試卷a答案

1、一、名詞解釋（本大題共 5 題 每題 4分，共 20 分）受主能級(jí)：通過(guò)受主摻雜在半導(dǎo)體的禁帶中形成缺陷能級(jí)。正常情況下，此能 級(jí)為空穴所占據(jù)，這個(gè)被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)。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?？昭ǎ寒?dāng)滿帶頂附近產(chǎn)生P0個(gè)空態(tài)時(shí)，其余大量電子在外電場(chǎng)作用下所產(chǎn) 生的電流，可等效為P0個(gè)具有正電荷q和正有效質(zhì)量竹，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。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

2、=n-n0和空穴 p=p-p0 稱為過(guò)剩載流子。費(fèi)米能級(jí)、化學(xué)勢(shì)答：費(fèi)米能級(jí)與化學(xué)勢(shì)：費(fèi)米能級(jí)表示等系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，也不對(duì)外做 功的情況下，系統(tǒng)中增加一個(gè)電子所引起系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)。 處于熱平衡的系統(tǒng)有統(tǒng)一的化學(xué)勢(shì)。這時(shí)的化學(xué)勢(shì)等于系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)。費(fèi)米能 級(jí)和溫度、材料的導(dǎo)電類型雜質(zhì)含量、能級(jí)零點(diǎn)選取有關(guān)。費(fèi)米能級(jí)標(biāo)志了電子 填充能級(jí)水平。費(fèi)米能級(jí)位置越高，說(shuō)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(fèi)米能級(jí)的量子態(tài)的幾率下降，而電子占據(jù)能量 大于費(fèi)米能級(jí)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）對(duì)于大注入下的直接輻射復(fù)合，

3、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(gè)硅樣品，其摻雜情況分別是：含鋁 1x10-i5cm-3乙含硼和磷各 1x10-i7cm-3丙.含鎵 1x10-i7cm-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(jí)必靠近（ 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）命正比于（C）A.1/n0B.l/DnC.1/p0D.l/Dp5以下 4 種半導(dǎo)體中最適合于

4、制作高溫器件的是（ D ）A. SiB. GeC. GaAsD. 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(jiàn)的 Ge 和 Si 材料，其原子均通過(guò) 共價(jià)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(guò)共價(jià)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(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶底時(shí)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(yùn)過(guò)程中，會(huì)受到各種散射機(jī)構(gòu)的散射，主要散射機(jī)構(gòu)

5、有晶格振動(dòng)散射、 電離雜質(zhì)散射、中性雜質(zhì)散射、位錯(cuò)散射、載流子間的散 射和等價(jià)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(guò)禁帶內(nèi)的復(fù)合中心 進(jìn)行復(fù)合。5）反向偏置 pn 結(jié)，當(dāng)電壓升高到某值時(shí)，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(jī)理有兩種：雪崩 擊穿和 隧道 擊穿。三、簡(jiǎn)答題（15 分）1）當(dāng)電子和空穴的濃度是空間和時(shí)間的函數(shù)時(shí)，它們隨時(shí)間的變化率將由載流 子的擴(kuò)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(xiě) 出載流子隨時(shí)間的凈變化率（生）和（算），并加以說(shuō)明。（6分）dtdt解：載流子隨時(shí)間的凈變化率（|）

6、和（專）為 分） 右邊第一項(xiàng)為擴(kuò)散項(xiàng)，第二項(xiàng)為漂移項(xiàng)，第三項(xiàng)為產(chǎn)生，第四項(xiàng)為復(fù)合。注意 為電場(chǎng)，是幾何空間坐標(biāo)的函數(shù)，該式為連續(xù)性方程.dp (QAp) dtdt=dp (QAp) dtdt=D V2ppe) + 8 一空ppG Tdn _ (dAn) dtdt_ D V2n +yV(ne) + 8 -nnG Tp每個(gè)式子 2 分，說(shuō)明 22）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(xiě) 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?？? 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

7、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-V,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，使一x力處的電子濃度由熱平衡值n0p上升 并向p區(qū)內(nèi)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-兀力處電子 濃度為n（-xTp），同理，空穴向n區(qū)注入時(shí)，在n區(qū)一側(cè)勺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qVD+g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)

8、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。（5 分）電流密度方程：j二j電流密度方程：j二jDsexpqV2 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?。? 分）四、計(jì)算題 （共 3 小題，每題 10 分，共 30分）1.已知室溫時(shí)鍺的本征載流子濃度n=2-1 x 1013cim-3，均勻摻雜百萬(wàn)分之一的硼 原子后，又均勻摻入1.442xl0i7cm-3的砷，計(jì)算摻雜鍺室溫時(shí)的多子濃度

9、和少子 濃度以及Ef的位置。（10分）解：硼的濃度：NA=4.42x10i6cm-3。有效施主雜質(zhì)濃度為： ND=（14.42-4.42）x1016cm-3=1017cm-3室溫時(shí)下雜質(zhì)全部電離，由于有效雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于本征載流子濃度2.4x10i3cm-3,鍺半導(dǎo)體處于飽和電離區(qū)。多子濃度 n0=ND= 10i7cm-3少子濃度 p0=ni2/n0=(2.4x 1013)2/10i7=5.76x109(cm-3)費(fèi)米能級(jí)：EF=EC+k0Tln(ND/NC)=EC+0.026ln10i7/(1.1 x 10i9)=EC - 0.122(eV) 2、摻有1.1x1015 cm-3硼原子和9x10

10、14 cm-3磷原子的Si樣品，試計(jì)算室溫時(shí)多Nd=9 Nd=9 x1014cm-3; NA=1-1x1015cm-3； TTOOK 時(shí) ni=24x1013cm-3解：對(duì)于 Si多子濃度:no=N 一 N = 2 x 1014 cm -3多子濃度:noD A ；p0少子濃度: 0n2 = (2.4x 1013)2 cm-3 = 2.88x 1012cm-32 x1014P =nqp + pqpn qpnp 0 n=8.01Q.cm2x1014 x1.6 x10 -19 x 39003.由電阻率為4G.cm的p型Ge和0.4Q.Cm的n型Ge半導(dǎo)體組成一個(gè)p-n結(jié),計(jì)算在室溫（300K）時(shí)內(nèi)建

11、電勢(shì)VD和勢(shì)壘寬度xD。已知在上述電阻率下，p區(qū)的空穴遷移率卩=1650cm2/V.S, np區(qū)的電子遷移率卩=3000cm 2 / V.S，Ge的本征載流子濃度 n = 2.5x1013 /cm3，i真空介電常數(shù)80= 8.85 x 10 一12 F / m, 8 = 16. s10分)解：o = = nq p n n =-n P n P qp0.4x1.6x10-19x3600nn n=4.34 x 1015 cm-3 ( 2 分)=pqp n p = 9.19x 1014cm-3(2 分)ppp qp4 x1.6 x 10-19 x1700pp pKT np 1.38x10-23x3004.34 x1015 x 9.19 x1014= In =In= 0.2267V (3 分)q n 2