1、一、 名詞解釋1 能帶晶體中， 電子的能量是不連續的，在某些能量區間能級分布是準連續的，在某些區間沒有能及分布。這些區間在能級圖中表現為帶狀，稱之為能帶。2有效質量有效質量是在描述晶體中載流子運動時引進的物理量。它概括了周期性勢場對載流子運動的影響，從而使外場力與加速度的關系具有牛頓定律的形式。其大小由晶體自身的E-k關系決定。3 施主雜質某種雜質取代半導體晶格原子后，在和周圍原子形成飽和鍵結構時，若尚有一多余價電子，且該電子受雜質束縛很弱、 電離能很小， 所以該雜質極易提供導電電子， 因此稱這種雜質為施主雜質4 施主能級施主未電離時， 在飽和共價鍵外還有一個電子被施主雜質所束縛，該束縛態所對

2、應的能級稱為施主能級。5 受主能級受主雜質電離后所接受的電子被束縛在原來的空狀態上， 該束縛態所對應的能級稱為受主能級。6 深雜質能級一些非 IIIV 族雜質在硅、鍺的禁帶中產生的施主能級距離導帶底較遠，它們產生的受主能級距離價帶頂也較遠，通常稱這種能級為深能級，相應的雜質稱為深能級雜質。7 直接復合導帶中的電子不通過任何禁帶中的能級直接與價帶中的空穴發生的復合8 間接復合雜質或缺陷可在禁帶中引入能級， 通過禁帶中能級發生的復合被稱作間接復合。 相應的雜質或缺陷被稱為復合中心。9 俄歇復合載流子從高能級向低能級躍遷，發生電子-空穴復合時，把多余的能量付給另一個載流子，使這個載流子被激發到能量更

3、高的能級上去， 當它重新躍遷回低能級時， 多余的能量常以聲子形式放出，這種復合稱為俄歇復合。10擴散由于濃度不均勻而導致的微觀粒子從高濃度處向低濃度處逐漸運動的過程。半導體物理復習總結第1頁共15頁11空穴空穴是為處理價帶電子導電問題而引進的概念。設想價帶中的每個空電子狀態帶有一個正的基本電荷， 并賦予其與電子符號相反、 大小相等的有效質量， 這樣就引進了一個假想的粒子，稱其為空穴。它引起的假想電流正好等于價帶中的電子電流。12過剩載流子在光注入、 電注入、 高能輻射注入等條件下， 半導體材料中會產生高于熱平衡時濃度的電子和空穴，超過熱平衡濃度的電子 n=n-n0 和空穴 p=p-p0 稱為過

4、剩載流子。13準費米能級對于非平衡半導體，導帶和價帶間的電子躍遷失去了熱平衡。但就它們各自能帶內部而言，由于能級非常密集、躍遷非常頻繁， 往往瞬間就會使其電子分布與相應的熱平衡分布相接近，因此可用局部的費米分布來分別描述它們各自的電子分布。這樣就引進了局部的非米能級，稱其為準費米能級。14費米能級費米能級不一定是系統中的一個真正的能級， 它是費米分布函數中的一個參量， 具有能量的單位， 所以被稱為費米能級。 它標志著系統的電子填充水平， 其大小等于增加或減少一個電子系統自由能的變化量。15勢壘電容PN 結上外加電壓的變化，導致勢壘去區的空間電荷數量隨外加電壓變化，這種電容效應稱為勢壘電容。在耗

5、盡層近似下， PN 結反向偏壓下的勢壘電容可以等效為一個平行板電容器的電容。16擴散電容正向偏壓下， PN 結擴散長度內形成非平衡空穴和電子的積累，當偏壓變化時，擴散區內積累的非平衡載流子發生改變，這種擴散區的電荷數量隨外加電壓的變化所產生的電容效應，成為 PN 結的擴散電容。17歐姆接觸歐姆接觸是指金屬和半導體之間形成的接觸電壓很小， 基本不改變半導體器件特性的非整流接觸。18表面電場效應在半導體 MIS 結構的柵極施加柵壓后，半導體表面的空間電荷區會隨之發生變化，通過控制柵壓可使半導體表面呈現出不同的表面狀態，這種現象就是所謂的表面電場效應。19理想 PN 結電流電壓方程及IV 圖II 0

6、 eqVA / kT1半導體物理復習總結第2頁共15頁20表面態它是由表面因素引起的電子狀態， 這種表面因素通常是懸掛鍵、 表面雜質或缺陷， 表面態在表面處的分布幾率最大。21表面電場效應在半導體 MIS 結構的柵極施加柵壓后，半導體表面的空間電荷區會隨之發生變化，通過控制柵壓可使半導體表面呈現出不同的表面狀態，這種現象就是所謂的表面電場效應。22激子吸收在低溫時發現，某些晶體在本征吸收連續光譜區的低能側靠近吸收限附近存在一系列吸收線，并且對應于這些吸收線不伴隨有光電導，這種吸收成為激子吸收。23自由載流子吸收當入射光的波長較長，不足以引起帶間躍遷或形成激子時，半導體中仍然存在光吸收，而且吸收

7、系數隨著波長的增加而增加。這種吸收是自由載流子在同一能帶內的躍遷引起的，稱為自由截流子吸收。24雜質吸收雜質可以在半導體的禁帶中引入雜質能級，例如Ge 和 Si 中的 III 族和 V 族雜質。占據雜質能級的電子或空穴的躍遷可以引起光吸收，這種吸收稱為雜質吸收，可以分為下面三種類型：吸收光子可以引起中性施主上的電子從基態到激發態或導帶的躍遷；中性受主上的空穴從基態到激發態或價帶的躍遷；電離受主到電離施主間的躍遷。25半導體發光處于激發態的電子可以向較低的能級躍遷，以光輻射的形式釋放出能量，也就是電子從高能級向低能級躍遷，伴隨著發射光子。就是半導體的發光現象。半導體物理復習總結第3頁共15頁二、

8、選擇題1下列材料中，不是半導體材料是（）AAlSbBAlNiCGaNDGaAs2 半導體 GaAs 晶體結構是（）A 閃鋅礦B 金剛石C 鉛鋅礦D 氯化鈉3 施主雜質電離后向半導體提供（）A 空穴B 電子C質子D中子4 受主雜質電離后向半導體提供（）A 空穴B 電子C質子D中子5 與半導體相比較，絕緣體的價帶電子激發到導帶所需的能量（）；A 、比半導體的大，B 、比半導體的小，C、 與半導體的相等。5 衡量電子填充能級水平的是（）A 施主能級B 費米能級C 受主能級D 缺陷能級6 硅中非平衡載流子的復合主要依靠（）A 直接復合B 間接復合C 俄歇復合D 直接和間接復合7 室溫下，半導體Si 中

9、摻有濃度為 1.1×1015cm 3 的硼，則電子濃度約為（）。（已知：10-3）室溫下， ni 1.5 ×10cmA 1014cm-3B 1015cm-3C 1010cm -3D 105cm-38 pn 結反偏狀態下，空間電荷層的寬度隨外加電壓數值增加而（）。A 展寬B變窄C不變半導體物理復習總結第4頁共15頁9 下列哪一項不屬于影響PN 結電流電壓特性偏離理想方程的因素（）A 表面效應B勢壘區中的產生于復合C大注入條件D. 非平衡態10 半導體功函數是指（）A 導帶底電子變成真空中自由電子所需最低能量B 價帶頂電子變成真空中自由電子所需最低能量C 真空中自由電子最低能級

10、與半導體本征費米能級之差D 真空中自由電子最低能級與半導體費米能級之差11 理想的金屬半導體接觸會形成不同效果，下列接觸形成阻擋層的是（）An 型半導體， Wm>WsBn 型半導體， Wm<WsCp 型半導體， Wm>WsDp 型半導體， Wm=Ws12下列器件不是利用半導體表面效應制成的是（）A MOS 器件B 電荷耦合器件C 表面發光器件D 熱敏電阻13.下列半導體材料中，哪個材料可以吸收2微米以上的紅外光（）A SiB GeC GaAsD InSb14.如果雜質既有施主的作用又有受主的作用，則這種雜質稱為（D）。A. 施主B. 受主C.復合中心D 兩性雜質15.同一種施

11、主雜質摻入甲、 乙兩種半導體， 如果甲的相對介電常數r是乙的 3/4， mn*/m 0值是乙的2 倍，那么用類氫模型計算結果是（D ）。A. 甲的施主雜質電離能是乙的8/3，弱束縛電子基態軌道半徑為乙的3/4B. 甲的施主雜質電離能是乙的3/2，弱束縛電子基態軌道半徑為乙的32/9C.甲的施主雜質電離能是乙的16/3，弱束縛電子基態軌道半徑為乙的8/3D. 甲的施主雜質電離能是乙的32/9，的弱束縛電子基態軌道半徑為乙的3/816.一塊半導體壽命 =15 s，光照在材料中會產生非平衡載流子，光照突然停止30s 后，其中非平衡載流子將衰減到原來的（C ）。半導體物理復習總結第5頁共15頁A.1/

12、4；B.1/e ；C.1/e2 ；D.1/217.在室溫下，非簡并Si 中電子擴散系數D 與 有如下圖（ C ） 所示的最恰當的依賴關系：18. 在純的半導體硅中摻入硼， 在一定的溫度下， 當摻入的濃度增加時， 費米能級向 （ A ）移動；當摻雜濃度一定時，溫度從室溫逐步增加，費米能級向(C)移動。A.Ev；B.Ec ；C.Ei ；D. E F19.對于大注入下的直接復合，非平衡載流子的壽命不再是個常數，它與（C）。A. 非平衡載流子濃度成正比；B.平衡載流子濃度成正比；C.非平衡載流子濃度成反比；D.平衡載流子濃度成反比。20. 雜質半導體中的載流子輸運過程的散射機構中，當溫度升高時，電離雜

13、質散射的概率和晶格振動聲子的散射概率的變化分別是（B ）。A. 變大，變小；B.變小，變大；C.變小，變小；D. 變大，變大。16 -321. 在磷摻雜濃度為 2×10 cm 的硅襯底（功函數約為 4.25eV）上要做出歐姆接觸，下面四種金屬最適合的是（A）。A. In (W m=3.8eV) ； B. Cr (W m=4.6eV) ； C. Au (W m=4.8eV) ； D. Al (W m=4.2eV) 。三、簡答1. 雜質對半導體造成的影響雜質的出現， 使得半導體中產生了局部的附加勢場，這使嚴格的周期性勢場遭到破壞。從能帶的角度來講，雜質可導致導帶、價帶或禁帶中產生了原來沒

14、有的能級2. 施主能級及其特征半導體物理復習總結第6頁共15頁施主未電離時， 在飽和共價鍵外還有一個電子被施主雜質所束縛，該束縛態所對應的能級稱為施主能級。特征：施主雜質電離，導帶中出現施主提供的導電電子；電子濃度大于空穴濃度，即 n > p 。3. 受主能級及其特征受主雜質電離后所接受的電子被束縛在原來的空狀態上，該束縛態所對應的能級稱為受主能級。特征：受主雜質電離，價帶中出現受主提供的導電空穴；空穴濃度大于電子濃度，即p > n 。4. 深能級雜質的特點和作用：（ 1）不容易電離，對載流子濃度影響不大（ 2）一般會產生多重能級，甚至既產生施主能級也產生受主能級。（ 3）能起到復

15、合中心作用，使少數載流子壽命降低。（ 4）深能級雜質電離后成為帶電中心，對載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導電性能下降。5. 以 n 型硅為例，簡要說明遷移率與雜質濃度和溫度的關系。雜質濃度升高，散射增強，遷移率減小。低溫時，以電離雜質散射為主。溫度升高散射減弱，遷移率增大。隨著溫度的增加，晶格振動散射逐漸增強最終成為主導因素。因此，遷移率達到最大值后開始隨溫度升高而減小。6. 以 n 型半導體為例說明電阻率和溫度的關系。答：低溫時，溫度升高載流子濃度呈指數上升，且電離雜質散射呈密函數下降，因此電阻率隨溫度升高而下降； 當半導體處于強電離情況時， 載流子濃度基本不變， 晶格震動散射逐漸取

16、代電離雜質散射成為主要的散射機構，因此電阻率隨溫度由下降逐漸變為上升；高溫時，雖然晶格震動使電阻率升高，但半導體逐漸進入本征狀態使電阻率隨溫度升高而迅速下降，最終總體表現為下降。7. 300K時， Ge 的本征電阻率為47· cm，電子和空穴遷移率分別為3900cm2/V ·S 和1900cm2/V ·S，試求本征 Ge 的載流子濃度。答： T=300K ， 47· cm， 3900cm2·S， p1900 cm2n/V/V ·Sni q(1ni1p )4712.29 1013 cm 3np )q(n1.602 10 19 (3900

17、1900)8. 畫出 p 型半導體形成的理想 MIS 結構的 C-V 特性曲線，并說明高頻情況與低頻情況的差別。p 型半導體形成的理想MIS 結構特性曲線的C-V 如下半導體物理復習總結第7頁共15頁高頻和低頻情況的區別在于接近強反型時，低頻情況空間電荷層電容迅速增加并趨近于無窮大， 而高頻情況空間電荷稱電容則會保持在最小值上。前者是由于半導體表面處于強反型時，由于反型層中的電子濃度與表面勢呈指數關系，導致空間電荷層電容隨表面勢變化呈指數規律，即， Cs exp(qV s/2k 0T) 。而 C/C0 =1/(1+C 0/Cs)，所以 C-V 特性曲線在V G>V T 后迅速增加，最終趨

18、近于1。高頻時， 由于沒有少子產生與復合的時間，應此反型電子對電容沒有貢獻，只能通過空間電荷層的寬度變化來承擔表面勢的變化，所以 Cs 仍與空間電荷層寬度X d 成反比。 弱反型時， X d 隨表面勢而增加。當VG >V T 后，開始進入強反型，X d 很快趨于飽和，所以曲線保持在最小值上。9. 半導體對光的吸收有哪些？本征吸收，激子吸收，雜質吸收，自由載流子吸收，晶格振動吸收等。10. 如金屬和一n 型半導體形成金屬半導體接觸，請簡述在什么條件下，形成的哪兩種不同電學特性的接觸，說明半導體表面的能帶情況，并畫出對應的I-V曲線。（忽略表面態的影響）答：在金屬和n 型半導體接觸時，如金屬

19、的功函數為W m, 半導體的功函數為W s。當 W m W s 時，在半導體表面形成阻擋層接觸，是個高阻區，能帶向上彎曲；（2 分）當 W m W s 時，在半導體表面形成反阻擋層接觸，是個高電導區，能帶向下彎曲；（2 分）對應的I-V 曲線分別為：半導體物理復習總結第8頁共15頁IIVV四、綜合題（共32 分）可能用到的信息：223，Si 原子密度： 5.00× 10 /cmSi 本征載流子濃度（室溫）：ni 1.5× 1010/cm3，遷移率（室溫）：Si n=1350cm2/V .s， p=500cm2 /V.s；Si 有效狀態密度： Nc=2.8× 101

20、9/cm3， N v1.1× 1019/cm 3電子電量為 1.6×10 19 34C；普朗克常數 h 6.625× 10J.s；室溫時 k0T=0.026eV圖 1： Si 電阻率與雜質濃度的關系圖 2： Si 遷移率與雜質濃度的關系半導體物理復習總結第9頁共15頁1. 設 E EF 為 1.5k0T，分別用費米分布函數和玻爾茲曼分布函數計算電子占據該能級的概率。f (E)11 e( E EF ) / k0T解：費米分布函數為（2 分）當 E EF 等于 1.5k 0T 時， f 0.182(1分 )EEF玻耳茲曼分布函數為f B ( E) ekoT(2分 )當

21、 E EF 等于 1.5k 0T 時， f 0.223(1分 )上述結果顯示在費米能級附近費米分布和玻耳茲曼分布有一定的差距。2. 摻有 1.116-3硼原子和9×1015-3磷原子的 Si樣品， 試計算室溫時多數載流子和少×10 cmcm數載流子濃度及樣品的電阻率。解： 對于硅材料： ND =9×1015cm-3； N A 1.1 ×1016cm-3；(1分 )T 300k 時 ni=1.5 ×1010cm-3：(1分 )p0N AN D2 1015 cm 3 ；(2分 )ni(1.51010 ) 2353n0p00.21016cm1.125

22、10 cm(2分 )半導體物理復習總結第10頁共15頁3計算（1）摻入N D 為 1×1015 個 /cm3 的施主硅，在室溫（300K ）時的電子濃度n0 和空穴濃度p0分別為多少？（其中本征載流子濃度n i=2×1010 個 /cm3。）（ 2）如果在（ 1）中摻入 NA =5×1014 個 /cm3 的受主，那么 n0 和 p0 分別為多少？（ 3）如果在（ 1）中摻入 NA =1×1015 個 /cm3 的受主，那么 n0 和 p0 又為多少？1解：（ 1） 300K 時可認為施主雜質全部電離。則noN D11015 個 /cm3（1 分）POn

23、i221010 24105 個 /cm3no1 1015（1 分）（ 2）摻入了 NA=5×1014個 /cm3 的受主，那么同等數量的施主得到了補償。則noN DN A1 10155101451014個 /cm3POni 22 1010 28105個 /cm3（1 分）no5 1014（1 分）（ 3）因為施主和受主相互完全補償，雜質的摻雜不起作用。因此該半導體可看作是本征半導體（實際上不是）。則nopOni21010 個/cm3（ 2 分）4. 室溫下，在本征硅單晶中摻入濃度為 1015cm-3 的雜質硼后，再在其中摻入濃度為 3×1015cm-3的雜質磷。試求：（ 1

24、）載流子濃度和電導率。（ 2）費米能級的位置。（注：電離雜質濃度分別為1015cm-3 、 3×1015cm-3、 4×1015cm-3 時，電子遷移率分別為1300、1130 和 1000cm2/V.s，空穴遷移率分別為500、445 和 400cm2/V.s；在 300K 的溫度下，k0 T0.026eV ， N C0.01019 cm 3 ， NV0.01019 cm 3 ， ni1.51010 cm 3 ）答：室溫下，該半導體處于強電離區，則多子濃度n0(31)10152 1015 cm 3(2分 )少子濃度p0ni2/ n01.125105 cm 3 ；(2分 )

25、電導率qn n01.61019 1000 210150.32 /cm ( 2 分 )（2）根據 n0niEFEi(2分 )expk0T半導體物理復習總結第11頁共15頁可得 E FEi0.31eV所以費米能級位于禁帶中心之上0.31eV 的位置。( 2 分 )5. 在一個均勻的 n 型半導體的表面的一點注入少數載流子空穴。在樣品上施加一個50V/cm的電場， 在電場力的作用下這些少數載流子在100s的時間內移動了1cm，求少數載流子的漂移速率、遷移率和擴散系數。（kT=0.026eV ）解：在電場下少子的漂移速率為：v1cm10 4 cm / s( 2分 )100s遷移率為：v1042/ V

26、s( 2分 )Ecm50擴散系數為： D pkT0.026 200cm2 / s5.2cm2 / s(2分 )q6. 在室溫下，鍺的有效狀態密度Nc 1.05×1019 318 3cm， Nv 5.7 ×10cm ，試求鍺的載流子有效質量 mn* 和 mp* 。計算 77k 時的 Nc 和 Nv 。已知 300k 時，Eg 0.67eV。77k時 Eg 0.76eV。求這兩個溫度時鍺的本征載流子濃度。解 室溫下， T=300k （ 27） ,k0=1.380 ×10-23J/K， h=6.625 ×10-34J·S，對于鍺： Nc 1.05 &

27、#215;1019cm 3， Nv=5.7×1018cm3 ：根據（ 3 18）式：*22( 6.625192h2 ( Nc) 310 34)2(1.05 10 )332( 2 mnk 0T )*225.09681031KgNcmn2k0T23.14 1.3810 23h 3300(2分 )根據（ 3 23）式：32182h2 ( Nv) 3(6.62510 34 )2 (5.710) 32(2 m*p k0T ) 2*31Nv223.39173 10Kgm p2k0T23.141.38 10 23300h3(2分 )77k 時的 Nc2(2N c'N c2(2和 Nv ：3

28、m*n k0T ') 2h3T ')23'T ')2377)231.05 10191.365 10193(; N c(N c(mn* k 0T ) 2TT300h3半導體物理復習總結第12頁共15頁(1分 )同理：N v'( T ' ) 23 Nv( 77 )235.7 10187.41 1017(1分 )T300300k 時的 ni：1Eg0.67 )ni( NcNv) 2exp()(1.0510195.71018 ) exp(1.9610132k0 T0.052(2分 )77k 時的 ni：1Eg0.761.6 10 19ni( NcNv)

29、2exp()(1.0510195.71018 ) exp() 1.094 10 72k0T2 1.3810 2377(2分 )7. 計算含有施主雜質濃度N D 9×1015cm-3 及受主雜質濃度為 1.1 ×1016cm-3 的硅在 300k 時的電子和空穴濃度以及費米能級的位置。解 對于硅材料： N D=9×1015cm-3； NA 1.1 ×1016cm-3； T 300k 時 ni=1.5 ×1010cm-3 ：p0N AN D2 1015 cm 3 ；(2分 )n0ni(1.5 1010 ) 2cm31.12553(2分 )p00.2

30、1610 cm10 p0N AN D 且 p0Nvexp( EVEF )(2分 )K 0 TN AN DEVE F)exp(Nvk0 Tk0T ln N A0.026 ln 0.216 EFEvN DEv1019 ( eV) Ev 0.224eVNv1.110(2分 )8.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？解 T=300K, ， n1350cm2/V ·S， p500 cm 2/V ·S半導體物理復習總結第13頁共15頁ni q(np ) 1.5 1010 1.602 1019(1350 500) 4.45 106 s / cm(2分 )摻入 As 濃度為