2022年期末复习题总结 .pdf

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1、第 1-2 章复习题1. 何谓导带、价带、禁带和有效质量？用能带理论解释金属、半导体和绝缘体的区别。答：价带： 0K条件下被电子填充的能量最高的能带(valence band) 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带(conductance band) 禁带：导带底与价带顶之间能带(forbidden band) 带隙：导带底与价带顶之间的能量差(band gap) 禁带宽度有效质量是将晶体中电子的加速度与外加的作用力联系起来，并且包含了晶体中的内力作用效果， 有效质量并不代表真正的质量， 而是代表能带中电子受外力时，外力与加速度的一个比例系数。在金属中，被电子填充的最高能带是不满的，

2、而且能带中电子密度很高， 和原子密度具有相同的数量级， 所以金属有良好的导电性。 对于绝缘体和半导体在绝对零度下， 被电子占据的最高能带是满的，成为满带， 满带上邻近能带则是空的，成为空带，满带和空带之间被禁带分开，由于没有不满的能带存在，所以他们不能导电。 二则的区别仅在与半导体的禁带宽度比较窄，在一定温度下， 电子容易以热激发的形式从满带激发到空带中，所以空带变成了不满带，可以导电。绝缘体的禁带宽度： 6ev，半导体的禁带宽度： 1ev 2. 何谓施主 (受主)杂质及其能级，深 (浅)能级、杂质电离？并画图表征上述能级图。答：半导体中掺入施主杂质后， 施主电离后将成为带正电离子，并同时向导

3、带提供电子，这种杂质就叫施主。施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离。例如，在Si中掺 P，P为族元素，半导体中掺入受主杂质后， 受主电离后将成为带负电的离子，并同时向价带提供空穴，这种杂质就叫受主。受主电离成为带负电的离子（中心）的过程就叫受主电离。受主电离前带不带电，电离后带负电。例如，在Si中掺 B。杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁） 称为杂质电离或杂质激发。 具有杂质激发的半导体称为杂质半导体根据杂质能级在禁带中的位置，杂质分为：浅能级和深能级杂质浅能级杂质能级接近导带底Ec或价带顶 Ev，电离能很小。深能级杂质能级

4、远离导带底Ec或价带顶 Ev，电离能较大3. 何谓费米能级和费米分布？电中性条件？质量作用定律？何谓简并半导体？杂质浓度、温度与上述之间的关系？精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 18 页答：根据量子力学，电子为费米子，服从费米分布TkEEFeEf011)(EF表示平衡状态的参数 -费米能级，它标志在T=0K时电子占据和未占据的状态的分界线。 即比费米能级高的量子态， 都没有被电子占据， 比费米能级低的量子态都被电子完全占据。本征半导体的电中性条件：在热平衡情况下，n=p 化学反应速率与反应物的有效质量成正比，这就是质量作用

5、定律。对于 n 型半导体， EF接近导带或进入导带中；对于p 型半导体，其 EF接近价带或进入价带中的半导体为简并半导体。EF在禁带中的半导体称为非简并半导体。非简并半导体：掺杂浓度较低简并半导体：掺杂浓度高4. 何谓迁移率、电导率、扩散电流、漂移电流？各自表达式？答：迁移率：电子和空穴的迁移率分别为：*pnnpnpqqmm*m 和 分别是有效质量和弛豫时间物理意义：单位电场强度下，载流子所获得漂移速度的绝对值。电导率：电子和空穴的电导率分别为：nnppnqnq扩散电流：由于存在载流子浓度梯度， 载流子将有浓度高的区域向浓度低的区域运动，形成扩散电流。为扩散系数=-=pnqDpqDn空穴的扩散

6、电流密度电子的扩散电流密度漂移电流：在外电场的作用下，载流子的定向移动形成的电流。=-npnpEE空穴漂移流密度电子漂移流密度精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 18 页5、 何谓非平衡载流子？寿命？何谓准费米能级？答：对半导体施加外界作用(光、电等 )，迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。 其中非平衡少子为非平衡载流子。 非平衡载流子寿命 ()又称少子寿命，是非平衡少子在复合前的平均存在时间；半导体中的电子系统处于热平衡状态，半导体中有统一的费米能级， 当外界的影响破坏了热平衡， 使半导体处于非平衡状态时，

7、 就不再存在统一的费米能级。引入导带费米能级作为电子准费米能级(EFn) ； 价带费米能级作为空穴准费米能级(EFp) exp()exp()exp()exp()FniniiTippiiTEEnnnKTVEEpnnKTV其中EFn 、EFp分别为电子和空穴的准费米能级6、何谓直接（间接）复合？（非）辐射复合？表面复合？答：直接复合 电子由导带直接跃迁到价带的空状态，使电子和空穴成对消失；间接复合 指主要通过复合中心的复合，在间接复合中，电子跃迁到复合中心的能级， 然后在跃迁到价带的空状态使电子和空穴成对消失。复合中心是指晶体中的一些杂质和缺陷。载流子复合时， 要释放出多余的能量。 以发出光子的形

8、式放出能量为辐射复合，将能量给予其他载流子为俄歇（Auger）复合，又叫非辐射复合。表面复合 -半导体表面发生的复合过程， 表面处杂质、 缺陷在禁带形成复合中心能级，半导体表面具有很强的复合少数载流子的作用。7. 画出热平衡 PN结的能带图，并能用费米能级或载流子漂移和扩散的理论解释PN结空间电荷区的形成？答： （1）.PN结空间电荷区的形成（热平衡系统费米能级恒定原理）在形成结之前 N型材料中费米能级靠近导带底， P型材料中费米能级靠近价带顶。当 N 型材料和 P型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - -

9、- - -第 3 页，共 18 页8、根据载流子扩散与漂移的理论分析PN 结的单向导电性，解释并能画出正、反偏压下 PN结的少子分布及电流分布？P76 答：正偏压使空间电荷区内建电势差由0下降到0V，减小了势垒高度有助于扩散通过PN 结，形成大的电流。反偏压使空间电荷区内建电势差由0上升到0V增高的势垒阻挡了载流子通过PN 结扩散，因此PN 结电流非常小。因此PN 结具有单向导电性。反向偏置 PN结的少子分布和电流分布10、金属结、欧姆接触？根据能带图说明欧姆接触的物理机制。P167答：金属结：金属和半导体接触形成的结欧姆接触：是指其电流-电压特性满足欧姆定律的金属与半导体接触。形成欧姆接触的

10、常用方法有两种， 其一是金属与 重掺杂 n 型半导体形成能产生隧道效应的薄势垒层，其二是金属与p 型半导体接触构成反阻挡层。其能带图分别如下：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 18 页一、选择填空（含多项选择）1. 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）A. 比半导体的大B. 比半导体的小C. 与半导体的相等2. 室温下，半导体Si掺硼的浓度为 1014cm3，同时掺有浓度为1.11015cm3的磷，则电子浓度约为（B） ，空穴浓度为（ D ） ，费米能级（ G ） ；将该半导体升温至 570K，则多子

11、浓度约为（ F） ，少子浓度为（ F） ，费米能级（ I ） 。 （已知：室温下， ni 1.5 1010cm3，570K时，ni 21017cm3） A. 1014cm3 B. 1015cm3 C. 1.11015cm3D. 2.25 1015cm3 E. 1.21015cm3 F. 21017cm3G. 高于 Ei H. 低于 Ei I. 等于 Ei 3. 施主杂质电离后向半导体提供（B） ，受主杂质电离后向半导体提供（A） ，本征激发后向半导体提供（ A,B） 。A. 空穴B. 电子4. 对于一定的半导体材料， 掺杂浓度降低将导致禁带宽度 （） ， 本征流子浓度（） ，功函数（ C） 。

12、A. 增加B. 不变C. 减少5. 对于一定的 n 型半导体材料，温度一定时，较少掺杂浓度，将导致（D）靠近Ei。 A. Ec B. Ev C. Eg D. Ef 6. 热平衡时，半导体中电子浓度与空穴浓度之积为常数，它只与（C,D ）有关，而与（ A,B ）无关。A. 杂质浓度B. 杂质类型C. 禁带宽度D. 温度7. 表面态中性能级位于费米能级以上时，该表面态为（A） 。A. 施主态B. 受主态C. 电中性8. 当施主能级 Ed与费米能级 Ef相等时，电离施主的浓度为施主浓度的 （C） 倍。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页

13、，共 18 页A. 1 B. 1/2 C. 1/3 D. 1/4 9. 最有效的复合中心能级位置在（）附近；最有利陷阱作用的能级位置在（）附近，常见的是（）的陷阱A. Ea B. Ed C. E D. Ei E. 少子F. 多子10. 载流子的扩散运动产生（ C）电流，漂移运动长生（ A）电流。A. 漂移B. 隧道C. 扩散11. MIS结构的表面发生强反型时，其表面的导电类型与体材料的（B） ，若增加掺杂浓度，其开启电压将（C） 。A. 相同B. 不同C. 增加D. 减少半导体的光学性质1. 画图说明半导体光吸收分类？描述本征吸收的形式和特点。答： 本征吸收的光子最低能量限：条件：hv Eg

14、 激子：光子能量 hv Eg，虽然电子已从价带激发， 但还不足以进入导带成为自由电子 ,因库仑作用仍然和价带中留下的空穴联系起来，形成束缚态，电子与空穴间的这种束缚态，称为激子。可自由运动，不产生电流。导致激子产生的光吸收称为激子吸收。 自由载流子吸收：当入射光的波长较长, 不足以引起带间跃迁或形成激子时,半导体中仍然存在光吸收。 自由载流子吸收是二级过程（伴随光子和声子） 杂质吸收：占据杂质能级的电子或空穴的跃迁所引起的光吸收。本征吸收（光子能量大于禁带宽度）激子吸收（光子能量略小于禁带宽度）自由载流子吸收（带内跃迁）杂质吸收（杂质能级之间的跃迁）晶格热振动吸收（长波段，与声子作用）半导体中

15、光吸收的EcEvhvEg精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 18 页1）中性杂质吸收：过程 I： 吸收光子后，中性施主上的电子可以从基态跃迁到导带；或中性受主上的空穴从基态跃迁到价带。过程 II： 中性施主上的电子或中性受主上的空穴，由基态跃迁到激发态，引起光吸收。2）电离杂质吸收 :电离施主上的空穴或电离受主上的电子，可以吸收光子跃迁到价带或导带。特征：对于浅施主或浅受主， 这种跃迁对应的光子能量与禁带宽度接近，将在本征吸收限的低能一侧引起光吸收，形成连续谱。 晶格振动吸收：远红外区，光子与晶格振动的相互作用引起的光吸收。

16、吸收机理：红外高频光波电场，使离子晶体的正负离子沿相反方向移动激发长光学波振动交变的电偶极矩其与电磁场相互作用， 导致光吸收。本征吸收的形式是直接跃迁和间接跃迁；a. 如果价带电子仅仅吸收了一个光子发生跃迁，则价带状态 A的电子只能跃迁到导带中的状态B，A、B 在 E( k)曲线上位于同一垂直线上，因而这种跃迁称为直接跃迁。间接带隙半导体能带结构简图（Ge ）直接带隙半导体能带结构简图（GaAs ）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 18 页b除了吸收光子外还与晶格交换能量的非直接跃迁，称为间接跃迁。2、何谓半导体光电导效应

17、？解释光电导的弛豫现象。答：光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应（又称为光电效应、光敏效应），即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。半导体接受光照后需要经过一段时间才能达到定态光电导率；同样，当光照停止后，光电流也是逐渐消失。 这种在光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象，称为光电导的弛豫现象。光电导弛豫过程的求解（光电导率随时间的变化关系）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 18 页3、画图说明光电伏特效应的产生机制。答：当光照射 p-n 结，只要入射

18、光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激发电子 -空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动， 在开路状态， 平衡时在 n 区边界积累光生电子， 在 p 区边界积累光生空穴， 产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在 p 区和 n 区之间产生了光生电压 UOC ，这就是 p-n 结的光生伏特效应。只要光照不停止，这个光生电压将一直存在。4、画图说明半导体光辐射跃迁过程（本征、非本征）。答：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 18 页5、画图描述光子与电子相互作用的物理过程答：精选学习资料

19、- - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 18 页第三章半导体光电探测器1.分析阶跃弱光照射下的光电导器件的响应过程，并说明降低光敏电阻噪声的途径。答： 1）弱光照射下光生载流子浓度方程弱光照条件下光电导响应的两个基本结论：响应时间 = 载流子寿命且为常数稳态光电导：与产生率成线性关系（与辐射通量成正比）阶跃光照时响应时间：（时域）2）光敏电阻噪声：cc ( )(1e)t /n tgcc ( )et /n tgcc ( )(1e)t /n tgcffcIfeMIRfkTiiii442nf2ngr2nr2n精选学习资料 - - - - - -

20、- - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 18 页减小噪声途径： a.光调制技术 b.致冷 c.合理偏置电路3.2 简述 pn 结、 PIN 和 APD三种光电二极管的结构及其光电探测的工作原理和特点。 P265答：Pn结:见期中前PIN: 普通的二极管由 PN结组成 .在 P和 N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征半导体层 , 组成的这种P-I-N 结构的二极管，目的是减小载流子扩散时间和结电容，改善光电二极管其频率特性。原理：两侧 P层和 N 层很薄，吸收入射光的比例很小，I 层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。I

21、层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率，从而使灵敏度得以提高。PIN光电二极管的特点：频带宽（可达10GHz ） ；灵敏度高；线性输出范围宽；噪声低不足： I 层电阻很大，器件的输出电流小，一般多为1uA 左右。APD工作原理：APD是利用 PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管，当光电二极管的 pn 结加相当大的反向偏压时， 在耗尽层内将产生一个很高的电场，它足以使在强电场区漂移的光生载流子获得充分的动能，通过与晶格原子碰撞产生新的电子 -空穴对。新的电子 -空穴对在强电场作用下， 分别向相反的方向运动，在运

22、动过程中又可能与原子碰撞再一次产生新的电子-空穴对。如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。这个过程就是APD的工作基础。雪崩光电二极管特点： 电流增益大； 灵敏度高；频率响应快， 带宽可达 100GHz ，可单光子探测；在微弱辐射信号的探测领域被广泛应用。I0NPP(N)光精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 18 页3.3 简述太阳能电池的工作原理及存在的问题。太阳电池 ,直接把太阳能转换成电能器件。利用各种势垒的光生伏特效应，也称光生伏特电池，简称光电池。太阳电池直接把太阳能转换成电能。优点：寿命长、效率高、性能可靠、成本低

23、、无污染。光电二极管和太阳电池基本工作原理相同，用于检测各种光辐射信号，一种重要的光探测器。半导体受到光照射，光子可能被吸收：a.若 hv=Eg ，则价带电子吸收光子跃迁到导带；b.若 hvEg ，除产生电子空穴对外，多余能量将以热的形式耗散掉；c.若 hvEg ，只有当禁带内存在合适杂质或物理缺陷引起的能态时，光子才会被吸收。影响太阳能效率的因素：（1） 光谱因素：要考虑半导体材料的禁带宽度与太阳光谱的匹配问题（2） 最大功率的考虑：（3） 串联电阻的影响：串联电阻为接触电阻和薄层电阻的总和（4） 表面反射的影响（5） 聚光技术第四章半导体发光器件4.1 根据能带图分析辐射复合的分类，并简述

24、俄歇复合及其分类。P282 答：（1）带间辐射复合带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半导体材料的禁带宽度。由于半导体材料能带结构的不同， 带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射合两种 : 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 18 页直接辐射复合对于直接带隙半导体， 导带极小值和价带极大值发生在布里渊区同一点，这种跃迁发生在 k 空间中的同一点，因此也成数值跃迁，如图a 所示。间接辐射复合在这种半导体中，导带极小值和价带极大值不是发生在布里渊区的同一地点，因此这种跃迁是

25、非竖直跃迁。 准动量守恒要求在跃迁过程中必须伴随声子的吸收或放出。（2）浅能级和主带之间的复合：浅能级施主与价带空穴或浅能级受主与导带电子之间的的复合（3）施主受主对（ D-A对）复合：施主 受主对复合是施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。在复合过程中发射光子的能量小于禁带宽度。也称为D-A对复合。（4）通过深能级的复合电子和空穴通过深能级复合时， 辐射的光子能量远小于禁带宽度，发射光的波长远离吸收边。（5）激子复合如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从价带激发。 但由于库仑作用，它仍然和价带中留下的空穴联系在一起，形成束缚状态。 这种被库仑能束缚在一起的电子 -空穴对就称为激子

26、。如果激子复合以辐射方式释放能量，就可以形成发光过程。俄歇(Auger)过程电子和空穴复合时将多余的能量传给其他的电子或空穴，这种形式并不伴随发射光子，成为俄歇复合。 获得能量的另一载流子再将能量已声子的形式释放出去，回到原来的能量水平精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 18 页4.2 根据 LED的基本能带结构阐述LED的基本结构和工作原理。P283 下图以带间辐射复合为例说明PN 结 LED的工作原理，当正向偏压加到PN结两端时，载流子注入穿越PN结，使得载流子浓度超过热平衡值，形成过量载流子。过量载流子复合，能量以光

27、的形式释放，在光子发射过程中，从偏压的电能量得到光能量，这种现象称为注入式电致发光。在PN结的 P 侧，注入的非平衡少数载流子电子从导带向下跃迁与价带中的空穴复合，发射能量为 Eg的光子，在 PN结的 N 侧，注入的非平衡少数载流子空穴与导带电子复合，同样发射能量为 Eg的光子。PN结电致发光能带图4.3 以 GaP基 LED为例分析掺杂可调整LED发光波长的发光机理。 4.4.5p4-p6 答:GaP是一种间接跃迁型半导体杂质，禁带宽度为2.3eV。GaP LED是通过禁带中发光中心来实现，掺入不同杂质，其发光机制不同，可发出不同颜色的光，室温下，对 GaP 发光起重要作用的是深能级的等电子

28、缺陷和激子，其中构成绿色发光中心的是氮，构成红色发光中心的是氧。GaP 绿光 LED 当 GaP中掺入 N 时，N 取代晶格上的 P，因为 N 和 P都是 V 族元素，它们的价电子数相同，因此称 N 为等电子杂质。 由于 N 对电子的亲和力远大于， 因而，它可以俘获电子， 形成电子的束缚状态等电子陷阱，俘获电子后， 又因库伦作用而俘获空穴，俘获的电子和空穴形成激子， 这种激子通过辐射复合消失时，在室温下发出 570nm 的绿光。4.4 简述半导体激光器受激发射的条件。P298 1、粒子数反转条件：处于高能态导带中的电子数多于低能态价带的空穴数。2、谐振腔：起光反馈作用，形成激光振荡；如：F-P

29、谐振腔。3、阈值条件：增益要大于总的损耗（内部损耗和输出损耗）。4.5 简述双异质结激光器的基本结构和工作原理。指出量子阱激光器、面发射激光器及分布反馈激光器的优点。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 18 页有源区 P-GaAs夹在两个宽带隙的 GaAlAs层之间，对于这种结构，由于它的对称性，不再局限于只有电子注入， 如果有源区宽度小于载流子的扩散长度，则绝大多数载流子在复合前都能扩散到有源区，当它们达到异质结时， 受到势垒的排斥会停在有源区， 如果有源区厚度 d 比载流子扩散长度小得多， 则载流子就均匀地将有源区填满

30、，所以在有源区中发生均匀复合，产生激光。第五章半导体制造技术1.简述半导体器件制造中的光刻、刻蚀、薄膜、掺杂等工艺技术。a. 图形转换：将设计在掩膜版上的图形转移到半导体单晶片上。其过程分为光刻、刻蚀两部分。光刻是指将光照到掩膜版上使掩膜版上的图形固定在光刻胶上。常见方法有：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻。刻蚀的目的是将光刻掩膜版上的图形精确地转移到晶圆表面。刻蚀工艺分为两大类：湿法和干法刻蚀。 无论哪种方法都要求一致性、 边缘轮廓控制、选择性、洁净度都符合要求。b. 薄膜制备技术：氧化工艺: 干氧氧化、湿氧氧化等 ;化学气相淀积：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程

31、。其分为常压化学汽精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 18 页相淀积、低压化学汽相淀积、 等离子增强化学汽相淀积等； 物理气相淀积：分为蒸发、溅射。c.掺杂：根据设计需要，将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触等。掺杂工艺分为扩散、离子注入两类。2 根据芯片制备流程图，简述PN结硅光电二极管的平面工艺制备过程。答： 制备平整、无缺陷的单晶硅片进行硅片表面的化学清洗，以去除硅片表面杂质氧化， 制备二氧化硅薄膜在表面上涂一层光刻胶，进行光刻曝光显影， 去除曝光后硅片上应去掉的那部分刻蚀，利用只对二氧化硅起腐蚀作用的腐蚀液进行刻蚀去胶刻孔利用硼进行P 型掺杂化学气相淀积二氧化硅膜二次光刻引线孔溅射法镀金属膜三次光刻金属电极。3.画图简述基本 LED制备的工艺过程。答：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 18 页9、何谓异质结、超晶格？画出异质结平衡时的能带图。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 18 页