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半导体物理试卷a答案

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一、 名词解释（本大题共5题 每题4分，共20分）
1. 受主能级：通过受主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级。正常情况下，此能级为空穴所占据，这个被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。
2. 直接复合：导带中的电子越过禁带直接跃迁到价带，与价带中的空穴复合，这样的复合过程称为直接复合。
3. 空穴：当满带顶附近产生P0个空态时，其余大量电子在外电场作用下所产生的电流，可等效为P0个具有正电荷q和正有效质量mp，速度为v(k)的准经典粒子所产生的电流，这样的准经典粒子称为空穴。
4. 过剩载流子：在光注入、电注入、高能辐射注入等条件下，半导体材料中会产生高于热平衡时浓度的电子和空穴，超过热平衡浓度的电子△n=n-n0和空穴△p=p-p0称为过剩载流子。
5.费米能级、化学势
答：费米能级与化学势：费米能级表示等系统处于热平衡状态，也不对外做功的情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化，等于系统的化学势。处于热平衡的系统有统一的化学势。这时的化学势等于系统的费米能级。费米能级和温度、材料的导电类型杂质含量、能级零点选取有关。费米能级标志了电子填充能级水平。费米能级位置越高，说明较多的能量较高的量子态上有电子。随之温度升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的几率下降，而电子占据能量大于费米能级的量子态的几率增大。
二、选择题（本大题共5题 每题3分，共15分）
1．对于大注入下的直接辐射复合，非平衡载流子的寿命与（D ）
A. 平衡载流子浓度成正比 B. 非平衡载流子浓度成正比
C. 平衡载流子浓度成反比 D. 非平衡载流子浓度成反比
2．有3个硅样品，其掺杂情况分别是：
含铝1×10-15cm-3 乙.含硼和磷各1×10-17cm-3 丙.含镓1×10-17cm-3
室温下，这些样品的电阻率由高到低的顺序是（C ）
甲乙丙 B. 甲丙乙 C. 乙甲丙 D. 丙甲乙
3．有效复合中心的能级必靠近( A )
禁带中部 B.导带 C.价带 D.费米能级
4．当一种n型半导体的少子寿命由直接辐射复合决定时，其小注入下的少子寿命正比于（C ）
A.1/n0 B.1/△n C.1/p0 D.1/△p
5．以下4种半导体中最适合于制作高温器件的是（ D ）
A. Si B. Ge C. GaAs D. GaN
三、填空：（每空2分，共20分）
1）半导体的晶格结构式多种多样的，常见的Ge和Si材料，其原子均通过共价键四面体相互结合，属于 金刚石 结构；与Ge和Si晶格结构类似，两种不同元素形成的化合物半导体通过共价键四面体还可以形成 闪锌矿 和 纤锌矿 等两种晶格结构。
2)如果电子从价带顶跃迁到导带底时波矢k不发生变化，则具有这种能带结构的半导体称为直接禁带半导体，否则称为间接禁带半导体，那么按这种原则分类，GaAs属于 直接 禁带半导体。
3)半导体载流子在输运过程中，会受到各种散射机构的散射，主要散射机构有 晶格振动散射、 电离杂质散射 、中性杂质散射、位错散射、载流子间的散射和等价能谷间散射。
4)半导体中的载流子复合可以有很多途径，主要有两大类：带间电子-空穴直接复合和通过禁带内的 复合中心 进行复合。
5) 反向偏置pn结，当电压升高到某值时，反向电流急剧增加，这种现象称为pn结击穿，主要的击穿机理有两种： 雪崩 击穿和 隧道 击穿。
三、简答题（15分）
1）当电子和空穴的浓度是空间和时间的函数时，它们随时间的变化率将由载流子的扩散、漂移及其产生和复合所决定，由电子数、空穴数的守恒原则，试写出载流子随时间的净变化率（）和（），并加以说明。 （6分）
解：载流子随时间的净变化率（）和（）为
（每个式子2分，说明2分）
右边第一项为扩散项，第二项为漂移项，第三项为产生，第四项为复合。注意e为电场，是几何空间坐标的函数，该式为连续性方程.
2）请描述小注入条件正向偏置和反向偏置下的pn结中载流子的运动情况，写出其电流密度方程，请解释为什么pn结具有单向导电性？ （9分）
解：在p-n结两端加正向偏压VF, VF基本全落在势垒区上，由于正向偏压产生的电场与内建电场方向相反，势垒区的电场强度减弱，势垒高度由平衡时的qVD下降到q(VD-VF)，耗尽区变窄，因而扩散电流大于漂移电流，产生正向注入。过剩电子在p区边界的结累，使－xTp处的电子浓度由热平衡值n0p上升并向p区内部扩散，经过一个扩散长度Ln后，又基本恢复到n0p。在-xTp处电子浓度为n(-xTp)，同理，空穴向n区注入时，在n区一侧xTn处的空穴浓度上升到p(xTn)，经Lp后，恢复到p0n。
反向电压VR在势垒区产生的电场与内建电场方向一致，因而势垒区的电场增强，空间电荷数量增加，势垒区变宽，势垒高度由qVD增高到q(VD+VR).势垒区电场增强增强，破坏了原来载流子扩散运动和漂移运动的平衡，漂移运动大于扩散运动。这时，在区边界处的空穴被势垒区电场逐向p区，p区边界的电子被逐向n区。当这些少数载流子被电场驱走后，内部少子就来补充，形成了反向偏压下的空穴扩散电流和电子扩散电流。 （5分）
电流密度方程： （2分）
正向偏置时随偏置电压指数上升，反向偏压时，反向扩散电流与V无关，它正比于少子浓度，数值是很小的，因此可以认为是单向导电。 （2分）
四、计算题 （共3小题，每题10分，共30分）
1. 已知室温时锗的本征载流子浓度，均匀掺杂百万分之一的硼原子后，又均匀掺入1.442×1017cm-3的砷，计算掺杂锗室温时的多子浓度和少子浓度以及EF的位置。（10分）
解：硼的浓度：NA＝4.42×1016 cm-3。
有效施主杂质浓度为：ND=(14.42-4.42) ´1016 cm-3=1017 cm-3
室温时下杂质全部电离，由于有效杂质浓度远大于本征载流子浓度2.4×1013cm-3，锗半导体处于饱和电离区。
多子浓度n0＝ND＝1017cm-3
少子浓度p0=ni2/n0==(2.4´1013)2 /1017=5.76´109(cm-3)
费米能级：EF=EC+k0Tln(ND/NC)=EC+0.026ln[1017/(1.1´1019)]=EC - 0.122(eV)
2、掺有1.1×1015 cm-3硼原子和9×1014 cm-3磷原子的Si样品，试计算室温时多数载流子和少数载流子浓度及样品的电阻率。（10分）
解：对于Si：ND=9 ×1014cm-3；NA＝1.1×1015cm-3；T＝300K时 ni=2.4×1013cm-3.
多子浓度:；
少子浓度:

3. 由电阻率为4的p型Ge和0.4的n型Ge半导体组成一个p-n结，计算在室温（300K）时内建电势VD和势垒宽度xD。已知在上述电阻率下，p区的空穴迁移率 n区的电子迁移率，Ge的本征载流子浓度，真空介电常数 （10分）
解：（2分）
（2分）
（3分）
（3分）
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