北工大半导体物理历年真题

北工大半导体物理历年真题
北工大半导体物理历年真题

历年真题

第一章

1、Si、GaAs半导体材料的导带底、价带顶分别在k空间什么位置?其晶体结构和解理面分别是什么?哪个是直接带隙,哪个是间接带隙?(2006)

2、对于金刚石结构的硅Si和闪锌矿结构的砷化镓GaAs,在(111)晶面上,其原子面密度和面间距都是最大,为什么Si的解理面是(111),而GaAs不是?(2007)

3、半导体材料的禁带宽度Eg、N型半导体杂质激活能△Ed以及亲和势X分别表示半导体电子的什么状态特性?(2009年简答题7分)

4、与真空电子运动相比,半导体中电子的运动有何不同?(2009年简答题7分)

(1-9题63分,每小题7分(2010))Array 5、如图是一个半导体能带结构的E–k关系;

1)哪个能带具有x方向更小的有效质量?

2)考虑两个电子分别位于两个能带中的十字线

处,

哪个电子的速度更大些?

6、写出硅(Si)和砷化镓(GaAs)的晶体结构、禁带

宽度和解理面。?(2011年简答题6分)

第二章

3、高阻的本征半导体材料和高阻的高度补偿的半导体材料的区别是什么?(2006)

? 1 深能级杂质和浅能级杂质概念(西交大)

?1以硅为例,举例说明掺入浅能级和深能级杂质的目的和作用?(西电)

? 2.什么是浅能级杂质?什么是深能级杂质?列举出半导体硅中各一种杂质元素的例子。半导体中掺入这些杂质分别起什么作用? (2011)

第三章

?11、定性画出N型半导体样品,载流子浓度n随温度变化的曲线(全温区),讨论各段的物理意义,并标出本征激发随温度的曲线。设该样品的掺杂浓度为ND。比

较两曲线,论述宽带隙半导体材料器件工作温度围更宽。(2006-20分)

? 4、室温下,一N 型样品掺杂浓度为Nd ,全部电离。当温度升高后,其费米能级

如何变化?为什么?一本征半导体,其费米能级随温度升高如何变化?为什么?(2007)

?

4、一块N 型半导体,随温度升高,载流子浓度如何变化?费米能级如何变化?(2009)

?

7、定性说明掺杂半导体费米能级与掺杂浓度和温度的关系是怎样的?(2010)

?

10、(20分)设某一种半导体材料室温下(300 K )本征载流子浓度为1.0 × 1010 cm?3,价带和导带有效状态密度N V = N C = 1019 cm?3, ?

1) 求禁带宽度; ?

2) 如果掺入施主杂质N D = 1016 cm?3,求300 K 下,热平衡下的电子和空穴浓度; ?

3) 对于上面的样品,在又掺入N A = 2 × 1016 cm?3的受主杂质后,求新的热平衡电子和空穴浓度(300 K )。 ?

4)求3)中,费米能级的位置E F ? E i ; (2010)

?

9.(10分 2011) 已知某半导体材料中n 型杂质浓度为N D , ?

p 型杂质浓度为N A ,假设杂质完全电离, ?

证明半导体中电子浓度: ?

11.(20分-2011) 对于一块掺杂浓度为N D 的N 型半导体材料,

(1)示意画出电子浓度n 0随温度的变化曲线,并在图中同时画出

本征半导体浓度n i 随温度变化的曲线;

(2)若掺杂浓度N D 提高,载流子浓度随温度变化曲线如何变化?

0()2D A N N n -=+

(3)示意地画出N型半导体费米能级随温度的变化,并简单解释;

(4)在n0随温度变化的曲线上,哪段温度的影响对材料电阻率起到

增加的作用?为什么?

第四章

4、半导体中主要的两种散射机构是什么?在有多种散射机构存在的情况下,为什么迁移率主要由自由时间短的机理决定?(2006)

9、(16分)在T=300K下,一N型半导体Si样品,测得的电阻率为0.1Ω-cm。

(1)求此时的电子浓度和空穴浓度(查图)。

(2)若在此样品中,再掺入9?1016cm-3P型杂质,求此时样品的电阻率、多子浓度和少子浓度。并求出此时多子的迁移率(查图)。(2006)

6、一N型硅样品杂质浓度为ND1,经扩硼B后(掺杂浓度为NA)样品变为P型;再经扩磷P(杂质浓度为ND2)样品又变为N型,此时载流子浓度为多少?与未扩散前的N型样品相比,迁移率有何变化?

7、半导体的电阻率通过掺杂可以敏感地控制,“掺入百万分之一的杂质,可以引起电阻率百万倍变化”,以硅为例,忽略掺杂对迁移率的影响,粗略估算证明之。

9、(16分)什么是载流子的迁移率?迁移率与载流子的平均自由时间成正比。有两种载流子的散射机构,平均自由时间分别为τ1,τ2,如果τ1〉τ2,总迁移率是不是由τ1散射机构决定?解释之。

12、(18分)当温度升高时,本征半导体的电阻率与金属的电阻率随温度变化有何不同?为什么?一块N型样品的电阻率随温度的变化又如何?解释之

11、(13分)

1) 什么是载流子的迁移率?影响迁移率的主要散射机理有几种。讨论载流子类型、掺杂和环境温度对迁移率的影响关系。

2) 论述用霍尔效应测量载流子迁移率的实验方法。(2010)

8. (16分) 已知T = 300K 时的硅热平衡空穴浓度为p 0 = 2 ? 105 cm?3,

– 求热平衡电子浓度。该材料是n 型还是p 型半导体?

– 若再向该材料中掺入N A = 1 ? 1013 cm?3的受主杂质,此时的电子和空穴浓

度分别是多少?

– 假设该材料电子和空穴的迁移率不变,计算掺杂前后电阻率变化。(2011)

– (1)热平衡电子浓度n 0 = n i2/p 0 = (1.5 × 1010)2 / 2.5 × 105 = 9 × 1014 cm?3

∵ n 0 > p 0, ∴ 该材料是n 型半导体

(2)再掺杂后,n 0,1 = N D – N A = 9 × 1014 – 1 × 1013 = 8.9 × 1014 cm?3

p 0,1 = n i2/n 0,1 = (1.5 × 1010)2 / 8.9 × 1014 = 2.53 × 105 cm?3

(3)初始电阻率ρ0 = ( 1/n 0q μn),再掺杂后电阻率ρ1 = 1/n 0,1q μn

ρ1/ρ0 = n 0 /n 0,1 = 9/8.9 = 1.01 即电阻率变为原来的1.01倍,或增加了1%

十、(10分) 什么是载流子的迁移率?假定半导体存在三种散射机制。只存在第一种散射机制时的迁移率是2000 cm2/Vs ,只存在第二种散射机制时的迁移率是1500 cm2/Vs ,只存在第三种散射机制时的迁移率是500 cm2/Vs ,求总迁移率。(2011)

根据多散射机构各散射几率与平均自由时间的关系可以得到总迁移率μ的倒数

1/μ = 1/μ1 + 1/μ2 + 1/μ3

∴ μ = 1/(1/μ1 + 1/μ2 + 1/μ3) = 1/(1/2000 + 1/1500 + 1/500) = 315.8 cm2/Vs

第五章

? 11、(15分)光均匀照射一个7Ωcm 的p 型Si 样品,电子-空穴对的产生率为

5x1016cm-3s-1,样品寿命为10 μs ,计算光照前、后样品电阻率的改变,以及费米能级位置的变化(假定此问题中,电子和空穴的迁移率相同)。(2008)

? 12、(24分)什么是载流子的扩散运动?什么是载流子的漂移运动?写出载流子的

爱因斯坦关系。结合半导体PN 结形成及达到平衡过程中载流子的扩散和漂移,讨论爱因斯坦关系的物理意义和半导体中载流子扩散和漂移运动的相互关联。(2008)

2

/32/31**-+==T BN AT m q Pm q I μ

半导体物理作业与答案

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。 (1)电离杂质的散射 温度越高载流子热运动的平均速度越大,可以较快的掠过杂质离子不易被散射P 正比NiT (-3/2) (2)晶格振动的散射随温度升高散射概率增大 (3)其他散射机构 1.中性杂质散射 在温度很低时,未电离的杂志的书目比电离杂质的数目大的多,这种中性杂质也对周期性势场有一定的微扰作用而引起散射,当温度很低时,晶格振动散射和电离杂志散射都很微弱的情况下,才引起主要的散射作用 2.位错散射 位错线上的不饱和键具有中心作用,俘获电子形成负电中心,其周围将有电离施主杂质的积累从而形成一个局部电场,称为载流子散射的附加电场 3.等同能谷间散射 对于Ge 、Si 、导带结构是多能谷的。导带能量极小值有几个不同的波矢值。对于多能谷半导体,电子的散射将不只局限于一个能谷内,可以从一个能谷散射到另一个,称为谷间散射 AB 段温度很低本征激发可忽略,载流子主要有杂志电离提供,随温度升高增加散射主要由电离杂质决定,迁移率随温度升高而增大,所以电阻率随温度升高而下降 BC 段 温度继续升高,杂质已经全部电离,本征激发还不显著,载流子基本上不随温度变化,晶格振动上升为主要矛盾,迁移率随温度升高而降低,所以电阻率随温度升高而下增大 C 段温度继续升高,本征激发很快增加,大量的本征载流子产生远远超过迁移率减小对电阻率的影响,杂质半导体的电阻率将随温度升高极具的下降,表现出同本征半导体相似的特征 第六章:pn 结 1证明:平衡状态下(即零偏)的pn 结 E F =常数u 得则考虑到则因为dx x qV d dx dE dx dE dx dE q nq J dx dE dx dE q T k dx n d T k E E n n e n n dx n d q T k nq J q T k D dx dn qD nq J i i F n n i F i F i T k E E i n n n n n n n i F )] ([)(1)()(ln ln ln )(ln ,00)/()(0 00-=∴ ? ?????-+=-=?-+ ==?? ? ???+== +=-E E E μμμμ dx dE p J dx dE n J F p p F n n μμ==,平衡时Jn ,Jp =0,所以EF 为常数 2.推导计算pn 结接触电势差的表达式。 假设:P 区:Ec=Ecp Ev=Evp no=npo po=ppo

半导体物理学试题库完整

一.填空题 1.能带中载流子的有效质量反比于能量函数对于波矢的_________.引入有效质量的意义在于其反映了晶体材料的_________的作用。(二阶导数.内部势场) 2.半导体导带中的电子浓度取决于导带的_________(即量子态按能量如何分布)和_________(即电子在不同能量的量子态上如何分布)。(状态密度.费米分布函数) 3.两种不同半导体接触后, 费米能级较高的半导体界面一侧带________电.达到热平衡后两者的费米能级________。(正.相等) 4.半导体硅的价带极大值位于空间第一布里渊区的中央.其导带极小值位于________方向上距布里渊区边界约0.85倍处.因此属于_________半导体。([100]. 间接带隙) 5.间隙原子和空位成对出现的点缺陷称为_________;形成原子空位而无间隙原子的点缺陷称为________。(弗仑克耳缺陷.肖特基缺陷) 6.在一定温度下.与费米能级持平的量子态上的电子占据概率为_________.高于费米能级2kT能级处的占据概率为_________。(1/2.1/1+exp(2)) 7.从能带角度来看.锗、硅属于_________半导体.而砷化稼属于_________半导体.后者有利于光子的吸收和发射。(间接带隙.直接带隙) 8.通常把服从_________的电子系统称为非简并性系统.服从_________的电子系统称为简并性系统。(玻尔兹曼分布.费米分布) 9. 对于同一种半导体材料其电子浓度和空穴浓度的乘积与_________有关.而对于不同的半导体材料其浓度积在一定的温度下将取决于_________的大小。(温度.禁带宽度) 10. 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________结构;与Ge和Si晶格结构类似.两种不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_________和纤锌矿等两种晶格结构。(金刚石.闪锌矿) 11.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_________禁带半导体.否则称为_________禁带半导体。(直接.间接) 12. 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_________、 _________ 、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。(电离杂质的散射.晶格振动的散射) 13. 半导体中的载流子复合可以有很多途径.主要有两大类:_________的直接复合和通过禁带内的_________进行复合。(电子和空穴.复合中心)

刘恩科—半导体物理习题

半导体物理习题解答 (河北大学电子信息工程学院 席砺莼) 1-1.(P 32)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: E c (k)=0223m k h +022)1(m k k h -和E v (k)= 0226m k h -0 2 23m k h ; m 0为电子惯性质量,k 1=1/2a ;a =0.314nm 。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; ④价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。 [解] ①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(=0232m k h +0 12)(2m k k h -=0;可求出对应导带能量极小值E min 的k 值: k min = 14 3 k , 由题中E C 式可得:E min =E C (K)|k=k min = 2 10 4k m h ; 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 =02126m k h ;∴Eg =E min -E max =021212m k h =2 02 48a m h =11 28282 27106.1)1014.3(101.948)1062.6(----???????=0.64eV ②导带底电子有效质量m n 0202022382322 m h m h m h dk E d C =+=;∴ m n =022 283/m dk E d h C = ③价带顶电子有效质量m ’ 022 26m h dk E d V -=,∴022 2'61/m dk E d h m V n -== ④准动量的改变量 h △k =h (k min -k max )= a h k h 83431= [毕] 1-2.(P 33)晶格常数为0.25nm 的一维晶格,当外加102V/m ,107V/m 的电场时,试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。

半导体物理学练习题(刘恩科)

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: (1)能带的宽度; (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: (1)能带宽度; (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。”是否如此?为什么? 11简述有效质量与能带结构的关系? 12对于自由电子,加速反向与外力作用反向一致,这个结论是否适用于布洛赫电子? 13从能带底到能带顶,晶体中电子的有效质量将如何变化?外场对电子的作用效果有什么不同? 14试述在周期性势场中运动的电子具有哪些一般属性?以硅的本征激发为例,说明半导体能带图的物理意义及其与硅晶格结构的联系? 15为什么电子从其价键上挣脱出来所需的最小能量就是半导体的禁带宽度?16为什么半导体满带中的少量空状态可以用具有正电荷和一定质量的空穴来描述? 17有两块硅单晶,其中一块的重量是另一块重量的二倍。这两块晶体价带中的能级数是否相等?彼此有何联系? 18说明布里渊区和k空间等能面这两个物理概念的不同。 19为什么极值附近的等能面是球面的半导体,当改变存储反向时只能观察到一个共振吸收峰? 第二章半导体中的杂质与缺陷能级 例1.半导体硅单晶的介电常数=11.8,电子和空穴的有效质量各为= 0.97, =0.19和=0.16,=0.53,利用类氢模型估计: (1)施主和受主电离能; (2)基态电子轨道半径 解:(1)利用下式求得和。

半导体物理学(第7版)第三章习题和答案

第三章习题和答案 1. 计算能量在E=E c 到2 *n 2 C L 2m 100E E 之间单位体积中的量子态数。 解: 2. 试证明实际硅、锗中导带底附近状态密度公式为式(3-6)。 3 22 23 3*28100E 21 23 3 *22100E 002 1 233*231000L 8100)(3 222)(22)(1Z V Z Z )(Z )(22)(23 22 C 22 C L E m h E E E m V dE E E m V dE E g V d dE E g d E E m V E g c n c C n l m h E C n l m E C n n c n c )() (单位体积内的量子态数) () (21)(,)"(2)()(,)(,)()(2~.2'2 1 3'' ''''2'21'21'21' 2 2222 22C a a l t t z y x a c c z l a z y t a y x t a x z t y x C C e E E m h k V m m m m k g k k k k k m h E k E k m m k k m m k k m m k ml k m k k h E k E K IC E G si ? 系中的态密度在等能面仍为球形等能面 系中在则:令) (关系为 )(半导体的、证明: 3 1 23 2212 32' 2123 2 31'2 '''')()2(4)()(111100)()(24)(4)()(~l t n c n c l t t z m m s m V E E h m E sg E g si V E E h m m m dE dz E g dk k k g Vk k g d k dE E E ?? ? ? )方向有四个, 锗在(旋转椭球,个方向,有六个对称的导带底在对于即状态数。 空间所包含的空间的状态数等于在

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:

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。

半导体物理学题库20121229

1.固体材料可以分为 晶体 和 非晶体 两大类,它们之间的主要区别是 。 2.纯净半导体Si 中掺V 族元素的杂质,当杂质电离时释放 电子 。这种杂质称 施主 杂质;相应的半 导体称 N 型半导体。 3.半导体中的载流子主要受到两种散射,它们分别是 电离杂质散射 和 晶格振动散射 。前者在 电离施 主或电离受主形成的库伦势场 下起主要作用,后者在 温度高 下起主要作用。 4.当半导体中载流子浓度的分布不均匀时,载流子将做 扩散 运动;在半导体存在外加电压情况下,载 流子将做 漂移 运动。 5.对n 型半导体,如果以E F 和E C 的相对位置作为衡量简并化与非简并化的标准,那末, 为非 简并条件; 为弱简并条件; 简并条件。 6.空穴是半导体物理学中一个特有的概念,它是指: ; 7.施主杂质电离后向 带释放 ,在材料中形成局域的 电中心;受主杂质电离后 带释放 , 在材料中形成 电中心; 8.半导体中浅能级杂质的主要作用是 ;深能级杂质所起的主要作用 。 9. 半导体的禁带宽度随温度的升高而__________;本征载流子浓度随禁带宽度的增大而__________。 10.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 。 11.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 。 12.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 和 有关,而与 、 无关。 A. 杂质浓度 B. 杂质类型 C. 禁带宽度 D. 温度 12. 指出下图各表示的是什么类型半导体? 13.n o p o =n i 2标志着半导体处于 平衡 状态,当半导体掺入的杂质含量改变时,乘积n o p o 改变否? 不 变 ;当温度变化时,n o p o 改变否? 改变 。 14.非平衡载流子通过 复合作用 而消失, 非平衡载流子的平均生存时间 叫做寿命τ,寿命 τ与 复合中心 在 禁带 中的位置密切相关,对于强p 型和 强n 型材料,小注入时寿命τn 为 ,寿命τp 为 . 15. 迁移率 是反映载流子在电场作用下运动难易程度的物理量, 扩散系数 是反映有浓度梯度时载流子 运动难易程度的物理量,联系两者的关系式是 q n n 0=μ ,称为 爱因斯坦 关系式。 16.半导体中的载流子主要受到两种散射,它们分别是电离杂质散射 和 晶格振动散射 。前者在 电离施主或电离受主形成的库伦势场 下起主要作用,后者在 温度高 下起主要作用。 17.半导体中浅能级杂质的主要作用是 影响半导体中载流子浓度和导电类型 ;深能级杂质所起的主 要作用 对载流子进行复合作用 。

半导体物理学第七版 完整课后题答案

第一章习题 1.设晶格常数为a 的一维晶格,导带极小值附近能量E c (k)与价带极大值附近 能量E V (k)分别为: E c =0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V -=-+ 0m 。试求: 为电子惯性质量,nm a a k 314.0,1==π (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; (4)价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解:(1) eV m k E k E E E k m dk E d k m k dk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43(0,060064 30382324 30)(2320212102 2 20 202 02022210 1202==-==<-===-== >=+== =-+ηηηηηηηη因此:取极大值处,所以又因为得价带: 取极小值处,所以:在又因为:得:由导带: 04 3222* 83)2(1m dk E d m k k C nC ===η

s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.704 3)()()4(6 )3(25104300222* 11-===?=-=-=?=-==ηηηηη所以:准动量的定义: 2、 晶格常数为0、25nm 的一维晶格,当外加102V/m,107 V/m 的电场时,试分别计 算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。 解:根据:t k h qE f ??== 得qE k t -?=?η s a t s a t 13719282 1911027.810106.1) 0(1027.810106.1) 0(----?=??--= ??=??-- =?π πηη 补充题1 分别计算Si(100),(110),(111)面每平方厘米内的原子个数,即原子面密度(提示:先 画出各晶面内原子的位置与分布图) Si 在(100),(110)与(111)面上的原子分布如图1所示: (a)(100)晶面 (b)(110)晶面

北工大 10年 半导体物理 期末试卷

半导体物理2010-2011学年(2011.1.5) 一、简答题(8*6’=48’) 1.请填写下表中的数据: 解理面 材料晶格结构布拉伐格子直接/间接 带隙 Si GaAs 2.什么是本征半导体?什么是杂质半导体?示意画出掺杂浓度为Nd的N型半导体样品电子浓度n和本征载流子浓度ni随T变化曲线。 3.“纯净的半导体中,掺入百万分之一的杂质,可以减小电阻率达1百万倍,”是估算说明之。 4.一块杂志补偿的半导体,受主杂质和施主杂质浓度相等。设杂质全部电离,判断当杂质浓度分别为 (a) Na=Nd=1014cm-3(b) Na=Nd=1018cm-3 时,哪种情况的电导率大?简述分析理由。 5.什么是载流子的平均自由时间τ?有两块Si半导体材料1和2,其中τ1>τ2,迁移率哪个大? 如果同一块半导体中,有两种机理的平均自由时间τ1和τ2,其总迁移率如何确定? 6.写出以n型样品为例少子空穴的连续性方程。 由连续性方程写出:不考虑电场的作用、无产生、稳态载流子扩散方程; 7.什么是PN结的势垒电容?定性说明掺杂浓度对势垒电容有何影响。 8.一个p-N异质结接触前能带图见图1。画出平衡状态下能带图。

电阻率为7Ω·cm的p型硅,T=300K。 ⑴试计算室温时多数载流子和少子浓度(可查图)。 ⑵计算该半导体的功函数。 ⑶不考虑界面态,在金属铝(功函数W Al=4.20eV)和金属铂(功函数W Pi=5.3eV)中选择制备肖特基二极管的金属,给出选择理由。 ⑷求金属一侧势垒高度的理论值qΦms和半导体一侧势垒高度qV D 。 三、(16’) 室温下,一个Si的N-P结,N区一侧掺杂浓度为1017cm-3,P区为1015cm-3 ⑴求该N-P结的接触电势差。 ⑵画出平衡PN结、正向偏置PN结、反向偏置PN结空间电荷区中及边界处的载流子分布示意图。 ⑶根据正向和反向少子分布情况,解释PN结正向导通,反向截止的饱和特性。 ⑷写出理想PN结电流-电压关系公式,在对数坐标下,定性画出理想和实际I-V特性示意图。 四、(15’) 一理想的MOS结构的高频测量的C-V曲线如图2. (1)判断该结构中,半导体的导电类型。 (2)说明图中1,2,3,4,5点的半导体一侧的状态,并示意画出每点半导体一侧的能带形状,以及金属和半导体一侧的电荷分布。

半导体物理习题及复习资料

复习思考题与自测题 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。 6.从能带底到能带顶,晶体中电子的有效质量将如何变化?外场对电子的作用效果有什么不同;答:在能带底附近,电子的有效质量是正值,在能带顶附近,电子的有效质量是负值。在外电F

半导体物理学 (第七版) 习题答案

半导体物理习题解答 1-1.(P 32)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: E c (k)=0223m k h +022)1(m k k h -和E v (k)= 0226m k h -0 2 23m k h ; m 0为电子惯性质量,k 1=1/2a ;a =0.314nm 。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; ④价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。 [解] ①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(=0232m k h +0 12)(2m k k h -=0;可求出对应导带能量极小值E min 的k 值: k min = 14 3 k , 由题中E C 式可得:E min =E C (K)|k=k min = 2 10 4k m h ; 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 =02126m k h ;∴Eg =E min -E max =021212m k h =2 02 48a m h =11 28282 2710 6.1)1014.3(101.948)1062.6(----???????=0.64eV ②导带底电子有效质量m n 0202022382322 m h m h m h dk E d C =+=;∴ m n =022 283/m dk E d h C = ③价带顶电子有效质量m ’ 022 26m h dk E d V -=,∴022 2'61/m dk E d h m V n -== ④准动量的改变量 h △k =h (k min -k max )= a h k h 83431= [毕] 1-2.(P 33)晶格常数为0.25nm 的一维晶格,当外加102V/m ,107V/m 的电场时,试分别计算电子自能带 底运动到能带顶所需的时间。 [解] 设电场强度为E ,∵F =h dt dk =q E (取绝对值) ∴dt =qE h dk

半导体物理学(刘恩科)第七版 完整课后题答案

第一章习题 1.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: E c =0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V - =-+ 0m 。试求: 为电子惯性质量,nm a a k 314.0,1== π (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; (4)价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解:(1) eV m k E k E E E k m dk E d k m k dk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43 (0,060064 3 382324 3 0)(2320 2121022 20 202 02022210 1202== -==<-===-==>=+===-+ 因此:取极大值 处,所以又因为得价带: 取极小值处,所以:在又因为:得:由导带: 04 32 2 2*8 3)2(1 m dk E d m k k C nC ===

s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.704 3 )() ()4(6 )3(25104 3002 2 2*1 1 -===?=-=-=?=- == 所以:准动量的定义: 2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格,当外加102V/m ,107 V/m 的电场时,试分别 计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。 解:根据:t k h qE f ??== 得qE k t -?=? s a t s a t 137 19 282 1911027.810 10 6.1)0(102 7.810106.1) 0(----?=??-- =??=??-- = ?π π 补充题1 分别计算Si (100),(110),(111)面每平方厘米内的原子个数,即原子面密度 (提示:先画出各晶面内原子的位置和分布图) Si 在(100),(110)和(111)面上的原子分布如图1所示: (a )(100)晶面 (b )(110)晶面

(完整版)半导体物理知识点及重点习题总结

基本概念题: 第一章半导体电子状态 1.1 半导体 通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料,其导带在绝对零度时全空,价带全满,禁带宽度较绝缘体的小许多。 1.2能带 晶体中,电子的能量是不连续的,在某些能量区间能级分布是准连续的,在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状,称之为能带。 1.2能带论是半导体物理的理论基础,试简要说明能带论所采用的理论方法。 答: 能带论在以下两个重要近似基础上,给出晶体的势场分布,进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系,从而系统地建立起该理论。 单电子近似: 将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑,这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。 绝热近似: 近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换,而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。 1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法 答案: 克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型,如下图所示 利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式,进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数,而且某些能量区间能级是准连续的(被称为允带),另一些区间没有电子能级(被称为禁带)。从而利用量子力学的方法解释了能带现象,因此该模型具有重要的物理意义。 1.2导带与价带 1.3有效质量 有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响,从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由晶体自身的E-k

半导体物理学第七版完整答案修订版

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第一章习题 1.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: E C (K )=0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V - =-+ (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; (4)价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解:(1) 2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格,当外加102V/m ,107 V/m 的电场时,试分别计算电子 自能带底运动到能带顶所需的时间。 解:根据:t k h qE f ??== 得qE k t -?=? 补充题1 分别计算Si (100),(110),(111)面每平方厘米内的原子个数,即原子面密度(提 示:先画出各晶面内原子的位置和分布图) Si 在(100),(110)和(111)面上的原子分布如图1所示:

(a )(100)晶面 (b )(110)晶面 (c )(111)晶面 补充题2 一维晶体的电子能带可写为)2cos 81 cos 8 7()22ka ka ma k E +-= (, 式中a 为 晶格常数,试求 (1)布里渊区边界; (2)能带宽度; (3)电子在波矢k 状态时的速度; (4)能带底部电子的有效质量* n m ; (5)能带顶部空穴的有效质量*p m 解:(1)由 0)(=dk k dE 得 a n k π = (n=0,?1,?2…) 进一步分析a n k π ) 12(+= ,E (k )有极大值, a n k π 2=时,E (k )有极小值

半导体物理习题答案

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: (1)能带的宽度; (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。

半导体物理学试题及答案

半导体物理学试题及答案 半导体物理学试题及答案(一) 一、选择题 1、如果半导体中电子浓度等于空穴浓度,则该半导体以( A )导电为主;如果半导体中电子浓度大于空穴浓度,则该半导体以( E )导电为主;如果半导体中电子浓度小于空穴浓度,则该半导体以( C )导电为主。 A、本征 B、受主 C、空穴 D、施主 E、电子 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、电子是带( B )电的( E );空穴是带( A )电的( D )粒子。 A、正 B、负 C、零 D、准粒子 E、粒子 4、当Au掺入Si中时,它是( B )能级,在半导体中起的是( D )的作用;当B掺入Si中时,它是( C )能级,在半导体中起的是( A )的作用。 A、受主 B、深 C、浅 D、复合中心 E、陷阱 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( A )。 A、相同 B、不同 C、无关

6、杂质半导体中的载流子输运过程的散射机构中,当温度升高时,电离杂质散射的概率和晶格振动声子的散射概率的变化分别是( B )。 A、变大,变小 ; B、变小,变大; C、变小,变小; D、变大,变大。 7、砷有效的陷阱中心位置(B ) A、靠近禁带中央 B、靠近费米能级 8、在热力学温度零度时,能量比EF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EF小的量子态被电子占据的概率为( A )。 A、大于1/2 B、小于1/2 C、等于1/2 D、等于1 E、等于0 9、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 10、金属和半导体接触分为:( B )。 A、整流的肖特基接触和整流的欧姆接触 B、整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触 C、非整流的肖特基接触和整流的欧姆接触 D、非整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触 11、一块半导体材料,光照在材料中会产生非平衡载

半导体物理学第7版习题及答案

第五章习题 1. 在一个n 型半导体样品中,过剩空穴浓度为1013cm -3, 空穴的寿命为100us 。计算空穴的复合率。 2. 用强光照射n 型样品,假定光被均匀地吸收,产生过剩载流子,产生率为,空穴寿命为。 (1)写出光照下过剩载流子所满足的方程; (2)求出光照下达到稳定状态时的过载流子浓度。 3. 有一块n 型硅样品,寿命是1us ,无光照时电阻率是10cm 。今用光照射该样品,光被半导体均 匀的吸收,电子-空穴对的产生率是1022cm -3s-1 ,试计算光照下样品的电阻率,并求电导中少数在流子 的贡献占多大比例? 4. 一块半导体材料的寿命=10us ,光照在材料中会产生非平衡载流子,试求光照突然停止20us 后, s cm p U s cm p U p 31710 10010 313/10U 100,/10613 ==?= ====?-??-τ τμτ得:解:根据?求:已知:τ τ τ ττ g p g p dt p d g Ae t p g p dt p d L L t L =?∴=+?-∴=?+=?+?-=?∴-. 00 )2()(达到稳定状态时,方程的通解:梯度,无飘移。 解:均匀吸收,无浓度cm s pq nq q p q n pq np cm q p q n cm g n p g p p n p n p n p n L /06.396.21.0500106.1101350106.11010.0:101 :1010100 .19 16191600'000316622=+=???+???+=?+?++=+=Ω=+==?==?=?=+?-----μμμμμμσμμρττ光照后光照前光照达到稳定态后% 2606.38.006.3500106.1109. ,.. 32.0119 161 0' '==???=?∴?>?Ω==-σσ ρp u p p p p cm 的贡献主要是所以少子对电导的贡献献 少数载流子对电导的贡

半导体物理习题

半导体物理习题 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

附: 半导体物理习题 第一章 晶体结构 1. 指出下述各种结构是不是布拉伐格子。如果是,请给出三个原基矢量;如 果不是,请找出相应的布拉伐格子和尽可能小的基元。 (1) 底心立方(在立方单胞水平表面的中心有附加点的简立方); (2) 侧面心立方(在立方单胞垂直表面的中心有附加点的简立方); (3) 边心立方(在最近邻连线的中点有附加点的简立方)。 2. 证明体心立方格子和面心立方格子互为正、倒格子。 3. 在如图1所示的二维布拉伐格子中,以格点O 为原点,任意选取两组原基 矢量,写出格点A 和B 的晶格矢量A R 和B R 。 4. 以基矢量为坐标轴(以晶格常数a 为度量单位,如图2),在闪锌矿结构的 一个立方单胞中,写出各原子的坐标。

5.石墨有许多原子层,每层是由类似于蜂巢的六角形原子环组成,使每个原 子有距离为a的三个近邻原子。试证明在最小的晶胞中有两个原子,并画出正格子和倒格子。 第二章晶格振动和晶格缺陷 1.质量为m和M的两种原子组成如图3所示的一维复式格子。假设相邻原子 间的弹性力常数都是β,试求出振动频谱。 2.设有一个一维原子链,原子质量均为m,其平衡位置如图4所示。如果只 考虑相邻原子间的相互作用,试在简谐近似下,求出振动频率ω与波矢q之间的函数关系。 3.若把聚乙烯链—CH=CH—CH=CH—看作是具有全同质量m、但力常数是以 1 β, 2 β交替变换的一维链,链的重复距离为a,试证明该一维链振动的特征频率为} ] ) ( 2 sin 4 1[ 1{2/1 2 2 1 2 2 1 2 1 2 β β β β β β ω + - ± + = qa m 并画出色散曲线。

半导体物理学期末复习试题及答案一

一、半导体物理学期末复习试题及答案一 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1/2 B. 小于1/2 C. 等于1/2 D. 等于1 E. 等于0 10. 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 0 B. ??? ? ??≥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 )。 A. 整流的肖特基接触和整流的欧姆接触 B. 整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触 C. 非整流的肖特基接触和整流的欧姆接触 D. 非整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触

北工大半导体物理历年真题

历年真题 第一章 1、Si 、GaAs 半导体材料的导带底、价带顶分别在k 空间什么位置?其晶体结构和解理面分别是什么?哪个是直接带隙,哪个是间接带隙?(2006) 2、对于金刚石结构的硅Si 和闪锌矿结构的砷化镓GaAs ,在(111)晶面上,其原子面密度和面间距都是最大,为什么Si 的解理面是(111),而GaAs 不是?(2007) 3、半导体材料的禁带宽度Eg 、N 型半导体杂质激活能△Ed 以及亲和势X 分别表示半导体电子的什么状态特性?(2009年简答题7分) 4、与真空电子运动相比,半导体中电子的运动有何不同?(2009年简答题7分) (1-9题 63分,每小题7分(2010)) 5、如图是一个半导体能带结构的E –k 关系; 1)哪个能带具有x 方向更小的有效质量? 2)考虑两个电子分别位于两个能带中的十字线处, 哪个电子的速度更大些? 6、写出硅(Si)和砷化镓(GaAs)的晶体结构、禁带宽度和解理面。?(2011年简答题6分) 第二章 3、高阻的本征半导体材料和高阻的高度补偿的半导体材料的区别是什么?(2006) ? 1 深能级杂质和浅能级杂质概念(西交大) ? 1以硅为例,举例说明掺入浅能级和深能级杂质的目的和作用?(西电) ? 2.什么是浅能级杂质?什么是深能级杂质?列举出半导体硅中各一种杂质元素的例 子。半导体中掺入这些杂质分别起什么作用 ? (2011) 第三章 ? 11、定性画出N 型半导体样品,载流子浓度n 随温度变化的曲线(全温区),讨论 各段的物理意义,并标出本征激发随温度的曲线。设该样品的掺杂浓度为ND 。比较两曲线,论述宽带隙半导体材料器件工作温度范围更宽。 (2006-20分) E 0 E 0 k x 1 2 E

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