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1、一、名词说明（本大题共精选学习资料 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；正常情形下,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： 当满带顶邻近产生 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 vk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
2、射注入等条件下,半导体材料中会产生高于热平稳时浓度的电子和空穴,超过热平稳浓度的电子n=n-n0 和空穴p=p-p0 称为过剩载流子；5.费米能级与化学势：费米能级表示等系统处于热平稳状态,也不对外做功的情形下,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；处于热平稳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；随之温度上升,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、挑选题（本大
3、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,非平稳载流子的寿命与（D ）A. 平稳载流子浓度成正比 B. 非平稳载流子浓度成正比 C. 平稳载流子浓度成反比 D. 非平稳载流子浓度成反比2有 3 个硅样品,其掺杂情形分别是：含铝 110-15cm-3乙.含硼和磷各 110-17cm-3丙.含镓 110-17cm-3 室温下,这些样品的电阻率由高到低的次序是（C ）A. 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 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打算时,其小注入下的少子寿命
4、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周体相互结合,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周体仍可以形成 闪锌矿 和 纤锌矿 等两种晶格结构；（ 2）假如电子从价带顶跃迁到导带底时波矢 k 不发生变化,就具有这种能带结构的半导体称为直接禁带半导体,否就称为 间接禁带半
5、导体,那么按这种原就分类,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许多途径,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,当电压上升到某值时,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
6、打算,由电子数、空穴数的守恒原就,试写出载流子随时间的净变化率（pp）和（n）并加以说明； （6 分）第 1 页,共 5 页解： 载流子随时间的净变化率（p）和（n）为 : tDptppGpp2pttpttnnDn2 nnnGn名师归纳总结 ttn- - - - - - -精选学习资料 右边第一项为扩散项,其次项为漂移项,第三项为产生,第四项为复合；留意续性方程 . 为电场,是几何空间坐标的函数,该式为连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形,写出其电流密度方程,请说明为什么 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
7、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,势垒高度由平稳时的 qVD 下降到 qV D-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稳值 n0p 上升并向 p 区内部扩散, 经过一个扩散长度 Ln 后,又基本复原到 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 pxTn,经 Lp 后,复原到 p0n；反向电压 VR 在势垒区产生的电场与内建电场方向一样,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 q
8、VD 增高到 qV D+V R.势垒区电场增强增强,破坏了原先载流子扩散运动和漂移运动的平稳,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：j D j s exp qV1（2 分）k T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 为是单向导电；（2 分）四、运算题（共 3 小题,每题 10 分,共 30 分）V 无关,它正比于少子浓度,数值是很小的,因此可以认1. 已知室温时锗的本征载流子浓度 n i 2
9、. 1 10 13 cm 3,匀称掺杂百万分之一的硼原子后,又匀称掺入 1.442 10 17cm-3 的砷,运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： N A4.42 10 16 cm-3；有效施主杂质浓度为：N D=14.42-4.42 10 16 cm-3=10 17 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 10 13cm-3,锗半导体处于饱和电离区；多子浓度 n0N D10 17cm-3少子浓度 p0=ni 2/n0=2.4 10 13 2 /10 17=5.76 10 9cm-3 费米能级： EF=EC+k
10、0TlnN D/N C=E C+0.026ln10 17/1.1 10 19=E C - 0.122eV2、掺有 1.1 10 15 cm-3 硼原子和 910 14 cm-3 磷原子的 Si 样品,试运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 10 14cm-3；NA 1.1 10 15cm-3；T 300K 时 ni=2.4 10 13cm-3. 2 13 2n i 2 4. 10 3 12 3多子浓度 : n 0 N D N A 2 10 14cm 3；少子浓度 : p 0n 0 2 10 14 cm 2 . 88 10 cm1 1 114
11、 19 8 . 01 . cmnq n pq p n 0 q n 2 10 1 6. 10 39003. 由电阻率为 4 . cm 的 p 型 Ge 和 0.4 . cm 的 n 型 Ge 半导体组成一个 p-n 结,运算在室温（ 300K）时内建电势 VD和势垒2 2宽度 x D；已知在上述电阻率下,p 区的空穴迁移率 p 1650 cm / V . S , n 区的电子迁移率 n 3000 cm / V . S, Ge 的本征载流子浓度 n i 2 . 5 10 13 / cm 3,真空介电常数 0 8 . 85 10 12F / m , s 16 .（10 分）解：n 1nq n n 1
12、 119 4.34 10 15cm 3（2 分）n n q n 0.4 1.6 10 36001 1 1 14 3p pq p p 19 9.19 10 cm（2 分）名师归纳总结 p p q p 4 1.6 10 1700 第 2 页,共 5 页- - - - - - -V DKT qlnnp1.381023300ln4.34精选学习资料 0.2267V15（3 分）141（3 分）15 10- - - - - - - - - 14 9.19 102 n i1.6 10192.513 102xD20sNDDNAVD1/228.851014160.22674.34109.19102NA1.61
13、0194.3410159.191014qN7.27105cm一、名词说明初基原胞： 又称初基晶胞或固体物理学原胞,是布拉非格子中的最小周期单元,也是体积最小的晶胞；直接带隙半导体：导带底和价带顶在同一波矢位置的半导体；格波态密度： 确定体积 V 的晶体,在 邻近单位频率间隔内的格波总数；杂质补偿半导体：同时含有施主杂质和受主杂质,施主和受主在导电性能上有相互抵消的作用半导体,通常称为杂质补偿半导体；迁移率： 载流子在单位电场作用下的平均漂移速度；内建电势差： N 型半导体和P 型半导体接触形成PN 节时, N 区导带内的电子在试图进入P 区导带时遇到一个势垒,这个势垒称为内建电势差；单电子近似
14、：假设每个电子是在周期排列且固定不动的原子核势场及其它电子的平均势场中运动,用其讨论固态晶体中电子的能量状态；电子共有化运动：原子组成晶体以后,由于电子壳层的交叠,电子不再完全局限在某一个原子上,可以由一个原子转移到相临的原子上去,电子在整个晶体上 运动,该运动叫电子的共有化运动；替位式杂质： 杂质原子取代晶格原子而位于在晶格点处,常称为替位杂质；非平稳载流子的寿命：非平稳载流子的浓度减小到原值的1/e 所经受的时间；陷阱效应： 当半导体处于非平稳状态时,杂质能级上的发生转变；假如电子增加,说明能级具有收容非平稳电子的作用；如电子削减,说明能级具有收容空穴的作用,杂质能级的这种积存非平稳载流子
15、的作用称陷阱效应；杂质的补偿： 假如在半导体中,同时存在着受主和施主杂质,两者之间相互抵消的作用；二、填空题： （122 =22 分）1、在简并半导体中,由于电子的共有化运动而导致电子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化运动,分裂的每个能带称为 允带,其相互之间因没有能级称为 禁带；2、杂质原子进入半导基体（如硅、锗等）后,可能以两种方式存在,一种是杂质原子位于晶格原子间的位置,常称为 间隙式杂质；另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处,称为 替位式杂质；3、位错是半导体的一种缺陷,它对半导体材料和器件的性能会产生严峻的影响；张,晶格压缩区禁带宽度变宽； 伸张区禁带宽度变窄 ；在棱位
16、错的四周会导致原子间的压缩和伸4、有效质量概括的是粒子在晶体内部内力作用下的质量,电子在能带顶的有效质量为负值,空穴在能带顶的有效质量为正值；5、依据掺杂原子在晶格中的位置不同,可分为和杂质；6、载流子速度随外加电场强度线性增加,总速度包括漂移运动速度和随机热运动速度两者之和；7、载流子的复合主要包括：直接带间复合 和带隙复合 两大类；8、内建电势差的大小主要取决于：热电压、施主杂质 浓度和 受主杂质 浓度三大类；9、空间电荷区的宽度：随杂质的浓度增加而 变窄 ,随反偏电压的增大而 变宽 ；10、形成 PN 结反向击穿的机制主要有：雪崩击穿 和齐纳击穿 两种；11、在半导体中,电流主要是由载流
17、子的 漂移 、扩散 两种运动形式的构成；12、对于肯定的半导体材料,电子和孔穴的浓度乘积00np 只打算于 温度 ,和 费米能级 以及杂质无关；13、对于 n 型半导体,当低温弱电离时,多数载流子电子的浓度 n0在数值上等于 电离的施主浓度；在强电离时,电子的浓度n0 为施主的掺杂浓度；14、对于基体材料肯定的 n 型半导体,费米能级将随着 掺杂浓度 的增加向上偏移,随 温度 上升向下偏移；15、重掺杂的简并半导体,杂质的浓度很高,杂质原子相互间很靠近,被杂质原子束缚的电子波函数显著重叠,杂质电子就可能在杂质原子之间产生共有化运动 ,从而使孤立的杂质能级 扩展为能带,通常称为杂质的能带；16、
18、载流子在复合的过程中,肯定要释放余外的能量,其能量的释放方式主要包括：17、爱因斯坦从理论上找出扩散系数和迁移率的定量关系,其中迁移率是反映 数反映存在时 浓度梯度 载流子运动的难易程度；三、简答、简洁运算题：发射光子 、发射声子 和俄歇复合 ；载流子在 电场浓度 下运动的难易程度,扩散系1、一简洁立方的晶格常数是- - - - - - -5.63.,请运算（ 111）的面间距和面密度？第 3 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2、请简述费米 -狄拉克函数和玻尔兹曼分布函数有用条件和相互关系？答： 费米 -狄拉克函数有用的条件是：满意泡利不相容原理玻尔兹曼分布函数
19、：当能级远离费米能级时,能级被电子占据的几率很小,不在考虑泡利不相容原理；两者的关系是 ：分布函数的分母是否去掉1；3、为什么随电场的增加,载流子漂移速度会达到饱和？答：载流子漂移速度是迁移率和电场的函数,当电场增加的足够大载流子从低能谷跃迁到高能谷,高能谷中的有效质量增加,迁移率下降；当电场增加肯定程度后,迁移率下降速度和电场的增加速度相等；载流子的速度达到饱和状态；4、外加作用力之后,为什么过剩载流子密度不能随时间连续增加？答： 当半导体在外加作用力下产生过剩载流子,载流子存在浓度梯度,有扩散 随时间可连续增加；5、什么是欧姆接触,制作欧姆接触最常用的方法是什么？运,载流子边扩散边复合,故
20、载流子的不能答： 当金属和半导体接触,不产生明显的附加阻抗,而且不会使半导体内部的平稳载流子浓度发生显著的转变,叫欧姆接触；制作欧姆接触最常用的方法是用重掺杂的半导体与金属接触,经常在 属接触,对金属的挑选比较自由6、为什么 PN 结空间电荷区内会有电场,什么位置的电场最大？N 型或 P 型半导体上制作一层重掺杂区后再与金答： 当 P 型半导体和 N 半导体接触后：N 型区中多子电子向 P 型区中扩散,形成带正电荷的空间区；P 型区中的多子空穴向 N 型区中扩散,形成了带负电的空间电荷区,于是形成了空间电场；在 P 型区和 N 型区的界面处,电场的强度最大；四、问答题：（9 2 = 18 分）
21、1、在半导体材料中,费米能级的位置受那些因素的影响,变化趋势怎样？答： 在半导体材料中,费米能级的位置受掺杂浓度和温度两种因素 的影响； 对于 N 型半导体,费米能级的位置随掺杂浓度向上偏移,对于 P 型 半导体,费米能级的位置随掺杂浓度向下偏移； 无论是 N 型仍是 P 型半导体,载流子的浓度都会随温度的增加向本征费米能级移动；2、PN 结电容主要包括那两大类,各自的影响因素有那些,变化趋势何如？答： PN 结电容主要包括两大类：势垒电容和扩散电容 势垒电容的主要影响因素有：施主、受主的掺杂浓度、半导体的介电常数、 反偏电压和接触电势差等 扩散电容的主要影响因素有：热电势、 N 型区和 P
22、型区的电流和载流子寿命；3、半导体的电导率随温度是如何变化,分析产生的主要缘由？五、运算题分析题： （12 1 = 12 分）1、已知 T=300K 时硅的实测电子浓度为 n0=4.5 10 cm ,ND=5 10 cm ； （a）请问该半导体是 N 型仍是 P 型？（b）样品的电导率是多少？（c）运算本样品以本征费米能级 E i 为参考点费米能级的位置？2、晶格常数为 0.25nm 的一维晶格,当外加 10 V/m,10 V/m 的电场时,分别运算电子自能带底运动到能带顶所需要的时间；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 5 页