2011年东南大学半导体物理试卷_参考答案_高清

作业6：1．一块半导体材料的寿命μs 13=τ，受到光照产生非平衡载流子，此时光照突然停止，问52μs 后材料中的非平衡载流子浓度将衰减为原来的百分之几？2．室温下有一块n 型硅材料，掺杂浓度为-314cm 107⨯=D N ，由于光照产生的非平衡载流子浓度为-314cm 102.1⨯=∆=∆p n ，试计算此时准费米能级的位置（可以禁带中线E i 作为基准），并与热平衡态的费米能级做比较。

已知本征载流子浓度310cm 1012.1-⨯=i n ，室温下eV 026.0=T k B 。

【参考解答】1．由τt e p t p -∆=∆0)()(，其中μs 13=τ 可得：%83.1e )()65(13520≈=∆∆-p p 即光照停止μs 52后，非子将衰减到原来的1.83%（需要注意的问题是：此题比较简单，直接代入公式计算即可，目的在于加深大家对于寿命的感性认识。

此外寿命的物理意义由此也可见一斑。

）2．由于掺杂浓度不是很高，因此室温下杂质应可全部电离即：3140cm 107-⨯==D N n则热平衡态时的费米能级位置为：eV 2871.01012.1107ln 026.0ln ln 10140+=⨯⨯+=+=+=i i i D B i iB i F E E n N T k E n n T k E E 光注入非平衡载流子后：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=∆+=T k E E n T k E E n n n n B Fn i i B Fn F exp exp 00⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=∆≈∆+=∆+=T k E E n T k E E p p p n n p p p B i Fp i B F Fp i exp exp 0020 故准费米能级位置分别为：eV 2912.01012.1102.1107ln 026.0ln 101414+=⨯⨯+⨯+=+=i i i B i FnE E n n T k E E eV 2413.01012.1102.1ln 026.0ln 1014-=⨯⨯-=-=i i i B i Fp E E n p T k E E 可见：eV 0041.0=-F Fn E E ，eV 5284.0=-Fp F E E即结论是：对于n 型半导体，导带电子的准费米能级只比热平衡态的费米能级稍高一点，而价带空穴的准费米能级则比热平衡态的费米能级要低很多。

一、填空题1．纯净半导体Si 中掺V 族元素的杂质，当杂质电离时释放 电子 。

这种杂质称 施主 杂质；相应的半导体称 N 型半导体。

2．当半导体中载流子浓度的分布不均匀时，载流子将做 扩散 运动；在半导体存在外加电压情况下，载流子将做 漂移 运动。

3．n o p o =n i 2标志着半导体处于 平衡 状态，当半导体掺入的杂质含量改变时，乘积n o p o 改变否？不变 ；当温度变化时，n o p o 改变否？ 改变 。

4．非平衡载流子通过 复合作用 而消失， 非平衡载流子的平均生存时间 叫做寿命τ，寿命τ与 复合中心 在 禁带 中的位置密切相关，对于强p 型和 强n 型材料，小注入时寿命τn 为 ，寿命τp 为 .5． 迁移率 是反映载流子在电场作用下运动难易程度的物理量， 扩散系数 是反映有浓度梯度时载 qn n 0=μ ，称为 爱因斯坦 关系式。

6．半导体中的载流子主要受到两种散射，它们分别是电离杂质散射 和 晶格振动散射 。

前者在 电离施主或电离受主形成的库伦势场 下起主要作用，后者在 温度高 下起主要作用。

7．半导体中浅能级杂质的主要作用是 影响半导体中载流子浓度和导电类型 ；深能级杂质所起的主要作用 对载流子进行复合作用 。

8、有3个硅样品，其掺杂情况分别是：甲 含铝1015cm -3 乙. 含硼和磷各1017 cm -3 丙 含镓1017 cm -3 室温下，这些样品的电阻率由高到低的顺序是 乙 甲 丙 。

样品的电子迁移率由高到低的顺序是甲丙乙 。

费米能级由高到低的顺序是 乙> 甲> 丙 。

9．对n 型半导体，如果以E F 和E C 的相对位置作为衡量简并化与非简并化的标准，那么 T k E E F C 02>- 为非简并条件； T k E E F C 020≤-< 为弱简并条件； 0≤-F C E E 为简并条件。

10．当P-N 结施加反向偏压增大到某一数值时，反向电流密度突然开始迅速增大的现象称为 PN 结击穿 ，其种类为： 雪崩击穿 、和 齐纳击穿（或隧道击穿） 。

共 10 页 第 1 页东 南 大 学 考 试 卷（卷）课程名称 半导体物理 考试学期 11-12-2得分适用专业 电子科学与技术考试形式闭卷考试时间长度 120分钟室温下，硅的相关系数：10300.026, 1.510,i k T eV n cm -==⨯ 1932.810c N cm -=⨯1931.110v N cm -=⨯，电子电量191.610e C -=⨯。

一、 填空题（每空1分，共35分）1. 半导体中的载流子主要受到两种散射,对于较纯净的半导体 散射起主要作用，对于杂质含量较多的半导体，温度很低时，______________散射起主要作用。

2.非平衡载流子的复合率 ，t N 代表__________，t E 代表__________，当2i np n -为___________时，半导体存在净复合，当2i np n -_______时，半导体处于热平衡状态。

杂质能级位于___________位置时，为最有效复合中心，此杂质称为____________杂质。

3.纯净的硅半导体掺入浓度为17310/cm 的磷，当杂质电离时能产生导电________，此时杂质为_________杂质，相应的半导体为________型。

如果再掺入浓度为16310/cm 的硼，半导体是_______型。

假定有掺入浓度为15310/cm 的金，则金原子带电状态为__________。

4.当PN 结施加反向偏压，并增到某一数值时，反向电流密度突然__________开始的现象称为击穿，击穿分为___________和___________。

温度升高时，________击穿的击穿电压阈值变大。

5. 当半导体中载流子浓度存在_________时，载流子将做扩散运动，扩散流密度与_______成正比，比例系数称为_________；半导体存在电势差时，载流子将做 运动，其运动速度正比于 ，比例系数称为 。

6.GaAs 样品两端加电压使内部产生电场，在某一个电场强度区域，电流密度随电场强度的增大而减小，这区域称为________________，这是由GaAs 的_____________结构决定的。

《半导体物理基础》教学大纲（总学分：2.0 总上课时数：32 ）东南大学电子工程系一．课程的地位与任务本课程是电子科学与技术专业类的一门专业基础课。

学生在学习“固体物理基础”课的基础上，通过本课程的学习，掌握半导体物理的基本物理概念、模型以及各种特性。

学会应用半导体物理学理论分析和处理问题的手段和方法，为学生学习其它专业课(电子器件、集成电路等)以及今后从事半导体专业工作打下一个理论基础。

二、课程内容的教学要求1`.半导体的一般特性（Basic Semiconductor Properties）（1）回顾先修课程中关于孤立原子及自由电子运动状态，半导体晶体结构，共有化运动，导体、绝缘体、半导体结构方面的知识。

（2）了解半导体材料种类及特性（3）了解硅和锗的能带结构，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构。

2 .载流子分布（Eguilibrium Carrier Statistics）（1）熟练掌握能带及费米能级概念，以及在半导体特性分析中的应用。

（2）熟悉本征半导体和杂质半导体的导电特性，掌握施主杂质、受主杂质及杂质补偿概念。

（3）掌握状态密度，载流子的统计分布，本征半导体的载流子浓度，杂质半导体的载流子浓度，一般情况下的载流子统计分布的表示方法。

（4）熟悉载流子浓度、费米能级与温度及掺杂浓度之间的关系。

（5）掌握简并半导体和非简并半导体的概念。

3 .载流子复合-产生（Recombination-Generation）（1）掌握非子注入与复合、非平衡载流子的浓度表达式、衰减、寿命等概念。

（2）了解准费米能级概念，进而掌握非平衡状态下载流子浓度的表示方法。

（3）了解直接复合，间接复合等的复合机制。

4 .载流子的散射（Carrier Scattering）（1）晶格振动散射（2）电离杂质散射5. 载流子的漂移和扩散（Carrier Drift and Carrier Diffusion）（1）掌握载流子的漂移运动和迁移率的概念。

半导体物理学试题及答案(总6页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--半导体物理学试题及答案半导体物理学试题及答案(一) 一、选择题1、如果半导体中电子浓度等于空穴浓度，则该半导体以( A )导电为主;如果半导体中电子浓度大于空穴浓度，则该半导体以( E )导电为主;如果半导体中电子浓度小于空穴浓度，则该半导体以( C )导电为主。

A、本征 B、受主 C、空穴 D、施主 E、电子2、受主杂质电离后向半导体提供( B )，施主杂质电离后向半导体提供( C )，本征激发向半导体提供( A )。

A、电子和空穴 B、空穴C、电子3、电子是带( B )电的( E );空穴是带( A )电的( D )粒子。

A、正 B、负 C、零D、准粒子E、粒子4、当Au掺入Si中时，它是( B )能级，在半导体中起的是( D )的作用;当B掺入Si中时，它是( C )能级，在半导体中起的是( A )的作用。

A、受主 B、深C、浅 D、复合中心 E、陷阱5、 MIS结构发生多子积累时，表面的导电类型与体材料的类型( A )。

A、相同 B、不同 C、无关6、杂质半导体中的载流子输运过程的散射机构中，当温度升高时，电离杂质散射的概率和晶格振动声子的散射概率的变化分别是( B )。

A、变大，变小 ;B、变小，变大;C、变小，变小;D、变大，变大。

7、砷有效的陷阱中心位置(B ) A、靠近禁带中央 B、靠近费米能级8、在热力学温度零度时，能量比EF小的量子态被电子占据的概率为( D )，当温度大于热力学温度零度时，能量比EF小的量子态被电子占据的概率为( A )。

A、大于1/2 B、小于1/2 C、等于1/2 D、等于1 E、等于0 9、如图所示的P型半导体MIS结构的C-V特性图中，AB段代表( A)，CD 段代表( B )。

A、多子积累 B、多子耗尽C、少子反型 D、平带状态10、金属和半导体接触分为：( B )。

第一章1、Si、GaAs半导体材料的导带底、价带顶分别在k空间什么位置？其晶体结构和解理面分别是什么？哪个是直接带隙，哪个是间接带隙？(2006)2、对于金刚石结构的硅Si和闪锌矿结构的砷化镓GaAs，在（111）晶面上，其原子面密度和面间距都是最大，为什么Si的解理面是（111），而GaAs不是？(2007)3、半导体材料的禁带宽度Eg、N型半导体杂质激活能△Ed以及亲和势X分别表示半导体电子的什么状态特性？（2009年简答题7分）4、与真空电子运动相比，半导体中电子的运动有何不同？（2009年简答题7分）（1-9题63分，每小题7分(2010)）Array 5、如图是一个半导体能带结构的E–k关系；1）哪个能带具有x方向更小的有效质量？2）考虑两个电子分别位于两个能带中的十字线处，哪个电子的速度更大些？6、写出硅(Si)和砷化镓(GaAs)的晶体结构、禁带宽度和解理面。

？（2011年简答题6分）第二章3、高阻的本征半导体材料和高阻的高度补偿的半导体材料的区别是什么？(2006)• 1 深能级杂质和浅能级杂质概念（西交大）•1以硅为例，举例说明掺入浅能级和深能级杂质的目的和作用？（西电）• 2.什么是浅能级杂质？什么是深能级杂质？列举出半导体硅中各一种杂质元素的例子。

半导体中掺入这些杂质分别起什么作用? (2011)• 11、定性画出N 型半导体样品，载流子浓度n 随温度变化的曲线（全温区），讨论各段的物理意义，并标出本征激发随温度的曲线。

设该样品的掺杂浓度为ND 。

比较两曲线，论述宽带隙半导体材料器件工作温度范围更宽。

(2006-20分)• ４、室温下，一N 型样品掺杂浓度为Nd ，全部电离。

当温度升高后，其费米能级如何变化？为什么？一本征半导体，其费米能级随温度升高如何变化？为什么？（2007）• 4、一块N 型半导体，随温度升高，载流子浓度如何变化？费米能级如何变化？（2009）• 7、定性说明掺杂半导体费米能级与掺杂浓度和温度的关系是怎样的？（2010）• 10、（20分）设某一种半导体材料室温下（300 K ）本征载流子浓度为1.0 × 1010cm−3，价带和导带有效状态密度N V = N C = 1019 cm−3， • 1） 求禁带宽度；• 2） 如果掺入施主杂质N D = 1016 cm−3，求300 K 下，热平衡下的电子和空穴浓度；• 3） 对于上面的样品，在又掺入N A = 2 × 1016 cm−3的受主杂质后，求新的热平衡电子和空穴浓度（300 K ）。

东南大学考研复习卷课程名称 半导体物理929 编辑时间得分适用专业电子科学与技术考试形式 闭卷考试时间长度 180分钟室温下=k T eV 0.0260，电子电量=⨯-e C 1.61019。

一、 填空题（每空1分，共35分）1. 设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近的能量为=+-m m k h k h k k 3E ()()00C 12222，价带极大值附近的能量=-m m k h k h k 6E ()300V 12222，其中m 0为电子质量，h 为普朗克常数，=k a21，则半导体禁带宽度为__________，价带顶电子跃迁到导带底时的准动量的变化为__________，价带顶空穴有效质量为__________。

2. 室温下，锗的禁带宽度=E eV g 0.67，估计室温下本征锗导带底的一个能态被电子占据的几率为__________。

锗价带顶的一个能态被空穴占据的几率为-103，此时费米能级的位置在__________，玻尔兹曼分布是否近似成立？ __________。

3. 由间接复合作用决定的非平衡载流子寿命++∆=++∆+++∆τN c c n p p c n n n c p p p t n p n l p l ()()()0000，式中N t 代表__________。

半导体禁带宽度=E eV g 1.12，小注入条件下，复合中心能级E t 在价带顶上方eV 0.12，费米能级在导带底下方eV 0.31，则非平衡载流子的寿命可化简为__________；大注入条件下，非平衡载流子的寿命可化简为__________。

4. 室温下本征硅掺入某种杂质后，电子浓度为=⨯-n cm 1.510043，硅的本征载流子浓度=⨯-n cm i 1.510103，导带有效状态密度=⨯-cm N 2.810C 193，价带有效状态密度=⨯-cm N 1.110193。

则费米能级与价带顶的差为__________；掺入施主杂质5. 表面复合率U s 表示单位时间__________，它与__________成正比，比例系数用s 表示，反应了表面复合的强弱。

半导体物理学习题答案（有目录）半导体物理习题解答目录1－1．（P32）设晶格常数为a的一维晶格，导带极小值附近能量E c（k）和价带极大值附近能量E v（k）分别为： (2)1－2．（P33）晶格常数为0.25nm的一维晶格，当外加102V/m，107V/m的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。

(3)3－7．（P81）①在室温下，锗的有效状态密度Nc＝1.05×1019cm－3，Nv＝5.7×1018cm－3，试求锗的载流子有效质量mn*和mp*。

(3)3－8．（P82）利用题7所给的Nc和Nv数值及Eg＝0.67eV，求温度为300k和500k时，含施主浓度ND＝5×1015cm-3，受主浓度NA＝2×109cm-3的锗中电子及空穴浓度为多少？ (4)3－11．（P82）若锗中杂质电离能△ED＝0.01eV，施主杂质浓度分别为ND＝1014cm-3及1017cm-3，计算(1)99%电离，(2)90%电离，(3)50%电离时温度各为多少？ (5)3－14．（P82）计算含有施主杂质浓度ND＝9×1015cm-3及受主杂质浓度为1.1×1016cm-3的硅在300k 时的电子和空穴浓度以及费米能级的位置。

(6)3－18．（P82）掺磷的n型硅，已知磷的电离能为0.04eV，求室温下杂质一般电离时费米能级的位置和磷的浓度。

(7)3－19．（P82）求室温下掺锑的n型硅，使EF＝(EC＋ED)/2时的锑的浓度。

已知锑的电离能为0.039eV。

(7)3－20．（P82）制造晶体管一般是在高杂质浓度的n型衬底上外延一层n型的外延层，再在外延层中扩散硼、磷而成。

①设n型硅单晶衬底是掺锑的，锑的电离能为0.039eV，300k时的EF位于导带底下面0.026eV处，计算锑的浓度和导带中电子浓度。

(8)4－1．（P113）300K时，Ge的本征电阻率为47Ω.cm，如电子和空穴迁移率分别为3900cm2/V.S和1900cm2/V.S，试求本征Ge的载流子浓度。

半导体物理习题解答1－1．（P 32）设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值周围能量E c （k ）和价带极大值周围能量E v （k ）别离为：E c (k)=223m k h +022)1(m k k h -和E v (k)=226m k h －223m k h ；m 0为电子惯性质量，k 1＝1/2a ；a ＝。

试求：①禁带宽度；②导带底电子有效质量；③价带顶电子有效质量；④价带顶电子跃迁到导带底时准动量的转变。

[解] ①禁带宽度Eg依照dk k dEc )(＝232m k h ＋012)(2m k k h -＝0；可求出对应导带能量极小值Emin的k 值：k min ＝143k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min =2104k m h ； 由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0；而且E min ＝E V (k)|k=k max＝2126m k h ；∴Eg ＝E min －E max＝021212m k h ＝20248a m h＝112828227106.1)1014.3(101.948)1062.6(----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＝②导带底电子有效质量m n02020********m h m h m h dkE d C =+=；∴ m n＝022283/m dkE d h C =③价带顶电子有效质量m ’02226m h dkE d V -=，∴0222'61/m dkE d h m V n-== ④准动量的改变量h △k ＝h (kmin-k max )=ahk h 83431=[毕] 1－2．（P 33）晶格常数为的一维晶格，当外加102V/m ，107V/m 的电场时，试别离计算电子自能带底运动到能带顶所需的时刻。

[解] 设电场强度为E ，∵F=hdtdk=qE （取绝对值） ∴dt =qEh dk∴t=⎰tdt 0=⎰a qE h 210dk =aqE h 21 代入数据得： t ＝E⨯⨯⨯⨯⨯⨯--1019-34105.2106.121062.6＝E6103.8-⨯（s ）当E ＝102V/m 时，t ＝×10－8（s ）；E ＝107V/m 时，t ＝×10－13（s ）。

共6 页 第 1 页 (luobin 期末基础卷) 修改时间：2013-2东 南 大 学 考 试 卷（A 卷）课程名称 半导体物理 编辑时间2011-1得分适用专业电子科学与技术考试形式闭卷考试时间长度 120分钟室温下，硅的相关系数：10300.026, 1.510,i k T eV n cm -==⨯ 193C N 2.810cm -=⨯193V N 1.110cm -=⨯,电子电量191.610e C -=⨯。

一、 填空题（每空1分，共35分）1.半导体中的载流子主要受到两种散射,对于较纯净的半导体__________散射起主要作用，对于杂质含量较多的半导体，温度很低时，__________散射起主要作用。

2.非平衡载流子的复合率20()2[()/]t i i t i N C np n U n p n ch E E k T -=++-，t N 代表__________，tE 代表__________。

当载流子浓度满足2i np n -__________时，半导体存在净复合；当2i np n -__________时，半导体处于热平衡状态。

杂质能级位于__________位置时，为最有效复合中心，此杂质为__________杂质。

3.纯净的硅半导体掺入浓度为17310cm -的磷，当杂质电离时能产生导电__________，此时杂质为__________杂质，相应的半导体为__________型；如果再掺入浓度为16310cm -的硼，半导体是__________型。

假定又掺入浓度为15310cm -的金，则金原子带电状态为__________。

4.当PN 结施加反向偏压，并增到某一数值时，反向电流密度突然__________的现象称为击穿，击穿分为__________和__________。

温度升高时，__________击穿的击穿电压阈值变大。

5. 当半导体中载流子浓度存在__________时，载流子将做扩散运动，扩散流密度与__________成正比，比例系数称为__________；半导体存在电势差时，载流子将做 __________运动，其运动速度正比于__________，比例系数称为__________。

第一章半导体中的电子状态例1.证明:对于能带中的电子，K状态和-K状态的电子速度大小相等,方向相反。

即：v(k)= －v(－k)，并解释为什么无外场时，晶体总电流等于零。

解：K状态电子的速度为：（1）同理，－K状态电子的速度则为：（2）从一维情况容易看出：（3）同理有：（4）（5）将式（3）（4）（5）代入式（2）后得：（6）利用（1）式即得：v(－k)= －v(k)因为电子占据某个状态的几率只同该状态的能量有关，即：E(k)=E(－k)故电子占有k状态和-k状态的几率相同，且v(k)=－v(－k)故这两个状态上的电子电流相互抵消，晶体中总电流为零。

例2.已知一维晶体的电子能带可写成：式中，a为晶格常数。

试求：（1）能带的宽度；（2）能带底部和顶部电子的有效质量。

解：（1）由E(k)关系（1）（2）令得：当时，代入（2）得：对应E(k)的极小值。

当时，代入（2）得：对应E(k)的极大值。

根据上述结果，求得和即可求得能带宽度。

故：能带宽度（3）能带底部和顶部电子的有效质量：习题与思考题：1 什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？试定性说明之。

2 试定性说明Ge、Si的禁带宽度具有负温度系数的原因。

3 试指出空穴的主要特征。

4 简述Ge、Si和GaAs的能带结构的主要特征。

5 某一维晶体的电子能带为其中E0=3eV，晶格常数a=5×10-11m。

求：（1）能带宽度；（2）能带底和能带顶的有效质量。

6原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同？原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同？7晶体体积的大小对能级和能带有什么影响？8描述半导体中电子运动为什么要引入“有效质量”的概念？用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性？9 一般来说，对应于高能级的能带较宽，而禁带较窄，是否如此？为什么？10有效质量对能带的宽度有什么影响？有人说：“有效质量愈大，能量密度也愈大，因而能带愈窄。