半导体物理总复习
半导体物理复习试题及答案(复习资料)
半导体物理复习试题及复习资料一、选择题1.与绝缘体相比，半导体的价带电子激发到导带所需要的能量（ B ）。
A. 比绝缘体的大B.比绝缘体的小C. 和绝缘体的相同2.受主杂质电离后向半导体提供（ B ），施主杂质电离后向半导体提供（ C ），本征激发向半导体提供（ A ）。
A. 电子和空穴B.空穴C. 电子3.对于一定的N型半导体材料，在温度一定时，减小掺杂浓度，费米能级会（ B ）。
A.上移B.下移C.不变4.在热平衡状态时，P型半导体中的电子浓度和空穴浓度的乘积为常数，它和（ B ）有关A.杂质浓度和温度B.温度和禁带宽度C.杂质浓度和禁带宽度D.杂质类型和温度5.MIS结构发生多子积累时，表面的导电类型与体材料的类型（ B ）。
A.相同B.不同C.无关6.空穴是( B )。
A.带正电的质量为正的粒子B.带正电的质量为正的准粒子C.带正电的质量为负的准粒子D.带负电的质量为负的准粒子7.砷化稼的能带结构是（ A ）能隙结构。
A. 直接B. 间接8. 将Si 掺杂入GaAs 中，若Si 取代Ga 则起（ A ）杂质作用，若Si 取代As 则起（ B ）杂质作用。
A. 施主B. 受主C. 陷阱D. 复合中心9. 在热力学温度零度时，能量比F E 小的量子态被电子占据的概率为（ D ），当温度大于热力学温度零度时，能量比F E 小的量子态被电子占据的概率为（ A ）。
A. 大于1/2B. 小于1/2C. 等于1/2D. 等于1E. 等于010. 如图所示的P 型半导体MIS 结构的C -V 特性图中，AB 段代表（ A ），CD 段代表（B ）。
A. 多子积累B. 多子耗尽C. 少子反型D. 平带状态11. P 型半导体发生强反型的条件（ B ）。
A. ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=i A S n N q T k V ln 0B. ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≥i A S n N q T k V ln 20 C. ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=i D S n N q T k V ln 0 D. ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≥i D S n N q T k V ln 20 12. 金属和半导体接触分为：（ B ）。
半导体器件物理复习纲要word精品文档5页
第一章 半导体物理基础能带：1-1什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？1-2试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。
1-3、试指出空穴的主要特征及引入空穴的意义。
1-4、设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E v (k)分别为：2222100()()3C k k k E k m m -=＋和22221003()6v k k E k m m =－；m 0为电子惯性质量，1k a π=；a ＝0.314nm ，341.05410J s -=⨯⋅，3109.110m Kg -=⨯，191.610q C -=⨯。
试求：①禁带宽度；②导带底电子有效质量；③价带顶电子有效质量。
题解：1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。
其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。
如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。
1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。
温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。
反之，温度降低，将导致禁带变宽。
因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。
1-3、准粒子、荷正电：+q ； 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； 、E P =-E n （能量方向相反）、m P *=-m n *。
空穴的意义：引入空穴后，可以把价带中大量电子对电流的贡献用少量空穴来描述，使问题简化。
1-4、①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝2023k m ＋2102()k k m -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝143k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min =2104k m ；由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0；并且E min ＝E V (k)|k=k max ＝22106k m ；∴Eg ＝E min －E max ＝221012k m ＝222012m a π ＝23423110219(1.05410)129.110(3.1410) 1.610π----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＝0.64eV②导带底电子有效质量m n2222200022833C d E dk m m m =+=；∴ 22023/8C n d E m m dk == ③价带顶电子有效质量m ’ 22206V d E dk m =-，∴2'2021/6V n d E m m dk ==- 掺杂：2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？2-4、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？题解：2-1、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。
半导体物理复习归纳
半导体物理复习归纳————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:一、半导体的电子状态1、金刚石结构（Ｓi、Ge）Si、Ge原子组成，正四面体结构，由两个面心立方沿空间对角线互相平移１/４个空间对角线长度套构而成。
由相同原子构成的复式格子。
2、闪锌矿结构（GaAｓ)３-5族化合物分子构成，与金刚石结构类似,由两类原子各自形成的面心立方沿空间对角线相互平移1/４个空间对角线长度套构而成。
由共价键结合,有一定离子键。
由不同原子构成的复式格子。
3、纤锌矿结构（ＺnＳ)与闪锌矿结构类似，以正四面体结构为基础,具有六方对称性,由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。
是共价化合物，但具有离子性，且离子性占优。
4、氯化钠结构（NaＣl)沿棱方向平移1／2,形成的复式格子。
5、原子能级与晶体能带原子组成晶体时,由于原子间距非常小,于是电子可以在整个晶体中做共有化运动，导致能级劈裂形成能带。
6、脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度。
价带上的电子激发为准自由电子，即价带电子激发为导带电子的过程,称为本征激发。
7、有效质量的意义a.有效质量概括了半导体内部势场的作用（有效质量为负说明晶格对粒子做负功)b.有效质量可以直接由实验测定c.有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比。
能带越窄,二次微商越小，有效质量越大。
8、测量有效质量的方法回旋共振。
当交变电磁场角频率等于回旋频率时,就可以发生共振吸收。
测出共振吸收时电磁波的角频率和磁感应强度,就可以算出有效质量。
为能观测出明显的共振吸收峰，要求样品纯度较高,且实验要在低温下进行。
9、空穴价带中空着的状态被看成带正电的粒子，称为空穴。
这是一种假想的粒子，其带正电荷+q，而且具有正的有效质量m p＊。
10、轻／重空穴重空穴:有效质量较大的空穴轻空穴：有效质量较小的空穴11、间接带隙半导体导带底和价带顶处于不同k值的半导体。
半导体物理复习资料
第一章 半导体中的电子状态1.导体、半导体、绝缘体的划分：Ⅰ导体内部存在部分充满的能带，在电场作用下形成电流；Ⅱ绝缘体内部不存在部分充满的能带，在电场作用下无电流产生； Ⅲ半导体的价带是完全充满的，但与之上面靠近的能带间的能隙很小，电子易被激发到上面的能带，使这两个能带都变成部分充满，使固体导电。
2.电子的有效质量是*n m ，空穴的有效质量是*p m ；**np m m -=，电量等值反号，波矢k 与电子相同 能带底电子的有效质量是正值，能带顶电子的有效质量是负值。
能带底空穴的有效质量是负值，能带顶空穴的有效质量是正值。
3.半导体中电子所受的外力dtdkh f ⋅=的计算。
4.引进有效质量的意义：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。
第二章 半导体中杂质和缺陷能级1.施主能级：被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级E D ；施主能级很接近于导带底；受主能级：被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级E A ；受主能级很接近于价带顶。
施主能级图 受主能级图2.浅能级杂质：杂质的电离能远小于本征半导体禁带宽度的杂质，电离后向相应的能带提供电子或空穴。
深能级杂质：能级位于禁带中央位置附近，距离相应允带差值较大。
深能级杂质起复合中心、陷阱作用；浅能级杂质起施主、受主作用。
3.杂质的补偿作用：半导体中同时含有施主和受主杂质，施主和受主先相互抵消，剩余的杂质发生电离。
在Ⅲ-Ⅴ族半导体中(Ga-As )掺入Ⅳ族杂质原子(Si )，Si 为两性杂质，既可作施主，亦可作受主。
设315100.1-⨯=cm N A ，316101.1-⨯=cm N D ；则316100.1-⨯=-=cm N N n A D 由p n n i ⋅=2，可得p 值；①p n ≈时，近似认为本征半导体，i F E E =；②p n μμ=时，本征电导p n σσ=； p n >>时，杂质能级靠近导带底；第三章 半导体中载流子的统计分布1.费米分布函数(简并半导体)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-+=Tk E E E f F 0exp 11)((本征)；⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-+=T k E E E f F 0exp 2111)((杂质)；玻尔兹曼分布函数(非简并半导体) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-=T k E A E f B0exp )(；2.费米能级：TF N F E ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂==μ；系统处于热平衡状态，也不对外界做功的情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化，等于系统的化学势，也就是等于系统的费米能级。
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隧道效应
单独的N型和P型半导体是电中性的,当这两 对于P型半导体和N型半导体结合面附近 种半导体结合形成PN结时，将在N型半导体和P 的电离施主和电离受主所带电荷称为空间电 型半导体的结合面上形成如下物理过程: 荷，它们所在的区域称为空间电荷区。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也 因浓度差 称耗尽层。 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内建电场 内建电场促使少子漂移 内建电场阻止多子扩散
本征半导体： 不含杂质且结构非常完整的单晶半导体。 本征激发： 共价键上的电子激发成为准自由电子，亦即价带电子吸收能量被激发到 导带成为导带电子的过程，称为本征激发
有效质量的特点
决定于材料； E ② mn*只在能带极值附近有意义; ③ mn*可正可负; 在能带底部附近，E(k)曲线开口向上，d2E/dk2>0， mn*>0; 0 在能带顶部附近，E(k)曲线开口向下， 1/2 v a d2E/dk2<0， mn*<0; ④ mn*大小与能带宽窄有关; 0 内层:能带窄, d2E/dk2小, mn*大； 外层:能带宽, d2E/dk2大, mn*小. mn 因而，外层电子在外力作用下可以获得 + * 较大的加速度。 ⑤ 对于带顶和带底的电子,有效质量恒定。 0
本征区
● 饱和电离区的确定
载流子浓度随温度、掺杂浓度的变化规律 费米能级位置随温度、掺杂浓度的变化情况
图3-3、3-7、3-10、3-11、3-13、3-14、3-15
第四章
一、电导率、迁移率、电导率和平均自由 时间的关系 二、载流子的散射
1.电离杂质的散射：低温、掺杂浓度高 2.晶格散射：高温、掺杂浓度低
高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，则不能提 供电子或空穴，这种情况称为杂质的高等补偿。
半导体物理总复习
禁带宽度：导带底与价带顶之间的能量差
3.电子的有效质量
（1） 晶体中的电子在外加电场作用下，电子除受外电场
的作用力，还受到内部原子核和其它电子的作用力，但
内部势场的作用力难以精确确定。电子的有效质量将晶 体导带中电子的加速度与外加作用力联系起来，电子有 效质量概括了晶体中内部势场对电子的作用力。这样仍 能用经典力学的方法来描述晶体中电子运动规律。即：
5.不同温区载流子浓度和费米能级的计
强电离区
n型半导体
n0 N D ni2 p0 n0 p0 N A ni2 n0 p0
当N D N A时： n0 N D N A
补偿型半导体
ni2 p0 n0 当N D N A时 p0 N A N D ni2 n0 p0
间接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波矢不相同
二. 基本公式
有效质量
2 h m* 2 d E dk 2
速度：
1 dE h dk
例1、 一维晶体的电子能带可写为，
7 1 E（k ) ( coska cos2ka) 2 8 ma 8
式中a为晶格常数，试求
1、能带宽度； 2、电子在波矢k状态时的速度； 3、能带底部电子的有效质量； 4、能带顶部空穴的有效质量；
n p 中处于准平衡分布，可以有各自的费米能级 E F 和E F
称为准费米能级，准费米能级分离的程度，即
E E
n F
p F
的大小，反映了与平衡态分离的程度
4. 解释载流子的产生和复合，直接复合，间接复合，复合率 产 生：电子和空穴被形成的过程，如电子从价带跃迁到导 带，或 电子从杂质能级跃迁到导带的过程或空穴从
2
1、由
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第一章 半导体中的电子状态1. 如何表示晶胞中的几何元素？规定以阵胞的基矢群为坐标轴，即以阵胞的三个棱为坐标轴，并且以各自的棱长为单位，也称晶轴。
2. 什么是倒易点阵（倒格矢）？为什么要引入倒易点阵的概念？它有哪些基本性质？ 倒格子： 2311232()a a b a a a π⨯=⋅⨯3122312()a a b a a a π⨯=⋅⨯1233122()a a b a a a π⨯=⋅⨯倒格子空间实际上是波矢空间，用它可很方便地将周期性函数展开为傅里叶级数，而傅里叶级数是研究周期性函数的基本数学工具。
3. 波尔的氢原子理论基本假设是什么？（1）原子只能处在一系列不连续的稳定状态。
处在这些稳定状态的原子不辐射。
（2）原子吸收或发射光子的频率必须满足。
（3）电子与核之间的相互作用力主要是库仑力，万有引力相对很小，可忽略不计。
（4）电子轨道角动量满足：h m vr nn π== 1,2,3,24. 波尔氢原子理论基本结论是什么？ （1） 电子轨道方程：0224πεe r mv = （2） 电子第n 个无辐射轨道半径为：2022meh n r n πε= （3） 电子在第n 个无辐射轨道大巷的能量为：222042821hn me mv E n n ε== 5. 晶体中的电子状态与孤立原子中的电子状态有哪些不同？（1）与孤立原子不同，由于电子壳层的交迭，晶体中的电子不再属于某个原子，使得电子在整个晶体中运动，这样的运动称为电子共有化运动，这种运动只能在相似壳间进行，也只有在最外层的电子共有化运动才最为显著。
（2）孤立原子钟的电子运动状态由四个量子数决定，用非连续的能级描述电子的能量状态，在晶体中由于电子共有化运动使能级分裂为而成能带，用准连续的能带来描述电子的运动状态。
6. 硅、锗原子的电子结构特点是什么？硅电子排布：2262233221p s p s s锗电子排布：22106262244333221p s d p s p s s价电子有四个：2个s 电子，2个p 电子。
半导体物理学期末总复习
态密度
导带底附近状态密度（理想情况）
V 2 dz 3 4 k dk 4
2 2
k E (k ) EC * 2mn
kdk
mn dE
2 1/ 2
*
V (2mn ) dz 2 3 2
* 3/ 2
( E EC ) dE
态密度
dz V (2mn* )3/ 2 1/ 2 gc ( E ) 2 ( E E ) C 3 dE 2
k u * mn
自由电子的速度
微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p E 2m0
i ( K r t )
2
p K E hv
k u m0
(r, t ) Ae
半导体中电子的加速度
半导体中电子在一强度为 E的外加电场作用 下，外力对电子做功为电子能量的变化
u
dE fds fudt
的体积 前两者相乘得状态数 dz 根据定义公式求得态密度 g ( E )
k 空间中的量子态
/ 8 ） 在 k 空间中，电子的允许能量状态密度为V （ ， 考虑电子的自旋情况，电子的允许量子态密度 3 / 4 ） 为V （ ，每个量子态最多只能容纳一个电子。
3
nx k x 2 (nx 0, 1, 2, ） L ny k y 2 (ny 0, 1, 2, ） L nz k z 2 (nz 0, 1, 2, ） L
K空间等能面
在k=0处为能带极值
k E (k ) E (0) * 2mn
2 2
导带底附近
k E(k ) E(0) * 2mp
2 2
价带顶附近
K空间等能面
kz 为坐标轴构成 k 空间， 以 kx 、k y 、 k 空间 任一矢量代表波矢 k
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3、禁带宽度1.424eV,直接带隙半导体。
半导体物理总复习
二. 基本公式
有效质量 速度：
m*
h2 d 2E
dk 2
1 dE
h dk
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例1、 一维晶体的电子能带可写为，
E （ k)2 (7co ks a1co 2ks)a
图2所示的E-k关系曲线表示出了两种可能的价带， 则价带（ B带 ）对应的空穴有效质量大。
图1
图2 半导体物理总复习
4.空穴：空穴是几乎被电子填满的能带中未被电子占据的 少数空的量子态，这少量的空穴总是处于能带顶附近。是 价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带顶的 电子空位。把半导体中的空穴看成一个带有电荷为+q，并 以该空状态相应的电子速度v(k)运动的粒子，它具有正的 有效质量，价带中大量电子的导电作用可以用少数空穴的 导电作用来描写。
能带形成的定量化关系
E-K关系图
E-K关系图的简约布里渊区
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（1）越靠近内壳层 的电子，共有化运动 弱，能带窄。
（2）各分裂能级间 能量相差小，看作准 连续
（3）有些能带被电 子占满（满带），有 些被部分占满（半满 带），未被电子占据 的是空带。
原子能级
半导体物理总复习
能带
2、半导体的导带，价带和禁带宽度
同于电子的惯性质量m0
因为导带底部E(k)有极小值，所以导带底电子的有效质
量为正值。
d 2E 0 dk 2
因为价带顶顶部E(k)有极大值，所以价带顶电子的有效
质量为负值
d 2E dk 2
0
半导体物理总复习
有效质量： m
* n
2 d 2E
与E(k)曲线的曲率半径成正比
dk 2
在半导体同一能带的不同位置（k不同），有效质量可能
f外 mn*a
半导体物理总复习
（3）电子的有效质量与晶体的能带结构有关 利用有效质量可以对半导体的能带结构进 行研究
（4）有效质量可以通过回旋共振实验测得，并 椐此推出半导体的能带结构
m
* n
h2 d 2E
dk 2
半导体物理总复习
：
m
* n
h2 d 2E
dk 2ห้องสมุดไป่ตู้
m
* n
叫做电子的有效质量，因为具有质量的量纲，但不
2) 图中哪个能带上的电子有效质量最小？ 3）第II能带上空穴的有效质量mp*比第III能带上
的电子有效质量mn*大还是小？(同一个K) 4) 当k为何值时，能带I和能带II之间，能带II和能
带III之间发生跃迁需要的能量最小？
半导体物理总复习
讨论题2 图1所示E-k关系曲线表示出了两种可能的导带， 则导带，（ B带 ）对应的电子有效质量较大
m2a8
8
式中a为晶格常数，试求
1、能带宽度；
2、电子在波矢k状态时的速度；
3、能带底部电子的有效质量；
4、能带顶部空穴的有效质量；
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1、由 dE(k) 0 dk
得 k n （n=0，1，2…） a
进一步分析
k (2n1)
a
（n=0，1，2……）时，E（k）有极大值，E（k)
22 MAX ma2
a
a
金刚石结构
闪锌矿结构
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第一章
一、基本概念
1. 能带，允带，禁带，K空间的能带图 能带: 在晶体中可以容纳电子的一系列能级 允带：分裂的每一个能带都称为允带。 禁带：晶体中不可以容纳电子的一系列能级 K空间的能带图：晶体中的电子能量随电子波矢k的
变化曲线，即E（K）关系。
半导体物理总复习
导带
Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 禁带宽度：导带底与价带顶之间的能量差
半导体物理总复习
3.电子的有效质量
（1） 晶体中的电子在外加电场作用下，电子除受外电场 的作用力，还受到内部原子核和其它电子的作用力，但 内部势场的作用力难以精确确定。电子的有效质量将晶 体导带中电子的加速度与外加作用力联系起来，电子有 效质量概括了晶体中内部势场对电子的作用力。这样仍 能用经典力学的方法来描述晶体中电子运动规律。即：
半导体物理复习
半导体物理总复习
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
金 刚 石 晶 体 结 构和共价键 Si：a=5.43A; Ge:a=5.66A ; -SiC:a=4.35A， 金刚石 a=3.567A 每一个Si(或Ge)原子有四个近邻原子，构成四个共价键。 Ⅲ-Ⅴ族和大部分Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体属于闪锌矿结构
Eg随温度增加而减小
Eg(T)Eg(0)TT2
E g ( 0 ) 1 .170 eV 4 .73 10 4 eV / K 636 K
硅
Eg (0) 0.743eV
4.774104eV / K 235K
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锗
砷化镓（GaAs)能带结构
1、导带极小值位于布里渊区中心，等 能面是球面，导带底电子有效质量为 0.067m0。在L和X点还各有一个极小值， 电子的有效质量分别为0.55m0和0.85m0. ,L,X三个极小值与价带顶的能量差分别 为1.424eV,1.708eV,1.90eV。 2。有三个价带，重空穴的有效质量
k 2n
a
（n=0，1，2……）时，E（k）有极小值 E(k) 0 MIN
所以布里渊区边界为
k (2n1)
a
（n=0，1，2……）
半导体物理总复习
1.能带宽度为
不同。
在同一半导体中k相同的不同能带处，（k相同，En不 同），有效质量可能不同。
能带越窄，有效质量越大（内层电子），能带越宽，有 效质量越小（外层电子）。
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讨论题1
1. 一维晶格能量E与波矢k的关系如图所示。分 别讨论下列问题：
1）假设电子能谱和自由电子一样，写出与简约 波 矢k=1/4a对应的A（第I能带），B (第II能 带)和 C (第III能带)三点处的能量E。
5。直接带隙半导体和间接带隙半导体
直接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波矢相同
间接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波矢不相同
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1.6硅、锗的能带结构
Ge： [111]能谷 为导带底
Si：
[100]能谷 为导带底
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禁带
硅：Eg=1.12eV, 间接带隙半导体 室温 锗：Eg=0.67eV, 间接带隙半导体