2022年半导体物理2复习总结.docx

一、 名词说明1. 能带晶体中, 电子的能量是不连续的, 在某些能量区间能级分布是准连续的,在某些区间没有能及分布；这些区间在能级图中表现为带状,称之为能带；2. 有效质量有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量；它概括了周期性势场对载流子运 动的影响,从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式；其大小由晶体自身的E-k 关系打算；3. 施主杂质某种杂质取代半导体晶格原子后,在和四周原子形成饱和键结构时,如尚有一余外价电子,且该电子受杂质束缚很弱、电离能很小, 所以该杂质极易供应导电电子,因此称这种杂质为施主杂质4. 施主能级施主未电离时, 在饱和共价键外仍有一个电子被施主杂质所束缚,该束缚态所对应的能级称为施主能级；5. 受主能级受主杂质电离后所接受的电子被束缚在原先的空状态上,该束缚态所对应的能级称为受主能级；6. 深杂质能级一些非 IIIV族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远,它们产生的受主能级距离价带顶也较远,通常称这种能级为深能级,相应的杂质称为深能级杂质；7. 直接复合导带中的电子不通过任何禁带中的能级直接与价带中的空穴发生的复合8. 间接复合杂质或缺陷可在禁带中引入能级,通过禁带中能级发生的复合被称作间接复合；相应的杂质或缺陷被称为复合中心；9. 俄歇复合载流子从高能级向低能级跃迁,发生电子-空穴复合时,把余外的能量付给另一个载流子, 使这个载流子被激发到能量更高的能级上去,当它重新跃迁回低能级时,余外的能量常以声子形式放出,这种复合称为俄歇复合；10. 扩散由于浓度不匀称而导致的微观粒子从高浓度处向低浓度处逐步运动的过程；11. 空穴空穴是为处理价带电子导电问题而引进的概念；设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷, 并给予其与电子符号相反、大小相等的有效质量, 这样就引进了一个假想的粒子,称其为空穴；它引起的假想电流正好等于价带中的电子电流；12. 过剩载流子在光注入、 电注入、 高能辐射注入等条件下,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；13. 准费米能级对于非平稳半导体, 导带和价带间的电子跃迁失去了热平稳；但就它们各自能带内部而言,由于能级特别密集、跃迁特别频繁, 往往瞬时就会使其电子分布与相应的热平稳分布相接近,因此可用局部的费米分布来分别描述它们各自的电子分布；这样就引进了局部的非米能级,称其为准费米能级；14. 费米能级费米能级不肯定是系统中的一个真正的能级,它是费米分布函数中的一个参量,具有能量的单位, 所以被称为费米能级； 它标志着系统的电子填充水平,其大小等于增加或削减一个电 子系统自由能的变化量；PN 结上外加电压的变化,导致势垒去区的空间电荷数量随外加电压变化,这种电容效应称为势垒电容；在耗尽层近似下,PN 结反向偏压下的势垒电容可以等效为一个平行板电容器的电容；16扩散电容正向偏压下, PN 结扩散长度内形成非平稳空穴和电子的积存,当偏压变化时,扩散区内积累的非平稳载流子发生转变,这种扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应, 成为 PN 结的扩散电容；15. 势垒电容17. 欧姆接触欧姆接触是指金属和半导体之间形成的接触电压很小,基本不转变半导体器件特性的非整流接触；18. 表面电场效应在半导体 MIS 结构的栅极施加栅压后,半导体表面的空间电荷区会随之发生变化,通过掌握栅压可使半导体表面出现出不同的表面状态,这种现象就是所谓的表面电场效应；19. 抱负 PN 结电流电压方程及IV 图II 0eqVA / kT120. 表面态它是由表面因素引起的电子状态,这种表面因素通常是悬挂键、表面杂质或缺陷, 表面态在表面处的分布几率最大；21. 表面电场效应在半导体 MIS 结构的栅极施加栅压后,半导体表面的空间电荷区会随之发生变化,通过掌握栅压可使半导体表面出现出不同的表面状态,这种现象就是所谓的表面电场效应；22. 激子吸取在低温时发觉,某些晶体在本征吸取连续光谱区的低能侧靠近吸取限邻近存在一系列吸取线,并且对应于这些吸取线不相伴有光电导,这种吸取成为激子吸取；23. 自由载流子吸取当入射光的波长较长, 不足以引起带间跃迁或形成激子时, 半导体中仍旧存在光吸取, 而且吸取系数随着波长的增加而增加； 这种吸取是自由载流子在同一能带内的跃迁引起的, 称为自由截流子吸取；24. 杂质吸取杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级,例如Ge 和 Si 中的 III 族和 V 族杂质；占据杂质能级的电子或空穴的跃迁可以引起光吸取,这种吸取称为杂质吸取, 可以分为下面三种类型： 吸取光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发态或导带的跃迁；中性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁；电离受主到电离施主间的跃迁；25. 半导体发光处于激发态的电子可以向较低的能级跃迁,以光辐射的形式释放出能量,也就是电子从高能级向低能级跃迁,相伴着发射光子；就是半导体的发光现象；二、挑选题1. 以下材料中,不是半导体材料是（）AAlSbBAlNiCGaNDGaAs2. 半导体 GaAs 晶体结构是（）A 闪锌矿B 金刚石C 铅锌矿D 氯化钠3. 施主杂质电离后向半导体供应（）A 空穴B 电子C 质子D 中子4. 受主杂质电离后向半导体供应（）A 空穴B 电子C 质子D 中子5. 与半导体相比较,绝缘体的价带电子激发到导带所需的能量（）；A 、比半导体的大,B 、比半导体的小, C、 与半导体的相等；5. 衡量电子填充能级水平的是（）A 施主能级B 费米能级C 受主能级D缺陷能级6. 硅中非平稳载流子的复合主要依靠（）A 直接复合B 间接复合C 俄歇复合D 直接和间接复合7. 室温下,半导体 Si 中掺有浓度为 1.1 ×1015cm 3 的硼,就电子浓度约为（）；（已知：室温下, ni 1.5 ×110c0m-3）A1014cm-3B1015cm-3C1010cm -3D105cm-38. pn 结反偏状态下,空间电荷层的宽度随外加电压数值增加而（）；A 展宽B变窄C不变9. 以下哪一项不属于影响PN 结电流电压特性偏离抱负方程的因素（）A 表面效应B势垒区中的产生于复合C大注入条件D. 非平稳态10. 半导体功函数是指（）A 导带底电子变成真空中自由电子所需最低能量B 价带顶电子变成真空中自由电子所需最低能量C 真空中自由电子最低能级与半导体本征费米能级之差D 真空中自由电子最低能级与半导体费米能级之差11. 抱负的金属半导体接触会形成不同成效,以下接触形成阻挡层的是（）An 型半导体, Wm>WsBn 型半导体,Wm<WsCp 型半导体, Wm>WsDp 型半导体,Wm=Ws12. 以下器件不是利用半导体表面效应制成的是（）A MOS 器件B 电荷耦合器件C 表面发光器件D 热敏电阻13. 以下半导体材料中,哪个材料可以吸取2 微米以上的红外光（）A SiB GeCGaAsD InSb14. 假如杂质既有施主的作用又有受主的作用,就这种杂质称为（D）；A.施主B. 受主C.复合中心D 两性杂质15. 同一种施主杂质掺入甲、 乙两种半导体, 假如甲的相对介电常数r 是乙的 3/4, mn*/m 0值是乙的 2 倍,那么用类氢模型运算结果是（D ）；A. 甲的施主杂质电离能是乙的8/3,弱束缚电子基态轨道半径为乙的3/4B. 甲的施主杂质电离能是乙的3/2,弱束缚电子基态轨道半径为乙的32/9C.甲的施主杂质电离能是乙的16/3,弱束缚电子基态轨道半径为乙的8/3D. 甲的施主杂质电离能是乙的32/9,的弱束缚电子基态轨道半径为乙的3/816. 一块半导体寿命 =15 ,s光照在材料中会产生非平稳载流子,光照突然停止30s 后,其中非平稳载流子将衰减到原先的（C ）；A.1/4；B.1/e ；C.1/e2 ；D.1/217. 在室温下,非简并 Si 中电子扩散系数 D 与 有如下图（ C ） 所示的最恰当的依靠关系： 18. 在纯的半导体硅中掺入硼,在肯定的温度下, 当掺入的浓度增加时, 费米能级向 （ A ）移动；当掺杂浓度肯定时,温度从室温逐步增加,费米能级向C移动；A.Ev；B.Ec ；C.Ei ；D. EF19. 对于大注入下的直接复合,非平稳载流子的寿命不再是个常数,它与（C）；A. 非平稳载流子浓度成正比；B.平稳载流子浓度成正比；C.非平稳载流子浓度成反比；D.平稳载流子浓度成反比；20. 杂质半导体中的载流子输运过程的散射机构中,当温度上升时,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；21. 在磷掺杂浓度为2×1016cm-3 的硅衬底（功函数约为4.25eV ）上要做出欧姆接触,下面四种金属最适合的是（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、简答1. 杂质对半导体造成的影响杂质的显现, 使得半导体中产生了局部的附加势场,这使严格的周期性势场遭到破坏；从能带的角度来讲,杂质可导致导带、价带或禁带中产生了原先没有的能级2. 施主能级及其特点施主未电离时, 在饱和共价键外仍有一个电子被施主杂质所束缚,该束缚态所对应的能级称为施主能级；特点：施主杂质电离,导带中显现施主供应的导电电子；电子浓度大于空穴浓度,即 n > p ；3. 受主能级及其特点受主杂质电离后所接受的电子被束缚在原先的空状态上,该束缚态所对应的能级称为受主能级；特点：受主杂质电离,价带中显现受主供应的导电空穴；空穴浓度大于电子浓度,即p > n ；4. 深能级杂质的特点和作用：（1） 不简单电离,对载流子浓度影响不大（2） 一般会产生多重能级,甚至既产生施主能级也产生受主能级；（3） 能起到复合中心作用,使少数载流子寿命降低；（4） 深能级杂质电离后成为带电中心,对载流子起散射作用, 使载流子迁移率削减,导电性能下降；5. 以 n 型硅为例,简要说明迁移率与杂质浓度和温度的关系；杂质浓度上升,散射增强,迁移率减小；低温时,以电离杂质散射为主；温度上升散射减弱,迁移率增大；随着温度的增加,晶格振动散射逐步增强最终成为主导因素；因此,迁移率达到最大值后开头随温度上升而减小；6. 以 n 型半导体为例说明电阻率和温度的关系；答：低温时,温度上升载流子浓度呈指数上升,且电离杂质散射呈密函数下降,因此电阻率随温度上升而下降； 当半导体处于强电离情形时,载流子浓度基本不变, 晶格震惊散射逐步取代电离杂质散射成为主要的散射机构,因此电阻率随温度由下降逐步变为上升；高温时,虽然晶格震惊使电阻率上升,但半导体逐步进入本征状态使电阻率随温度上升而快速下降, 最终总体表现为下降；7. 300K时, Ge的本征电阻率为47· c,m电子和空穴迁移率分别为3900cm2/V ·S 和1900cm 2/V ·S,试求本征 Ge 的载流子浓度；答： T=300K , 47· cm, n 3900cm 2/V ·S, p 1900 cm 2/V ·Sn1ini qnp 1qnp 471.60211910390019002.291013 cm 38. 画出 p 型半导体形成的抱负MIS 结构的 C-V 特性曲线,并说明高频情形与低频情形的差别；p 型半导体形成的抱负MIS 结构特性曲线的 C-V 如下高频和低频情形的区分在于接近强反型时,低频情形空间电荷层电容快速增加并趋近于无穷大, 而高频情形空间电荷称电容就会保持在最小值上；前者是由于半导体表面处于强反型时,由于反型层中的电子浓度与表面势呈指数关系,导致空间电荷层电容随表面势变化呈指数规律,即, Cs expqV s/2k 0T；而 C/C0 =1/1+C 0/Cs,所以 C-V 特性曲线在 V G>V T 后快速增加,最终趋近于1；高频时, 由于没有少子产生与复合的时间,应此反型电子对电容没有奉献,只能通过空间电荷层的宽度变化来承担表面势的变化,所以 Cs 仍与空间电荷层宽度X d 成反比； 弱反型时, X d 随表面势而增加；当VG>V T 后,开头进入强反型, X d 很快趋于饱和,所以曲线保持在最小值上；9. 半导体对光的吸取有哪些？本征吸取,激子吸取,杂质吸取,自由载流子吸取,晶格振动吸取等；10. 如金属和一 n 型半导体形成金属半导体接触,请简述在什么条件下, 形成的哪两种不同电学特性的接触,说明半导体表面的能带情形,并画出对应的I-V曲线；（忽视表面态的影响）答：在金属和n 型半导体接触时,如金属的功函数为Wm, 半导体的功函数为W s；当 Wm Ws 时,在半导体表面形成阻挡层接触,是个高阻区,能带向上弯曲；（2 分）当 Wm Ws 时,在半导体表面形成反阻挡层接触,是个高电导区,能带向下弯曲；（2 分） 对应的 I-V 曲线分别为：IIVV四、综合题（共 32 分）可能用到的信息：Si 原子密度： 5.00× 1022/cm3,Si 本征载流子浓度（室温）：ni 1.5× 1010/cm3, 迁移率（室温）： Sin=1350cm2/V.s, p=500cm2 /V.s；Si 有效状态密度： Nc=2.8× 1019/cm3, N v1.1× 1019/cm 3电子电量为 1.6× 10 19C；普朗克常数h 6.625× 10 34J.s；室温时 k0T=0.026eV图 1： Si 电阻率与杂质浓度的关系图 2： Si 迁移率与杂质浓度的关系1. 设 E EF 为 1.5k0T,分别用费米分布函数和玻尔兹曼分布函数运算电子占据该能级的概率；f E1解：费米分布函数为1e EEF / k 0T（ 2 分）当 E EF 等于 1.5k 0T 时, f 0.182 1 分 E EF玻耳兹曼分布函数为f B EekoT 2 分 当 E EF 等于 1.5k 0T 时, f 0.223 1 分 上述结果显示在费米能级邻近费米分布和玻耳兹曼分布有肯定的差距；2. 掺有 1.1 ×1016 cm-3 硼原子和 9×1015 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；解： 对于硅材料： ND =9×1015cm-3； N A 1.1 ×1016cm-3； 1 分 T 300k 时 ni=1.5 ×1010cm-3： 1 分 p0N AN D21015 cm3； 2 分 0nni1.51010 2cm 31.125105 cm 3p00.21016 2 分 3. 运算（1） 掺入 N D 为 1×1015 个/cm3 的施主硅,在室温（ 300K ）时的电子浓度n0 和空穴浓度 p0分别为多少？（其中本征载流子浓度n i=2×1010 个/cm3；）（2） 假如在（ 1）中掺入 NA =5×1014 个/cm3 的受主,那么 n0 和 p0 分别为多少？（3） 假如在（ 1）中掺入 NA =1×1015 个/cm3 的受主,那么 n0 和 p0 又为多少？ 1解：（ 1） 300K 时可认为施主杂质全部电离；就noN D11015 个/cm3（ 1 分）22Pni210104105 个/cm3Ono11015（ 1 分）（ 2）掺入了 NA=5×1014 个/cm3 的受主,那么同等数量的施主得到了补偿；就noN DN A110155101451014 个/cm 3210 2Pni210810 5 个/cm 3（ 1 分）Ono51014（ 1 分）（ 3）由于施主和受主相互完全补偿,杂质的掺杂不起作用；因此该半导体可看作是本征半导体（实际上不是）；就nopOni21010 个/cm3（ 2 分）4. 室温下,在本征硅单晶中掺入浓度为1015cm-3 的杂质硼后, 再在其中掺入浓度为3×1015cm-3的杂质磷；试求：（ 1）载流子浓度和电导率；（ 2）费米能级的位置；（注：电离杂质浓度分别为1015cm-3 、3×1015cm-3、 4×1015cm-3 时,电子迁移率分别为331300、1130 和 1000cm2/V.s,空穴迁移率分别为500、445 和 400cm2/V.s；在 300K 的温度下,k0T0.026eV , NC0.01019 cm, NV0.01019 cm, ni1.51010 cm 3 ）答：室温下,该半导体处于强电离区,就多子浓度2n031101521015 cm 3 2 分 少子浓度p0ni/ n01.125105cm3 ； 2 分 电导率qnn01.610 191000210150.32 /cm 2 分 EFEi（2）依据 n0ni exp 2 分 k0T可得 E FEi0.31eV所以费米能级位于禁带中心之上0.31eV 的位置； 2 分 5. 在一个匀称的 n 型半导体的表面的一点注入少数载流子空穴；在样品上施加一个50V/cm 的电场, 在电场力的作用下这些少数载流子在100s的时间内移动了 1cm,求少数载流子的漂移速率、迁移率和扩散系数；（kT=0.026eV ）解：在电场下少子的漂移速率为：v1cm100s104 cm / s 2 分 迁移率为：v10 4E50cm2 /V gs 2 分 kT22扩散系数为：D pq0.026200cm / s5.2cm / s 2 分 6. 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n有效质量 m* 和 mp*；运算 77k 时的 Nc 和 Nv ；已知 300k 时,Eg 0.67eV ；77k 时 Eg 0.76eV ；求这两个温度时锗的本征载流子浓度； 解 室温下, T=300k （ 27） ,k0=1.380 ×10-23J/K, h=6.625 ×10-34J ·S,对于锗： Nc 1.05 ×1019cm 3, Nv=5.7×1018cm3 ：依据（ 3 18）式：Nc2 2m* k30T 2h2 nm*Nc 322n 6.62510 34 2 1.0510192 325.096810 31 Kgh 3依据（ 3 23）式：32k0T223.141.3810 2318300 2 分 222Nv*2mkT p0m*h 2 Nv 326.62510 342 5.710 323.3917310 31 Kg3ph2k0T23.141.3810 23300 2 分 77k 时的 Nc 和 Nv ：*322m k T ' 2N'3n0ch3N3T ' T3c 2 ; N ' T' T3 2 Nc 77 23001.0510191.3651019nc22m* k T 2 0h3 1 分 同理：3Nvv' T ' 2 N T3 77 23005.710187.411017 1 分 300k 时的 ni：1ni NcNv 2expEg 1.0510195.71018 exp0.67 1.96101377k 时的 ni：2k0T0.052 2 分 1in NcNv 2expEg 1.0510195.71018 exp0.761.610 191.09410 72k0T21.3810 2377 2 分 7.运算含有施主杂质浓度N D 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； 解对于硅材料： N D=9×1015cm-3； NA 1.1 ×1016cm-3； T 300k 时 ni=1.5 ×1010cm-3：p0N AN D21015 cm3 ； 2 分 0nni1.51010 2cm 31.125105 cm 3 2 分 p00.21016 p 0N AN D 且 p 0Nvexp EVEF 2 分 N AN DNvexpEVEF k0TK 0T EFEvk0T lnN AN DNvEv0.026 ln0.21.110161910eV Ev0.224eV 2 分 8.试运算本征Si在室温时的电导率,设电子和空穴迁移率分别为1350cm2/V ·S和500cm2 /V ·S；当掺入百万分之一的As 后,设杂质全部电离,试运算其电导率；比本征Si的电导率增大了多少倍？ 解T=300K, , n1350cm2/V ·S, p500 cm 2/V ·Sni qnp 1.510101.602101913505004.45106 s/ cm 2 分 i掺入 As 浓度为 ND 5.00 ×1022×10-65.00 ×1016cm-3 1 分 杂质全部电离, N Dn 2 ,查图 4 14 可查此时 n900cm2/V ·S 2 分 2nqn510161.610199007.2S / cm 2 分 27.2661.6210 1 分 4.45109.n 型硅中,掺杂浓度ND1016cm-3,光注入的非平稳载流子浓度n p 1014cm-3；运算无光照和有光照时的电导率； 解n-Si,N D 1016cm-3, n p 1014cm-3,查表 4 14 得到：n1200,p400： 2 分 无光照：nqnN D qn10161.60210 1912001.92S / cmn p<<ND,为小注入：有光照： 2 分 'nnq n ppqp10161014 120010144001.60210191.945 S/ cm 2 分 10.掺施主杂质的ND 1015cm-3n 型硅,由于光的照耀产生了非平稳载流子n p1014cm-3；试运算这种情形下准费米能级的位置,并和原先的费米能级做比较； 解n-Si,N D 1015cm-3, n p 1014cm-3,n0NCexpECEF k0T0n1015EFEck0T lnNcEc0.026ln2.8eV1019Ec0.266eV 2 分 光照后的半导体处于非平稳状态：nn0nN CECFEnexpEFnEcn0k0T lnNck0TnEc0.026 ln10152.810141019eVEc0.264eV 2 分 nEFEF0.002eVppNVEvpEexpF pEEvk0Tk T lnpEv0.026 ln1014eVEv0.302eVF0Nv1.11019 2 分 室温下, EgSi1.12eV ；EFEc0.266eVEgEv0.266eV1.12eVEv0.266eVEv0.854eVEpEFF0.552eV 2 分 比较：由于光照的影响,非平稳多子的准费米能级En 与原先的费米能级E 相比较偏离不多,而非平稳勺子的费米能级pEF 与原先的费米能级FFEF 相比较偏离很大； 2 分