半导体物理综合练习题()参考标准答案
半导体物理试题及答案
半导体物理试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 半导体材料的导电能力介于导体和绝缘体之间，这是由于（）。
A. 半导体的原子结构B. 半导体的电子结构C. 半导体的能带结构D. 半导体的晶格结构答案：C2. 在半导体中，电子从价带跃迁到导带需要（）。
A. 吸收能量B. 释放能量C. 吸收光子D. 释放光子答案：A3. PN结形成的基础是（）。
A. 杂质掺杂B. 温度变化C. 压力变化D. 磁场变化答案：A4. 半导体器件中的载流子主要是指（）。
A. 电子B. 空穴C. 电子和空穴D. 光子答案：C5. 半导体的掺杂浓度越高，其导电性能（）。
A. 越好B. 越差C. 不变D. 先变好再变差答案：A二、填空题（每题2分，共20分）1. 半导体的导电性能可以通过改变其________来调节。
答案：掺杂浓度2. 半导体的能带结构中，价带和导带之间的能量差称为________。
答案：带隙3. 在半导体中，电子和空穴的复合现象称为________。
答案：复合4. 半导体器件中的二极管具有单向导电性，其导通方向是从________到________。
答案：阳极阴极5. 半导体的PN结在外加正向电压时，其内部电场会________。
答案：减弱三、简答题（每题10分，共30分）1. 简述半导体的掺杂原理。
答案：半导体的掺杂原理是指通过向半导体材料中掺入少量的杂质元素，改变其电子结构，从而调节其导电性能。
掺入的杂质元素可以是施主杂质（如磷、砷等），它们会向半导体中引入额外的电子，形成N型半导体；也可以是受主杂质（如硼、铝等），它们会在半导体中形成空穴，形成P型半导体。
2. 描述PN结的工作原理。
答案：PN结是由P型半导体和N型半导体结合而成的结构。
在PN结中，P型半导体的空穴会向N型半导体扩散，而N型半导体的电子会向P型半导体扩散。
由于扩散作用，会在PN结的交界面形成一个内建电场，该电场会阻止更多的载流子通过PN结。
半导体物理期末试卷四参考答案
半导体物理试卷四参考答案及评分标准一、选择题（每小题1分，共15分）二、填空题（每空1分，共10分）1. p A ；N A − p A2. 1/e3. N i T −32⁄4. 1qN D μn ⁄5. r n n (N t −n t )；r p pn t6. qN D ；−qN A7. d 2V (x )d 2x =−qN D εr ε0⁄⁄三、简答题（每小题6分，共30分）1. 从实际硅晶体角度和能带角度说明，什么叫本征激发？产生本征激发所需的能量必须符合什么条件？ 参考答案：从实际硅晶体角度来说，本征激发就是共价键上的电子被激发成为自由电子的过程。
（2分）从能带角度来说，本征激发就是价带电子被激发成为导带电子的过程。
（2分） 产生本征激发所需的能量必须大于等于带隙宽度。
（2分）2. 以n 型半导体为例，与非简并半导体相比较，简述简并半导体及其特征，包括杂质浓度、费米能级位置、导带中电子服从的统计分布、杂质电离情况、杂质电离能和禁带宽度变化。
参考答案：简并半导体杂质浓度更大。
费米能级与导带底重合甚至进入导带。
导带中电子服从费米分布。
室温情况下杂质不能充分电离。
杂质电离能和禁带宽度都减小。
会出现杂质带导电。
（每要点1分）3. 简述最有效复合中心的特点及其对非平衡载流子寿命的影响。
若有杂质元素硼、铝、磷、砷、金、铜可供选择，在制造硅光电开关器件时，需选择哪些元素进行掺杂，并简要说明原因。
参考答案：最有效复合中心对电子和空穴的俘获系数相等（1分）。
能级位置接近禁带中线（1分）。
最有效复合中心的存在将缩短非平衡载流子寿命（1分）。
在制造硅光电开关器件时，通常选取金、铜进行掺杂，因为它们在硅的禁带中引入深能级，而其它杂质如硼、铝、磷、砷在禁带中产生浅能级（3分）。
4. 简述平衡p -n 结有哪些特征？参考答案：平衡p-n 结特征：流过p-n 结的净电流为零(1分)；这时空间电荷的数量一定(1分)；空间电荷区的厚度一定(1分)；内建电场大小一定(1分)；势垒高度一定(1分)；有统一的费米能级(1分)。
半导体物理习题答案完整版
半导体物理习题答案 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】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：（2）能带底部和顶部电子的有效质量。
解：（1）由E(k)关系（1）（2）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：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。
2 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。
4 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：（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？8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？9 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。
半导体物理试题参考答案和评分标准
考试日期: 2004 年12 月28 日注：1、本试卷满分70分，平时成绩满分15分，实验成绩满分15分；2.、本课程总成绩=试卷分数+平时成绩+实验成绩。
一、选择填空（含多选题）（25分）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1014cm-3，同时掺有浓度为1.1×1015cm-3的磷，则电子浓度约为（ B ），空穴浓度为（ D），费米能级为（G）；将该半导体由室温度升至570K，则多子浓度约为（F），少子浓度为（F），费米能级为（I）。
（已知：室温下，n i≈1.5×1010cm-3，570K时，n i≈2×1017cm-3）A、1014cm-3B、1015cm-3C、1.1×1015cm-3D、2.25×105cm-3E、1.2×1015cm-3F、2×1017cm-3G、高于E i H、低于E i I、等于E i3、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p型半导体材料，掺杂浓度降低将导致禁带宽度（B（A）），本征流子浓度（B（C）），功函数（ C ）；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，减少掺杂浓度，将导致（ D ）靠近E i；A、E c，B、E v，C、E g，D、E F。
6、热平衡时，半导体中的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E D与费米能级E F相等时，电离施主的浓度为施主浓度的（ C ）倍；A、1，B、1/2，C、1/3，D、1/4。
半导体物理参考习题和解答
半导体物理参考习题和解答第一章1.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。
答:原子中的电子是在原子核与电子库伦相互作用势的束缚作用下以电子云的形式存在,没有一个固定的轨道;而晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子,在晶体周期性势场中运动。
当原子互相靠近结成固体时,各个原子的内层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层,和孤立原子一样;然而,外层价电子则参与原子间的相互作用,应该把它们看成是属于整个固体的一种新的运动状态。
组成晶体原子的外层电子共有化运动较强,其行为与自由电子相似,称为准自由电子,而内层电子共有化运动较弱,其行为与孤立原子的电子相似。
2.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。
答:引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用,使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时,可以不涉及半导体内部势场的作用。
惯性质量描述的是真空中的自由电子质量,而不能描述能带中不自由电子的运动,通常在晶体周期性势场作用下的电子惯性运动,成为有效质量3.一般来说, 对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此,为什么?答:不是,能级的宽窄取决于能带的疏密程度,能级越高能带越密,也就是越窄;而禁带的宽窄取决于掺杂的浓度,掺杂浓度高,禁带就会变窄,掺杂浓度低,禁带就比较宽。
4.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.是否如此,为什么?答:有效质量与能量函数对于K的二次微商成反比,对宽窄不同的各个能带,1(k 随k的变化情况不同,能带越窄,二次微商越小,有效质量越大,内层电子的能带窄,有效质量大;外层电子的能带宽,有效质量小。
5.简述有效质量与能带结构的关系;答:能带越窄,有效质量越大,能带越宽,有效质量越小。
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。
半导体物理第一至第五章自测题(含参考答案)
半导体物理第一~第五章自测题及参考答案[1]每立方厘米(cm3)体积的硅(Si)或锗(Ge)中，Si或Ge原子个数为5.00 × 1022个或4.42 × 1022个。
Si和Ge的外层电子结构分别为3s23p2和4s24p2。
它们的价带和导带是由sp3杂化轨道形成的准连续能级构成。
那么，1 cm3硅的导带(或价带)中，准连续能级的个数为 2 × 5.00 × 1022个。
1 cm3锗的导带(或价带)中，准连续能级的个数为2 × 4.42 × 1022个。
Si和Ge的外层价电子数均为4。
那么，1 cm3的Si和Ge中价电子数分别为4 × 5.00 × 1022个和 4 × 4.42 × 1022个。
在0 K温度下，这些价电子均填空在导带还是价带（答：价带）？此时，导带中电子数和价带空穴数均为0 ，半导体呈金属性还是绝缘性（答：绝缘性）？当存在本征激发时，本征Si和Ge 的导带和价带中就会产生电子和空穴，设导带电子浓度和价带空穴浓度分别为n0和p0，那么，电中性条件为n0 = p0。
本征载流子浓度用n i表示，室温下，Si的n i相较于Ge的n i更大还是更小（答更小）？n i随温度升高而迅速增加还是减小（答：增加）？导致本征半导体的电阻率随温度升高而增加还是减小（答：减小）？[2]如果将Si的能带图画成图1形式，那么，半导体中有杂质或/和缺陷吗（答：无）？半导体是无限大吗（答：是）？其中，E c代表导带底，E v代表价带顶。
带隙宽度为E c−E v。
如果导带顶部的能量为E cʹ，则导带的能带宽度为E cʹ−E c。
E c处电子的有效质量m n∗ A (A. > 0；B. < 0；C. = 0；D. 不确定)；E v处电子的有效质量m n∗ B (A. > 0；B. < 0；C. = 0；D.不确定)；E v处空穴的有效质量m p∗ A (A. > 0；B. < 0；C. = 0；D. 不确定)图1 Si的简单能带图图2 掺杂Si的简单能带图(虚线为杂质能级)能带越宽，则能带中电子的有效质量是越大还是越小（答：越小）？相较于内层电子轨道交叠形成的能带，外层电子轨道交叠形成的能带更宽还是更窄（答：更宽）？更宽能带中的电子对导电的贡献更小还是更大（答：更大）？[3]若Si中掺杂少量Ⅴ族元素如P、As、Sb，则能带图为图2中的a，相应的半导体是p型还是n型（答：n型）？若掺杂少量Ⅴ族元素如B、Al、Ga，则能带图为图2中的b。
半导体物理综合练习题(3)参考答案
1、晶格常数2.5?的一维晶格，当外加102V/m 和107V/m 电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需时间。
(1?=10nm=10 -10m ) 解：设电场强度为E.因为代入数据得6, 62 X 10 创2 X 1, 6 X IO -19 X 2. 5 X IO -10 X E 当:E=10s V/m 时昇=&3X10_s (s);E^107V/m 时"=8. 3X10J 13(S )S2、指出下图中各表示的是什么半导体E.r所以—吐?(取绝对值d/Ci击=I I II II II '3- E------ E.If& 3 X IO -6 ( s)4、若费米能E F =5eV ，利用费米分布函数计算在什么温度下电子占据 计算在该温度下电子分布概率 0.9~0.1所对应的能量区间。
解：由费卷分布函数 吕) E —E F&叫 7^5 "1) 其中 t ieV=l. 602XlQ-12erg^Q = L 38 X 10~1G erg/K = 8. 63X1O _S eV/K w 代人有关数 摘得f 5 — 5 H = -- ---------- - -------------- \ --------- '8. 63 X 10Y % 叫厂厉一1)由费米雷数可得当f = 0. 9时吊=+ & 63 X IO -5 X 1251 X In=— 24 (eV)= B E -t- 8. 63 X 1O _& X 1261 X In5、两块n 型硅材料，在某一温度T 时，第一块与第二块的电子密度之比为n i /n 2=e (e 是自然对数的底)(1) 如果第一块材料的费米能级在导带底之下3 k o T ，试求出第二块材料中费米能级的位置；(2) 求出两块材料中空穴密度之比p i /p 2。
E=5.5eV 能级的概率为1%。
并/(£：)= -------------- 1 + cxpj 可得=1261 CK) A -1)'解：设第 块和第二块材料的费农能级分別为巴:和E F —利用式(饥1)可得 t 一 Epj 、^T)--爲丁已知E FL =E 「3怂T,所以E 昭=耳一4為0即第二块材料的费米能级在导带底之下 4Ao K (2〉珥P\='吃=怔6、硼的密度分别为 N A1和N A2(N A1>N A2)的两个硅样品，在室温条件下(1)哪个样品的少子密度低 ?(2)哪个样品的 E F 离价带顶近？(3) 如果再掺入少量的磷 (磷的密度N'D < N A 2)，它们的E F 如何变化？解；为了使问题简单明确(半然也足实际一匸作中常遇到的悄况儿我们假定“AI 和为皿 郁远大于室温下的本征载流子密度•即讨论杂质饱和电离的悄况。
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半导体物理综合练习题()参考答案
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3 1、晶格常数2.5Å的一维晶格，当外加102V/m 和107V/m 电场时,试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需时间。
（1Å=10nm=10-10m ）
2、指出下图中各表示的是什么半导体?
3、如图所示，解释一下n 0~T 关系曲线。
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４、若费米能E F =5eV ，利用费米分布函数计算在什么温度下电子占据E=5.5eV 能级的概率为１％。
并计算在该温度下电子分布概率0.9~0.1所对应的能量区间。
５、两块n 型硅材料,在某一温度T 时，第一块与第二块的电子密度之比为n 1/n 2=e （
e 是自然对数的底） （１）如果第一块材料的费米能级在导带底之下３k 0T ，试求出第二块材料中费米能级的位置； （２）求出两块材料中空穴密度之比p 1/p 2。
5 6、硼的密度分别为N A1和N A2(N A1>N A2)的两个硅样品，在室温条件下: （１）哪个样品的少子密度低? （２）哪个样品的E F 离价带顶近?
（３）如果再掺入少量的磷(磷的密度N`D < N A2)，它们的E F 如何变化?
7、现有三块半导体硅材料，已知在室温下(３００K)它们的空穴浓度分别为p 01
=2.25×1016
cm -3、 p 02=1.5×1010cm -3 、p 03=2.25×104cm -3。
（１）分别计算这三块材料的电子浓度n 01 、n 02、 n 03； （２）判别这三块材料的导电类型；
（３）分别计算这三块材料的费米能级的位置。
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８、室温下，本征锗的电阻率为47Ω·c m ，试求本征载流子浓度。
若掺入锑杂质，使每106个锗原子中有一个杂质原子,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4.4×1022/cm 3，试求该掺杂锗材料的电阻率。
设µn =3600cm 2/(V·s)，µp =1700cm 2/(V·s)且认为不随掺杂而变化。
n i =2.5×1013cm -3。
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９、在半导体锗材料中掺入施主杂质浓度N D =1014cm -3，受主杂质浓度N A =7×1013cm -3，设室温本下本征锗材料的电阻率为ρi =60Ω·cm ，假设电子和空穴的迁移率分别为µn =3800cm 2/(V·s)，µp =1800cm 2/(V·s)
，若流过样品的电流密度为52.3mA/cm 2，求所施加的电场强度。
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１０、某n 型半导体硅，其掺杂浓度N D =1015cm -3，少子寿命τp =5µs ，若由于外界作用，使其少子载流子全部被清除(如反向偏压的pn 结附近)，试求此时电子-空穴的产生率是多大(设n i =1.5×1010
cm -3)？
１１、某p 型半导体中的掺杂浓度N A =1016cm -3，少子寿命τn =10µs ，在均匀光的照射下产生非平衡载流子，其产生率g=1018cm -3·s ，试计算室温时光照射情况下的费米能级并和原来无光照时的费米能级比较。
（设本征载流子浓度n i =1010cm -3）
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１２、下图为p 型半导体在光照射前后的三组能带图，问哪一组简图能正确地反映这一变化情况。
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１３、平衡pn 结有什么特点，画出势垒区中载流子飘移运动和扩散运动的方向。
１４、如图所示，p 型和n 型半导体材料接触结，试画出热平衡时的能带图，并标出势垒高度和势垒宽度。
１５、推导pn 结自建电动势方程
02ln A D D i
k T N N
V q n
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１６、有锗pn 结，设p 区的掺杂浓度为N A ，n 区的掺杂浓度为N D ，已知N D =102N A ，而N A 相当于108个锗原子中有一个受主原子，计算室温下接触电位差V D 。
若N A 浓度保持不变，而N D 增加
102
倍，试接触电位差的改变。