半导体物理作业
半导体物理试卷及答案
《半导体物理》课程考试试卷（A ）开课二级学院: , 考试时间: 年____月____日时考试形式：闭卷√、开卷□, 允许带计算器入场一、选择题（每小题2分, 共10分）1.室温下一硫化镉样品的可动载流子密度为, 迁移率为, 则此样品的电导率是。
A. 16B. 17C. 18D. 192.一块长的硅片, 横截面是, 用于测量电子迁移率。
已知掺杂浓度为, 测得电阻值为, 则其电子迁移率为。
A. 1450B. 550C. 780D. 13903.室温下, 费米分布函数在处的值为A. 0B. 0.5C. 0.56D. 14.对某块掺杂硅材料在整个温度范围内测量霍尔系数, 结果均为, 则该材料的导电类型为A. N型B. P型C. 本征D. 不确定5.一个零偏压下的PN结电容, 每单位面积的耗尽层电容, 硅的介电常数为, 则耗尽层宽度是A. B. C. D.二、判断题（每小题2分, 共10分）1.载流子的扩散运动产生漂移电流。
（）2.简并化半导体的主要特点是掺杂浓度很低。
（）3.SiC是宽带隙的半导体材料。
（）4.弗仑克尔缺陷是指空位和间隙原子成对出现的缺陷。
（）5.对于窄禁带半导体材料, 热电击穿是重要的击穿机制。
（）三、填空题（每空2分, 共10分）1.有效的陷阱中心能级在附近。
2.一定温度下, 非简并半导体的热平衡载流子浓度的乘积= 。
3.最初测出载流子有效质量的实验名称是。
4.金属半导体接触可分为两类, 分别是和欧姆接触。
5.不含任何杂质和缺陷的理想半导体称为半导体。
四、名词解释（每小题4分, 共8分）1.耿氏效应2.准费米能级五、简答题（每小题8分, 共16分）1、解释什么是深能级杂质和浅能级杂质？硅中掺入的硼属于哪一种杂质？硅中掺入的金属于哪一种杂质, 起什么作用？2.简述费米分布函数和玻尔兹曼分布函数的区别。
六、计算：（共12分）假设在PN结的两侧有相同和均匀的掺杂, , 计算单位面积的非补偿施Array主离子的数量。
半导体物理学作业及参考答案2
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。
半导体物理练习题
半导体物理练习题一、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. 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1014cm－3，同时掺有浓度为1.1×1015cm－3 的磷，则电子浓度约为（），空穴浓度为（），费米能级（）；将该半导体升温至 570K，则多子浓度约为（），少子浓度为（），费米能级（）。
（已知：室温下，ni ≈1.5×1010cm－3，570K 时，ni≈2×1017cm－3） A. 1014cm－3 C. 1.1×1015cm－3 E.1.2×1015cm－3 G. 高于 Ei I. 等于 Ei 3. 施主杂质电离后向半导体提供（），受主杂质电离后向半导体提供（），本征激发后向半导体提供（）。
A. 空穴B. 电子B. 1015cm－3 D.2.25×1015cm－3 F. 2×1017cm－3 H. 低于 Ei4. 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（）。
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（）靠近 Ei。
A. Ec B. Ev C. Eg D. Ef6. 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（）有关，而与（）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. 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（）倍。
A. 1 B. 1/2 C. 1/3 D. 1/49. 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（）电流，漂移运动长生（）电流。
半导体器件物理作业
半导体器件物理作业半导体器件物理1. 画出pn结在零偏、正偏和反偏时的能带图2. 什么是耗尽区势垒电容、扩散电容？势垒电容：当所加的正向电压升⾼时，PN结变窄，空间电荷区变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容放电。
同理，当正向电压减⼩时，PN结变宽，空间电荷区变宽，结中空间电荷量增加，相当于电容充电。
加反向电压升⾼时，⼀⽅⾯会使耗尽区变宽，也相当于对电容的充电。
加反向电压减少时，就是P区的空⽳、N区的电⼦向耗尽区流，使耗尽区变窄，相当于放电。
PN结电容算法与平板电容相似，只是宽度会随电压变化。
扩散电容：在PN结反向偏置时，少⼦数量很少，电容效应很少，也就可以不考虑了。
在正向偏置时，P区中的电⼦，N区中的空⽳，会伴着远离势垒区，数量逐渐减少。
即离结近处，少⼦数量多，离结远处，少⼦的数量少，有⼀定的浓度梯度。
正向电压增加时，N区将有更多的电⼦扩散到P区，也就是P区中的少⼦----电⼦浓度、浓度梯度增加。
同理，正向电压增加时，N区中的少⼦---空⽳的浓度、浓度梯度也要增加。
相反，正向电压降低时，少⼦浓度就要减少。
从⽽表现了电容的特性。
PN结反向偏置时电阻⼤，电容⼩，主要为势垒电容。
正向偏置时，电容⼤，取决于扩散电容，电阻⼩。
频率越⾼，电容效应越显著。
在集成电路中，⼀般利⽤PN结的势垒电容，即让PN结反偏，只是改变电压的⼤⼩，⽽不改变极性。
在PN结反向偏置时，少⼦数量很少，电容效应很3什么是耗尽区产⽣-复合电流？复合电流：产⽣电流：4什么是隧道效应、雪崩效应？隧道效应：隧道效应由微观粒⼦波动性所确定的量⼦效应。
⼜称势垒贯穿。
考虑粒⼦运动遇到⼀个⾼于粒⼦能量的势垒，按照经典⼒学，粒⼦是不可能越过势垒的；按照量⼦⼒学可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另⼀边，粒⼦具有⼀定的概率，粒⼦贯穿势垒。
雪崩效应：雪崩倍增效应：如果碰撞电离过程发⽣很频繁，不断产⽣出电⼦-空⽳对，这是⼀系列相继的连锁过程，瞬间即可产⽣出⼤量的电⼦-空⽳对——雪崩倍增效应。
半导体物理学作业及参考答案1
因此本征 Si 的电导率为： i niq(n p ) 3.28106 S/cm
2）已知 Si 的原子密度，即浓度为 5.31022 / cm3 ，因此掺入 As 的浓度
为： ND 5.31022 106 5.31016 /cm3
已知杂质全部电离，且明显有 ND ni ，可判断为饱和电离区，即：
3.75 10 5 10.8
6.02 1023
/
343.3
0.611016
/
cm3
已知杂质全部电离，且明显有 N A ni ，可判断为饱和电离区，即：
p0
NA
0.611016 /cm3 ， n0
ni2 p0
p0 ，即少子电子导电可以忽略
根据题设，认为迁移率不随杂质浓度变化，即仍有 p 580 cm2/V s ，
则有： 1 1 0.0468 cm n0qn
3．该单晶
Ge
的体积为：V
120 5.92
20.3
cm3
因此
Sb
的掺杂浓度为：
ND
3.15 10 5 121.8
6.02 1023
/
20.3
7.681013 /cm3
已知本征载流子浓度为： ni 3.331013 /cm3
为： ND 4.5 /1.2 1022 106 3.751016 /cm3
已知杂质全部电离，且明显有 ND ni ，可判断为饱和电离区，即：
n0
ND
3.751016 /cm3 ，
p0
ni2 n0
n0 ，即少子空穴导电可以忽略
方华军半导体器件物理_第一次作业
4.势阱四 将势阱二中的v=linspace(0,0.01,N);换成以下语句：v1=linspace(0,-0.01,N/2); v2=linspace(-0.01,0,N/2);即可 程序如下：
N=100; A1=linspace(-2,-2,N);A2=linspace(1,1,N-1); C=diag(A1)+diag(A2,1)+diag(A2,-1); h=1.054*10^(-34);%普朗克常数 a=40*10^(-9);%势阱宽度 m=9.11*10^(-31);%电子质量 E=(h^2)*(pi^2)/(2*m*(a^2))/(1.6*10^(-19));%一阶波函数电子的能量 delta=a/N;%点间距 b=-(h^2)/(2*m)/(1.6*10^(-19));%系数 A=(E*(delta^2))/b; d=eye(N);
������ ������
端
边
界
已����� ������ = ������ ������ ，������ ������ = ������(������)
，
于
是
有
（3） 将函数泰勒级数展开，为
两式相加得
将上式带入（3）式，可得
上式可化为矩阵式 K������=B 其中
则������ = ������\������。 1. 势阱一
v1=linspace(0,0.01,N/2); v2=linspace(0.01,0,N/2); v=[v1,v2];%势阱函数
V=diag(v); q=1.6*10^(-19);%电子的电荷量
g=-1*q/b; G=g*V; B=C+D+G;%构建的系数矩阵 K=linspace(0,0,N); K(1)=0.01; K(N)=0.01;%初始条件 y=K/B;%求波函数 x=1:1:N; plot(x,y)%绘制波函数图像 text(40,0.013,'y(x)')
半导体物理作业
一：名词解释19、费米能级：非真实存在的能级，反映电子在能级上分布的一个参数。
20、间接复合：电子和空穴通过禁带（复合中心）的能级进行复合。
21、肖特基缺陷：一定温度下，晶格内一部分原子会获得能量，离开原来的位置，原来位置便成为空位。
只在晶体内形成空位而无间隙原子，这称为肖特基缺陷。
22、反阻挡层：金属与半导体接触时能带发生弯曲。
这里电子浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层。
23、本征界面态：由不饱和悬挂键形成的界面态。
24、受激辐射：能量为hv的光子照射进来，电子被这一光子激发而从E2能级跳到E1能级，并发射一个光子，称为受激辐射。
25、压阻效应：若对半导体施加应力时，半导体的电阻率要发生变化，这种现象称为压阻效应。
26、非晶态固体：固体中原子的排列不具有周期性，即不具有长程有序,称其为非晶态固体。
27、电子亲和能：真空的自由电子能级与导带底能级之间的能量差，也就是把导带底的电子拿出到真空去而变成自由电子所需要的能量。
28、金属功函数：金属的功函数表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。
29、pn结的扩散电容：当p-n结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应称为扩散电容，以C D表示。
30、势垒电容：当p-n结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应称为势垒电容，以C T表示。
二、填空题1、半导体的主要特征是：电阻率能在很大范围内变化2、半导体材料可以用来制作：压电、气敏、温度、压磁、压阻、光电等传感器。
4、光生伏特效应最重要的应用是：太阳能电池。
5、利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的：载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重要参数。
6、半导体科学却没有取得迅猛的发展，主要原因在于：半导体物理理论的不完善、半导体材料的不纯。
7、半导体材料工艺可概括为：提纯、单晶制备、杂质控制。
8、杂质包括：物理杂质、化学杂质。
半导体物理习题答案
半导体物理习题答案半导体物理是固体物理的一个重要分支，它研究的是半导体材料的物理性质及其在电子器件中的应用。
以下是一些常见的半导体物理习题及其答案。
习题一：半导体的能带结构问题：简述半导体的能带结构，并解释价带、导带和禁带的概念。
答案：半导体的能带结构由价带和导带组成，两者之间存在一个能量间隔，称为禁带。
价带是半导体中电子能量最低的能带，当电子处于价带时，它们是被束缚在原子周围的。
导带是电子能量最高的能带，电子在导带中可以自由移动。
禁带是价带顶部和导带底部之间的能量区间，在这个区间内不存在允许电子存在的能级。
半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，主要因为其禁带宽度较小，电子容易从价带激发到导带。
习题二：PN结的形成与特性问题：解释PN结的形成过程，并描述其正向和反向偏置特性。
答案：PN结是由P型半导体和N型半导体接触形成的结构。
P型半导体中存在空穴，而N型半导体中存在自由电子。
当P型和N型半导体接触时，由于扩散作用，P型中的空穴会向N型扩散，而N型中的电子会向P型扩散。
这种扩散导致在接触区域形成一个耗尽层，其中电子和空穴复合，留下固定电荷，形成内建电场。
正向偏置时，外加电压使内建电场减弱，允许更多的电子和空穴通过PN结，从而增加电流。
反向偏置时，外加电压增强了内建电场，阻碍了电子和空穴的流动，导致电流非常小。
习题三：霍尔效应问题：描述霍尔效应的基本原理，并解释霍尔电压的产生。
答案：霍尔效应是指在垂直于电流方向的磁场作用下，载流子受到洛伦兹力的作用，导致电荷在样品一侧积累，从而在垂直于电流和磁场方向上产生一个横向电压差，即霍尔电压。
霍尔效应的发现为研究材料的载流子类型和浓度提供了一种有效的方法。
霍尔电压的大小与电流、磁场强度以及材料的载流子浓度有关。
习题四：半导体的掺杂问题：解释半导体掺杂的目的和方法，并举例说明。
答案：半导体掺杂的目的是为了改变半导体的导电性能。
通过在纯净的半导体中掺入微量的杂质原子，可以增加或减少半导体中的载流子数量。
半导体物理作业
半导体物理作业第一章：半导体中的电子状态2．已知一维晶体的电子能带可写为式中，a 为晶格常数。
试求：（1）能带的宽度；（2）电子的波矢k 状态时的速度； （3）能带底部和顶部电子的有效质量。
第三章：半导体中载流子的统计分布 1．推导半导体的状态密度分布函数2.利用玻尔兹曼分布函数推导热平衡时半导体的载流子浓度：2并证明n0,p0满足质量作用定律：3．试用掺杂半导体的能带图解释说明右图中N型硅中载流子浓度随温度的变化过程。
并在图上标出低温弱电离区，中间电离区，强电离区，过渡区，高温本征激发区。
第四章：半导体的导电性1．半导体中有哪几种主要的散射机构，它们跟温度的变化关系如何？并从散射的观点解释下图中硅电阻率随温度的变化曲线。
第五章：非平衡载流子1.半导体因光照或电注入就可以产生非平衡载流子，从而在半导体中形成载流子的浓度梯度，产生载流子的扩散流，试分别从1）样品足够厚2）样品厚度一定两种条件推导相应的非平衡载流子浓度分布函数及相应的扩散流密度的表达式。
2.对于一个非均匀掺杂半导体，半导体中会产生一个内建电场，试说明内建电场的形成机制并推导载流子漂移运动与扩散运动之间的爱因斯坦关系式。
第六章：pn结1证明：平衡状态下(即零偏)的pn结E F=常数2.推导计算pn结接触电势差的表达式。
3.画出pn结零偏，正偏，反偏下的能带图4. 画出pn结零偏，正偏，反偏下的载流子分布图5. 理想pn结的几个假设条件是什么，推导理想pn结的电流电压方程，并画图示出。
6.由图所示，试说明影响pn结电流电压特性偏离理想方程的各种因素。
7. 计算理想突变pn结耗尽层内的内建电场、电势分布函数，并画图示出。
8.说明pn结势垒电容，扩散电容的来源并计算推导理想pn结势垒电容、扩散电容的表达式。
9.pn结的击穿有哪几种机制,试分别说明之.第7章金属和半导体接触名词解释：功函数（W m, W S）亲和能1．试画出以下四种情况下金属与半导体接触在零偏压情况下的能带图，并说明金属半导体接触势垒的形成机制。
半导体物理作业(七)答案
第七章金属和半导体的接触1. 基本概念1）什么是金属的功函数？答：金属费米能级的电子逸出到真空中所需要的能量，即()m F m E E W −=0。
其中E 0：真空中电子的静止能量，(E F )m ：金属的费米能。
随着原子序数的递增，金属的功函数呈周期性变化。
2）什么是半导体的电子亲和能？答：半导体导带底的电子逸出到真空中所需要的能量，即C 0E E −=χ。
其中E 0：真空中电子的静止能量，E C ：半导体导带底的能量。
3）以金属-n 型半导体接触为例，如果金属的功函数大于半导体的功函数，即W m >W s ，则半导体表面的空间电荷、电场和表面势垒具有什么特点？如果W m >W s ，又如何呢？答：金属-n 型半导体接触，如果W m >W s ，电子从半导体流向金属。
半导体表面形成正的空间电荷区，电场方向由体内指向表面，形成表面势垒。
在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内低很多，为高阻区域，称为阻挡层。
如果W m <W s ，电子从金属流向半导体，势垒区电子浓度比体内大很多，为高电导区，称为反阻挡层。
4）什么是表面态对势垒的钉扎？答：表面态密度存在时，即使不与金属接触，表面也会形成势垒。
高的表面态密度，可以屏蔽金属接触的影响，使半导体势垒高度几乎与金属的功函数无关，即势垒高度被高的表面态密度钉扎（pinned ）5）为什么金属-n 型半导体接触器件具有整流作用？答：外加电压V ，如果使金属的电势升高，由于n 型半导体高阻挡层为高阻区，外压V 将主要降落在阻挡层，则势垒下降，电阻下降。
反之，如果金属的电势下降，则势垒增高，势垒区电子减少（多子），电阻更高。
因此阻挡层具有类似于pn 结的整流作用。
6）以金属-n 型半导体接触为例，写出势垒宽度大于电子的平均自由程时，其扩散电流密度与电压的关系。
与pn 结的电流密度-电压关系比较，各自具有什么相同和不同的特点？答：金属-n 型半导体接触，扩散电流为⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=1kT qV sD e J J ，()T k qVr D D sD D e V V qN J 02/102−⎭⎬⎫⎩⎨⎧−=εεσ 与pn 结的电流密度-电压关系比较，二者均具有单向性的特征；所不同的是，金属-n 型半导体接触的反向电流随外加电压增加呈1/2次方增加，而pn 结的反向电流不随电压变化。
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半导体物理作业
第一章：半导体中的电子状态
2．已知一维晶体的电子能带可写为式中，a 为晶格常数。
试求：
（1）能带的宽度；
（2）电子的波矢k 状态时的速度； （3）能带底部和顶部电子的有效质量。
第三章：半导体中载流子的统计分布 1．推导半导体的状态密度分布函数
2.利用玻尔兹曼分布函数推导热平衡时半导体的载流子浓度：
2
并证明n0,p0满足质量作用定律：
3．试用掺杂半导体的能带图解释说明右图中N型硅中载流子浓度随温度的变化过程。
并在图上标出低温弱电离区，中间电离区，强电离区，过渡区，高温本征激发区。
第四章：半导体的导电性
1．半导体中有哪几种主要的散射机构，它们跟温度的变化关系如何？并从散射的观点解释下图中硅电阻率随温度的变化曲线。
第五章：非平衡载流子
1.半导体因光照或电注入就可以产生非平衡载流子，从而在半导体中形成载流子的浓度梯度，产生载流子的扩散流，试分别从1）样品足够厚2）样品厚度一定两种条件推导相应的非平衡载流子浓度分布函数及相应的扩散流密度的表达式。
2.对于一个非均匀掺杂半导体，半导体中会产生一个内建电场，试说明内建电场的形成机制
并推导载流子漂移运动与扩散运动之间的爱因斯坦关系式。
第六章：pn结
1证明：平衡状态下(即零偏)的pn结E F=常数
2.推导计算pn结接触电势差的表达式。
3.画出pn结零偏，正偏，反偏下的能带图
4. 画出pn结零偏，正偏，反偏下的载流子分布图
5. 理想pn结的几个假设条件是什么，推导理想pn结的电流电压方程，并画图示出。
6.由图所示，试说明影响pn结电流电压特性偏离理想方程的各种因素。
7. 计算理想突变pn结耗尽层内的内建电场、电势分布函数，并画图示出。
8.说明pn结势垒电容，扩散电容的来源并计算推导理想pn结势垒电容、扩散电容的表达式。
9.pn结的击穿有哪几种机制,试分别说明之.
第7章金属和半导体接触
名词解释：功函数（W m, W S）亲和能
1．试画出以下四种情况下金属与半导体接触在零偏压情况下的能带图，并说明金属半导体接触势垒的形成机制。
补充：相关章节的名词解释
1.有效质量，直接间隙半导体，简接带隙半导体，本征半导体，简并半导体，禁带变窄效应，施主杂质，受主杂质，杂质的补偿作用，K空间，状态密度，费米分布函数，玻尔兹曼分布函数，费米能级，准费米能级，本征能级，声子，激子，速度饱和效应，热载流子，非平衡载流子，平均自由时间，直接复合，间接复合，表面复合，俄歇复合，陷阱效应，复合中心，连续性方程，扩散长度，载流子寿命，空间电荷区（耗尽层），内建电场，势垒电容，扩散电容
2分别写出半导体Si, Ge, GaAs, GaN的禁带宽度大小，并计算出禁带宽度对应的波长大小。
指出其中哪些半导体为直接带隙半导体，并说明其为什么适合用做光电材料。