东南大学半导体物理例题

第1章 半导体中的电子状态1. 设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量()c E k 和价带极大值附近能量()v E k 分别为2222100()()3c h k k h k E k m m -=+，22221003()6v h k h k E k m m =-0m 为电子惯性质量，112k a =， 0.314a =nm 。

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变化。

解：1) 禁带宽度g E ，根据22100()2()202c dE k h k k h k dk m m -=+=，可求出对应导带能量极小值min E 的k 值：m i n 134k k =， 由题目中()c E k 式可得：min 12min 3104()4c k k k h E E k k m ====； 根据20()60v dE k h k dk m =-=，可以看出，对应价带能量极大值max E 的k 值为：k max = 0；可得max 221max 00()6v k k h k E E k m ====，所以2221min max 2001248g h k h E E E m m a=-== 2) 导带底电子有效质量m n由于2222200022833c d E h h h dk m m m =+=，所以202238nc m h md E dk== 3) 价带顶电子有效质量vn m由于22206v d E h dk m =-，所以20226v nv m h m d E dk ==- 4) 准动量的改变量min max 133()48hh k h k k hk a∆=-==2. 晶格常数为0.25 nm 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。

解：设电场强度为E ，电子受到的力f 为dkf hqE dt==（E 取绝对值），可得h dt dk qE =， 所以12012ta h h t dt dk qE qE a===⎰⎰，代入数据得： 34619106.62108.310()1.6102(2.510)t s E E----⨯⨯==⨯⨯⨯⨯⨯ 当E = 102V/m 时，88.310t s -=⨯；当E = 107V/m 时，138.310t s -=⨯。

东南大学考试卷（卷）Array课程名称半导体物理考试学期得分适用专业电子科学考试形式闭卷考试时间长度120分钟一、填空（每空1分，共27分）1．纯净半导体Si中掺Ⅲ族元素的杂质，当杂质电离时从Si中夺取电子，在Si晶体的共价键中产生了一个空穴，这种杂质称受主杂质；相应的半导体称P型半导体。

2．当半导体中载流子浓度存在浓度梯度时，载流子将做运动；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。

3．np>n i2意味着半导体处于状态，其中n= ；p 。

这时半导体中载流子存在净复合还是净产生？。

4．半导体中浅能级杂质的主要作用是增强载流子的浓度；深能级杂质所起的主要作用增强载流子的复合。

5．非平衡载流子通过而消失，叫做寿命τ，寿命τ与在中的位置密切相关，当寿命τ趋向最小。

6．半导体中的载流子主要受到两种散射，它们分别是和。

前者在下起主要作用，后者在下起主要作用。

7．半导体中掺杂浓度很高时，杂质电离能（增大、减小、不变？），禁带宽度（增大、减小、不变？）。

8．p-n结电容包括电容和电容，在反向偏压下，电容起主要作用。

二、名词解释（每题4分，共20分）（1）爱因斯坦关系（2）扩散长度与牵引长度（3）热载流子共 4 页第1 页（4）准费米能级（5）非平衡载流子寿命三、简要回答（共28分）1．什么是直接复合？什么是间接复合？试述它们在半导体器件中的作用。

2何谓非简并化半导体？何谓简并化半导体？3．下图分别是半导体材料Si、Ge、GaAs的能带结构示意图。

（1）请指出图a 、图b、图c分别对应何种材料，您判断的依据是什么？（2）在三幅图中，价带对于同一个K，E(K)可以有两个值，表明对应两种有效质量不同的空穴，即重空穴和轻空穴。

试指出曲线1、2分别对应哪种空穴，依据是什么？4．当GaAs样品两端加电压时，样品内部便产生电场E。

电子的平均漂移速度v d随电场的变化关系如下图所示，请解释之。

第一篇 习题 半导体中的电子状态1-1、 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。

1-2、 试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。

1-3、 试指出空穴的主要特征。

1-4、简述Ge 、Si 和GaAS 的能带结构的主要特征。

1-5、某一维晶体的电子能带为[])sin(3.0)cos(1.01)(0ka ka E k E --=其中E 0=3eV ，晶格常数a=5х10-11m 。

求：（1） 能带宽度；（2） 能带底和能带顶的有效质量。

升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。

1-1、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。

温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。

反之，温度降低，将导致禁带变宽。

因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。

1-2、 解： 空穴是未被电子占据的空量子态，被用来描述半满带中的大量电子的集体运动状态，是准粒子。

主要特征如下：A 、荷正电：+q ；B 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）；C 、E P =-E nD 、m P *=-m n *。

1-3、 解：（1） Ge 、Si:a ）Eg (Si ：0K) = 1.21eV ；Eg (Ge ：0K) = 1.170eV ；b ）间接能隙结构c ）禁带宽度E g 随温度增加而减小；（2） GaAs ：a ）E g （300K ）= 1.428eV ， Eg (0K) = 1.522eV ；b ）直接能隙结构；c ）Eg 负温度系数特性： dE g /dT = -3.95×10-4eV/K ；1-4、 解：（1） 由题意得：[][])sin(3)cos(1.0)cos(3)sin(1.002220ka ka E a kd dEka ka aE dk dE +=-=eVE E E E a kd dEa k E a k d dEa k a k a k ka tg dkdE o ooo1384.1min max ,01028.2)4349.198sin 34349.198(cos 1.0,4349.198,01028.2)4349.18sin 34349.18(cos 1.0,4349.184349.198,4349.1831,04002222400222121=-=∆<⨯-=+==>⨯=+====∴==--则能带宽度对应能带极大值。

半导体物理习题(总7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--附： 半导体物理习题第一章 晶体结构1. 指出下述各种结构是不是布拉伐格子。

如果是，请给出三个原基矢量；如果不是，请找出相应的布拉伐格子和尽可能小的基元。

（1） 底心立方（在立方单胞水平表面的中心有附加点的简立方）； （2） 侧面心立方（在立方单胞垂直表面的中心有附加点的简立方）； （3） 边心立方（在最近邻连线的中点有附加点的简立方）。

2. 证明体心立方格子和面心立方格子互为正、倒格子。

3. 在如图1所示的二维布拉伐格子中，以格点O 为原点，任意选取两组原基矢量，写出格点A 和B 的晶格矢量A R 和B R 。

4. 以基矢量为坐标轴（以晶格常数a 为度量单位，如图2），在闪锌矿结构的一个立方单胞中，写出各原子的坐标。

5. 石墨有许多原子层，每层是由类似于蜂巢的六角形原子环组成，使每个原子有距离为a 的三个近邻原子。

试证明在最小的晶胞中有两个原子，并画出正格子和倒格子。

第二章 晶格振动和晶格缺陷1. 质量为m 和M 的两种原子组成如图3所示的一维复式格子。

假设相邻原子间的弹性力常数都是β，试求出振动频谱。

2. 设有一个一维原子链，原子质量均为m ，其平衡位置如图4所示。

如果只考虑相邻原子间的相互作用，试在简谐近似下，求出振动频率ω与波矢q 之间的函数关系。

3. 若把聚乙烯链—CH=CH —CH=CH —看作是具有全同质量m 、但力常数是以1β，2β交替变换的一维链，链的重复距离为a ，试证明该一维链振动的特征频率为}])(2sin 41[1{2/1221221212ββββββω+-±+=qam并画出色散曲线。

第三章 半导体中的电子状态1. 设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近的能量)(k E c 为mk k m k k E c 21222)(3)(-+=（）价带极大值附近的能量)(k E v 为mk m k k E v 2221236)( -=（）式中m 为电子质量，14.3,/1==a a k πÅ。

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 )。

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。

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__________。

半导体物理习题与问题（精选5篇）第一篇：半导体物理习题与问题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）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：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。

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。

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？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？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。

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 。