2022年半导体物理试卷答案B .pdf

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1、第 1 页共 6 页南京理工大学紫金学院课程考试试卷（学生考试试卷）课程教学大纲编号：04020201 课程名称：半导体物理学分：3 试卷编号：B 考试方式：闭卷考试时间：120 分钟满分分值：100 组卷年月：2010.11 组卷教师：张俊举审定教师：钱芸生学生姓名：学号：本次考试可能使用的常量：单位电荷1.6 10-19C 普朗克常数6.62 10-34J s 玻尔兹曼常数1.38 10-23 K-1一、填空：（每空 1 分，共 15 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面体相互结合，属于金刚石结构；与 Ge 和 Si 晶格结构类似，两种不

2、同元素形成的化合物半导体通过共价键四面体还可以形成闪锌矿和纤锌矿等两种晶格结构。2)如果电子从价带顶跃迁到导带底时波矢k 不发生变化， 则具有这种能带结构的半导体称为直接禁带半导体，否则称为间接禁带半导体，那么按这种原则分类，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 （纵声学波形变势散射，纵声学波压电散射，极性光学波散射）、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很多途径，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

3、，当电压升高到某值时，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。6)与金属相比，半导体材料具有显著的霍尔效应。实验表明，在弱场条件下霍尔电场Ey与磁感应强度 Bz和电流密度jx的关系为Ey =RHBz jx。 在霍尔效应实验中， 常受到热磁效应的影响，需要消除，常见的热磁效应有能斯脱效应、爱廷豪森效应、 里纪 -勒杜克效应。二. 名词解释（每个3分，共 15分）共价键空穴本征半导体非简并半导体过剩载流子共价键：电负性相同的原子之间通过共享自旋配对的电子，带正电的原子核与集中在原子间的带负电的电子云相互吸引结合成晶体，这种结合力称为共价键。名师资料总结

4、 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 第 2 页共 6 页空穴：当满带顶附近产生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 v(k)的准经典粒子所产生的电流，这样的准经典粒子称为空穴。本征半导体：不含任何杂质的纯净半导体称为本征半导体，它的电子和空穴数量相同。非简并半导体：符合波尔兹满分布的半导体称为非简并半导体。过剩载流子：在光注入、电注入、高能辐射注入等条件下，半

5、导体材料中会产生高于热平衡时浓度的电子和空穴，超过热平衡浓度的电子n=n-n0和空穴 p=p-p0称为过剩载流子。三、简答题（ 30 分）1）半导体的热电效应主要有塞贝克效应，珀尔帖效应和汤姆逊效应。请问，何谓帕尔贴效应？请以金属和半导体接触为例，用你所学的半导体物理知识解释帕尔贴效应产生的机理。（10 分）解：帕尔帖效应：当电流由导体（或半导体）A 流向导体（或半导体）时，在两材料接触处将有吸热（或放热）的现象，称为帕尔帖效应。（5 分）假定金属和半导体的费米能级相同，接触后能带如图所示。当电子由金属向半导体运动时，遇到的势垒高度为CFEE。因此电子至少吸收CFEE的能量才能进入到半导体。进

6、入半导体后，电子要在半导体中流动还需要一定的能量，若电子从半导体进入金属时，需要放出相同的能量。（5 分）2）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决定，由电子数、空穴数的守恒原则，试写出载流子随时间的净变化率（pt）和（nt） ，并加以说明。（10 分）解：载流子随时间的净变化率（pt）和（nt）为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 第 3 页共 6 页22

7、()()()()ppGpnnGnpppDppttnnnDnntt（每个式子4 分，说明 2 分）右边第一项为扩散项，第二项为漂移项，第三项为产生，第四项为复合。注意为电场，是几何空间坐标的函数，该式为连续性方程. 3）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况，写出其电流密度方程，请解释为什么pn 结具有单向导电性？（ 10 分）解：在 p-n 结两端加正向偏压VF, VF基本全落在势垒区上，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，势垒高度由平衡时的qVD下降到 q(VD-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

8、边界的结累，使xTp处的电子浓度由热平衡值 n0p上升并向 p 区内部扩散，经过一个扩散长度Ln后， 又基本恢复到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p(xTn)，经 Lp 后，恢复到p0n。反向电压 VR在势垒区产生的电场与内建电场方向一致，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qVD增高到 q(VD+VR).势垒区电场增强增强，破坏了原来载流子扩散运动和漂移运动的平衡，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

9、，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。（6 分）电流密度方程：exp1DsBqVjjk T（2 分）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V 无关，它正比于少子浓度，数值是很小的，因此可以认为是单向导电。（2 分）四、计算题：（40 分）1、设晶格常数为a 的一维晶格， 导带极小值附近能量Ec（k）和价带极大值附近能量Ev（k）分别为：222200(1)( )3Ch kh kkEkmm和22221003( )6vh kh kE kmm；m0为电子惯性质量，k11/2a；a 0.314nm。试求：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -

10、- - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 第 4 页共 6 页禁带宽度；导带底电子有效质量；价带顶电子有效质量；价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。（ 10 分）解：禁带宽度Eg 根据dkkdEc)(0232mkh012)(2mkkh0；可求出对应导带能量极小值Emin的 k 值：kmin143k，由题中 EC式可得： EminEC(K)|k=kmin=2104kmh；由题中 EV式可看出，对应价带能量极大值Emax 的 k 值为： kmax 0；并且 EminEV(k)|

11、k=kmax02126mkh； EgEminEmax021212mkh20248amh112828227106. 1)1014.3(101 .948)1062. 6(0.64eV （4 分）导带底电子有效质量mn0202022382322mhmhmhdkEdC； mn022283/mdkEdhC（2 分）价带顶电子有效质量m 02226mhdkEdV，022261/mdkEdhmVn（2 分）准动量的改变量hkh(kmin-kmax)= ahkh83431（2 分）2、 Si 原子加到 GaAs 材料中，取代Ga原子成为施主杂质或取代As 原子成为受主杂质。假定Si 原子浓度为11310 cm

12、，其中 5%取代 As 原子， 95%取代 Ga 原子，并在室温下全部离化。求：施主和受主杂质浓度；电子和空穴浓度及费米能级位置；导电类型及电阻率。（ ni=1.6 106cm-3，n=8000cm2/VS, p=400cm2/VS ）（10 分）解： （1）取代 As 的 Si 为受主杂质，故受主杂质浓度为1193105%5 10 /ANcm（2 分）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 第 5 页共 6 页取代 G

13、a 的 Si 为施主杂质，故施主杂质浓度为111031095%9.5 10/DNcm（ 2 分）（2）施主杂质和受主杂质全部电离，DANN所以10309.010/DAnNNcm26230100(1.6 10 )28/9.0 10inpcmn因为0FiBEEK Tinne10069.0 10ln0.026ln0.2841.6 10FiBinEEK TeVeVn所以费米能级在在禁带中线上0.284eV 处（3 分）（3）DANN易知此材料为n 型半导体191001181701.61085009.0 10ncmqu n（3 分）3 在室温下，本征Ge的电阻率为47cm。试求：1)本征载流子的浓度，若

14、掺入锑杂质使每610个锗原子中有一个杂质原子；2)计算室温下电子浓度和空穴浓度。设杂质全部电离，锗原子的浓度为2234.410 cm；3)试求该杂质锗材料的电阻率。（设23600/nucmV s，21700/pucmV s且不随杂质变化。 ）解： （1）本征半导体的表达式为：1()inpn q uu1()inpnq uu11913347 1.602 103600 170012.5 10cm（3 分）施主杂质原子的浓度为22616314.4 10104.4 10DNcm因为杂质全部电离，故163014.4 10DnNcm（ 2 分）所以213210301602.5 1011.42104.410i

15、npcmn（ 2 分）其电阻率为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 第 6 页共 6 页1161914.4 101.602103600ninn qu23.94 10cm（3 分）4、 由电阻率为4cm.的 p 型 Ge和 0.4cm.的 n 型 Ge半导体组成一个p-n 结，计算在室温 （300K）时内建电势VD和势垒宽度xD。已知在上述电阻率下，p 区的空穴迁移率,./16502SVcmpn 区的电子迁移率SVcm

16、n./30002，Ge 的本征载流子浓度313/105.2cmni，真空介电常数.16,/1085.8120smF（10 分）解：153191114.34 100.4 1.6103600nnnnnnqncmq（ 2 分）143p191119.19 104 1.6 101700pppppqpcmq（ 2 分）2315142219131.38103004.34109.1910lnln0.22671.6102.5 10DiKTnpVVqn（3 分）1/114151242191051452 8.85 1016 0.2267 4.34 109.19 101.6 104.34 109.19 1072.27 10sDADDDAcmNNxVqN N（3 分）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -