半導體物理學試題庫

一、填空題

1.能帶中載流子的有效質量反比于能量函數對于波矢的

,引入有效質量的意義在于其反映了晶體材料的

的作用。（二階導數，內部勢場）

2.半導體導帶中的電子濃度取決于導帶的（即量子態按

能量如何分布）和（即電子在不同能量的量子態上如

何分布）。（狀態密度，費米分布函數〕

3.兩種不同半導體接觸后，費米能級較高的半導體界面一側帶

電，到達熱平衡后兩者的費米能級o（正，相等）

4.半導體硅的價帶極大值位于空間第一布里淵區的中央，其導帶極

小值位于方向上距布里淵區邊界約0.85倍處，因此屬于

半導體。U100],間接帶隙〕

5.間隙原子和空位成對出現的點缺陷稱為;形成原子空

位而無間隙原子的點缺陷稱為o（弗侖克耳缺陷，肖特基缺

陷〕

6.在一定溫度下，與費米能級持平的量子態上的電子占據概率為

,高于費米能級2kT能級處的占據概率為o（1/2,

l/l+e*p（2））

7.從能帶角度來看，錯、硅屬于半導體，而神化稼屬于

半導體，后者有利于光子的吸收和發射。（間接帶隙，直接

帶隙）

8.通常把服從的電子系統稱為非簡并性系統，服從

的電子系統稱為簡并性系統。［玻爾茲曼分布，費米分布〕

9.對于同一種半導體材料其電子濃度和空穴濃度的乘積與

有關，而對于不同的半導體材料其濃度積在一定的溫度下

將取決于的大小。（溫度，禁帶寬度〕

10.半導體的晶格構造式多種多樣的，常見的Ge和Si材料，其原子

均通過共價鍵四面體相互結合，屬于構造；與Ge和Si晶格

構造類似，兩種不同元素形成的化合物半導體通過共價鍵四面體還可

以形成和纖鋅礦等兩種晶格構造。（金剛石，閃鋅礦）

11.如果電子從價帶頂躍遷到導帶底時波矢k不發生變化，則具有這

種能帶構造的半導體稱為禁帶半導體，否則稱為

禁帶半導體。（直接，間接〕

12.半導體載流子在輸運過程中，會受到各種散射機構的散射，主要

散射機構有、、中性雜質散射、位錯散射、載流

子間的散射和等價能谷間散射。（電離雜質的散射，晶格振動的散射〕

13.半導體中的載流子復合可以有很多途徑，主要有兩大類：

的直接復合和通過禁帶內的進展復合。（電子和

空穴，復合中心〕

14.反向偏置pn結，當電壓升高到*值時，反向電流急劇增加，這種

現象稱為pn結擊穿，主要的擊穿機理有兩種：擊穿和

擊穿。（雪崩，隧道）

15.雜質可顯著改變載流子濃度；雜質可顯著

改變非平衡載流子的壽命，是有效的復合中心。（淺能級，深能級）

二.選擇題

1.本征半導體是指（A1的半導體。

A.不含雜質和缺陷1.電阻率最高

C.電子密度和空穴密度相等D.電子密度與本征載流子密度相等

2.如果一半導體的導帶中發現電子的幾率為零，則該半導體必定

（D）。

A.不含施主雜質B.不含受主雜質

C.不含任何雜質D.處于絕對零度

3.有效復合中心的能級必靠近（A）o

A.禁帶中部B.導帶C.價帶D.費米能級

4.對于只含一種雜質的非簡并n型半導體，費米能級EF隨溫度上升

而（D）。

A.單調上升B.單調下降

C.經過一個極小值趨近EiD.經過一個極大值趨近Ei

5.當一種n型半導體的少子壽命由直接輻射復合決定時，其小注入

下的少子壽命正比于（A）。

A.1/nOB.1/AnC.1/pOD.1/Ap

6.在Si材料中摻入P,則引入的雜質能級（B）

A.在禁帶中線處B.靠近導帶底C.靠近價帶頂D.以上都不

是

7.公式〃="/m*中的工是半導體載流子的（C

A.遷移時間B.壽命

C.平均自由時間D.擴散時間

8.對于一定的n型半導體材料，溫度一定時，減少摻雜濃度，將導

致1D〕靠近Ei。

A.EcB.Ev

C.EgD.EF

9.在晶體硅中摻入元素（B〕雜質后，能形成N型半導體。

A.錯B.磷C.硼D.錫

10.對大注入條件下，在一定的溫度下，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

11.重空穴是指（C）

A.質量較大的原子組成的半導體中的空穴

B.價帶頂附近曲率較大的等能面上的空穴

C.價帶頂附近曲率較小的等能面上的空穴

D.自旋一軌道耦合分裂出來的能帶上的空穴

12.電子在導帶能級中分布的概率表達式是（C〕。

ED-EE「EE「EF

A.exp(一B.exp(-C.exp(-)D.

3k/

EF-EC

exp(-

k0T

13.如在半導體中以長聲學波為主要散射機構是，電子的遷移率〃”與

溫度的（B）。

A.平方成正比B.之次方成反比

2

C.平方成反比D.3次方成正比

2

14.把磷化錢在氮氣氛中退火，會有氮取代局部的磷，這會在磷化錢

中出現（D）。

A.改變禁帶寬度B.產生復合中心

C.產生空穴陷阱D.產生等電子陷阱

15.一般半導體器件使用溫度不能超過一定的溫度，這是因為載流子

濃度主要來源于,而將忽略不計。（AJ

A.雜質電離，本征激發B.本征激發，雜質電離

C.施主電離，本征激發D.本征激發，受主電離

16..一塊半導體壽命T=15|is,光照在材料中會產生非平衡載流子,

光照突然停頓30ns后，其中非平衡載流子將衰減到原來的

（C

B.1/eC.1/e2D.1/2

17.半導體中由于濃度差引起的載流子的運動為（B）。

A.漂移運動B.擴散運動C.熱運動D.共有化運動

18.硅導帶構造為（D）。

A.位于第一布里淵區內沿〈100＞方向的6個球形等能面

B.一半位于第一布里淵區內沿〈111＞方向的6個球形等能面

c.一半位于第一布里淵區內沿〈111＞方向的8個橢球等能面

D.位于第一布里淵區內沿〈100＞方向的6個橢球等能面

19.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

20.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

(A1。

A.比半導體的大B.比半導體的小

C.與半導體的相等D.不確定

21.一般半導體它的價帶頂位于,而導帶底位于

o(D)

A.波矢k=0或附近，波矢kWOB.波矢kWO,波矢k=0或附

近

C.波矢k=0,波矢kWOD.波矢k=0或附近，波矢kWO

或k=0

22.錯的晶格構造和能帶構造分別是(C)。

A.

23.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

(D1。

A.施主B.復合中心C.陷阱D.兩性雜質

24.雜質對于半導體導電性能有很大影響，下面哪兩種雜質分別摻雜

在硅中能顯著地提高硅的導電性能(C)。

A.硼或鐵B.鐵或銅C.硼或磷D.金或銀

25.當施主能級ED與費米能級EF相等時，電離施主的濃度為施主濃

度的1C1倍；

A.1B.1/2C.1/3D.1/4

26.同一種施主雜質摻入甲、乙兩種半導體，如果甲的相對介電常數

■是乙的3/4,mn*/m。值是乙的2倍，則用類氫模型計算結果是

（D1。

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3/4

B.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32/9

C.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8/3

D.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3/8

27.本征半導體費米能級的表達式是。（B）

A,工+紇+紅in'B.紇+紇+紅in叢

222NC22Nc

C.Ec+k°TIn鹿D.紇+紇

Nc2

28.載流子在電場作用下的運動為（A）。

A.漂移運動B.擴散運動C.熱運動D.共有化運動

29.下面情況下的材料中，室溫時功函數最大的是（A

A.含硼1X10%/的硅B.含磷1X10%nf3的硅

C.含硼1X10%/,磷1X10%/的硅口.純潔的硅

30.一般可以認為，在溫度不很高時，能量大于費米能級的量子態根

本上,而能量小于費米能級的量子態根本上為,

而電子占據費米能級的概率在各種溫度下總是,所以費米

能級的位置比較直觀地標志了電子占據量子態的情況，通常就說費米

能級標志了電子填充能級的水平。（A）

A.沒有被電子占據，電子所占據，1/2B.電子所占據，沒有被

電子占據，1/2

C.沒有被電子占據，電子所占據，1/3D.電子所占據，沒有被

電子占據，1/3

三.簡答題

1.簡要說明費米能級的定義、作用和影響因素。

答：電子在不同能量量子態上的統計分布概率遵循費米分布函數：

費米能級EF是確定費米分布函數的一個重要物理參數，在絕對零

度是，費米能級EF反映了未占和被占量子態的能量分界限，在*有限

溫度時的費米能級EF反映了量子態占據概率為二分之一時的能量位

置。確定了一定溫度下的費米能級EF位置，電子在各量子態上的統計

分布就可完全確定。

費米能級EF的物理意義是處于熱平衡狀態的電子系統的化學勢，

即在不對外做功的情況下，系統中增加一個電子所引起的系統自由能

的變化。

半導體中的費米能級EF一般位于禁帶內，具體位置和溫度、導電

類型及摻雜濃度有關。只有確定了費米能級EF就可以統計得到半導體

導帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度。

2.在本征半導體中進展有意摻雜各種元素，可改變材料的電學性能。

請解釋什么是淺能級雜質、深能級雜質，它們分別影響半導體哪些主

要性質；什么是雜質補償？雜質補償的意義何在？

答：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁帶寬度的

雜質。它們電離后將成為帶正電（電離施主〕或帶負電（電離受主〕

的離子，并同時向導帶提供電子或向價帶提供空穴。它可有效地提高

半導體的導電能力。摻雜半導體又分為n型半導體和p型半導體。

深能級雜質是指雜質所在的能級位置在禁帶中遠離導帶或價帶，在常

溫下很難電離，不能對導帶的電子或價帶的空穴的濃度有所奉獻，但

它可以提供有效的復合中心，在光電子開關器件中有所應用。

當半導體中既有施主又有受主時，施主和受主將先互相抵消，剩余的

雜質最后電離，這就是雜質補償。

利用雜質補償效應，可以根據需要改變半導體中*個區域的導電類型,

制造各種器件。

3.什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后有何特征？

答：半導體中摻入受主雜質后，受主電離后將成為帶負電的離子，

并同時向價帶提供空穴，這種雜質就叫受主。

受主電離成為帶負電的離子（中心）的過程就叫受主電離。

受主電離前帶不帶電，電離后帶負電。

4.什么叫復合中心？何謂間接復合過程？有哪四個微觀過程？試說

明每個微觀過程和哪些參數有關。

答：半導體內的雜質和缺陷能夠促進復合，稱這些促進復合的雜質和

缺陷為復合中心；間接復合：非平衡載流子通過復合中心的復

合；

四個微觀過程：俘獲電子，發射電子，俘獲空穴，發射空穴；

俘獲電子：和導帶電子濃度和空穴復合中心濃度有關。

發射電子：和復合中心能級上的電子濃度。

俘獲空穴：和復合中心能級上的電子濃度和價帶空穴濃度有關。

發射空穴：和空的復合中心濃度有關。

5.漂移運動和擴散運動有什么不同？兩者之間有什么聯系？

答：漂移運動是載流子在外電場的作用下發生的定向運動，而擴散運

動是由于濃度分布不均勻導致載流子從濃度高的地方向濃度底的方

向的定向運動。前者的推動力是外電場，后者的推動力則是載流子的

分布引起的。

漂移運動與擴散運動之間通過遷移率與擴散系數相聯系。而非簡

并半導體的遷移率與擴散系數則通過愛因斯坦關系相聯系，二者的比

值與溫度成反比關系。即

6.簡要說明pn結空間電荷區如何形成？

答：當p型半導體和n型半導體結合形成pn結時，由于兩者之間存

在載流子濃度梯度，從而導致了空穴從p區到n區、電子從n區到p

區的擴散運動。對于P區，空穴離開后留下了不可動的帶負電荷的電

離受主，因此在p區一側出現了一個負電荷區；同理對于n區，電子

離開后留下了不可動的帶正電荷的電離施主，因此在n區一側出現了

一個正電荷區。這樣帶負電荷的電離受主和帶正電荷的電離施主形成

了一個空間電荷區，并產生了從n區指向p區的內建電場。

在內建電場作用下，載流子的漂移運動和擴散運動方向相反，內

建電場阻礙載流子的擴散運動。隨內建電場增強，載流子的擴散和漂

移到達動態平衡。此時就形成了一定寬度的空間電荷區，并在空間電

荷區兩端產生了電勢差，即pn結接觸電勢差。

7.簡要說明載流子有效質量的定義和作用。

答：能帶中電子或空穴的有效質量m的定義式為：m=-^~

屋E/)

dk2

有效質量m與能量函數E(k)對于波矢k的二次微商，即能帶在*

處的曲率成反比；能帶越窄，曲率越小，有效質量越大，能帶越寬，

曲率越大，有效質量越小；

在能帶頂部，曲率小于零，則有效質量為負值，在能帶底部，曲

率大于零，則有效質量為正值。

有效質量的意義在于它概括了內部勢場的作用，使得在解決半導體中

載流子在外場作用下的運動規律時，可以不涉及內部勢場的作用。

8.對于摻雜的元素半導體Si、Ge中，一般情形下對載流子的主要散

射機構是什么？寫出其主要散射機構所決定的散射幾率和溫度的關

系。

答：對摻雜的元素半導體材料Si、Ge,其主要的散射機構為長聲學

波散射和電離雜質散射

其散射幾率和溫度的關系為：

3/2

聲學波散射：Ps℃T,電離雜質散射：化3乂=3/2

9.說明能帶中載流子遷移率的物理意義和作用。

答：載流子遷移率反映了單位電場強度下載流子的平均漂移速度，

其定義式為：

〃=口；其單位為：cm2/Vs

忖

半導體載流子遷移率的計算公式為：

其大小與能帶中載流子的有效質量成反比，與載流子連續兩次散射間

的平均自由時間成正比。確定了載流子遷移率和載流子濃度就可確定

該載流子的電導率。

四.證明題

1.試推證：對于只含一種復合中心的間接帶隙半導體晶體材料，在

穩定條件下非平衡載流子的凈復合率公式

證：

題中所述情況，主要是間接復合起作用，包含以下四個過程。

甲：電子俘獲率;rnn(N「nJ

乙：電子產生率;rnntni=nie*p((Et-Ei)/k0T)

丙：空穴俘獲率;rppnt

T：空穴產生率=帥1(凡-必)pi=nie*p((Ei-Et)/k0T)

穩定情況下凈復合率

U=甲-乙二丙-丁(1)

穩定時

甲+丁=丙+乙

將四個過程的表達式代入上式解得

nq+PQ

n=N⑵