南京大学宽禁带半导体第三作业
金属调制分子束外延生长氮化铝薄膜
开、关闭时间,可以获得形貌较好的 AlN 薄膜。 通过调整优化获得的 MME 方案为:首先 Al 源快门打开 30 s,然后 Al
源和 N 源快门打开 60 s,最后单独打开 N 源快门 72 s;单一周期内,Al 源快门打开时间与 N 源快门打开时间比例为
0. 7。 以上述方案为一个周期进行循环生长 40 个周期,可获得粗糙度低至 0. 3 nm(2 μm × 2 μm) ,几乎无凹坑的 AlN
MOCVD) 法、反应磁控溅射法等 [4] 。 其中,MBE 系统的超高真空环境可以有效避免 MOCVD 反应器中严重
的寄生反应和镁受体的氢钝化效应;其另一个优点是可以精确控制快速快门的打开和关闭,从而实现复杂的
结构和尖锐的异质界面 [5-6] ,可用来外延生长超晶格、多重量子阱、p 型高铝组分 AlGaN 等。 在外延 AlN 的过
Abstract:In this paper, conventional continuous epitaxial growth and metal modulated epitaxial ( MME) growth of AlN were
investigated with the plasma-assisted molecular beam epitaxy ( PA-MBE) system. It is difficult to control the growth mode of
1 实 验
本文实验使用 RIBER Compact 21 等离子体辅助分子束外延( plasma-assisted molecular beam epitaxy, PA-
MBE) 系统,此系统配备了几种Ⅲ族金属( Al、Ga 和 In) 的蒸发源和氮等离子体源。 所有样品都生长在由
宽禁带半导体与窄禁带半导体
宽禁带半导体与窄禁带半导体在学校的实验室里，灯光亮晃晃的，一群学生围在实验台边，眼睛瞪得像铜铃一样，瞅着那些小小的半导体材料，就像在看神秘的宝藏。
“老师，这半导体到底是啥玩意儿啊？怎么还有宽禁带和窄禁带之分呢？” 小明挠着头，满脸疑惑。
我笑着拿起一块半导体材料，“嘿，这半导体啊，就像是一个有特殊脾气的小精灵。
它有时候导电，有时候又不导电，神奇着呢。
” 同学们都笑了起来。
“那这宽禁带和窄禁带又咋回事呢？” 小红歪着脑袋问。
我把材料放在桌上，“咱就把这半导体想象成一座有城墙的城堡。
这禁带呢，就像是城墙的宽度。
宽禁带半导体啊，它那城墙可宽啦，电子要想翻过去可不容易，就像小蚂蚁要爬过一条大河一样难。
而窄禁带半导体呢，城墙窄，电子比较容易就能翻过去啦。
”这时候，小刚凑过来，“老师，那这些电子翻城墙有啥用呢？” 我拍拍他的肩膀，“这用处可大啦。
就说这宽禁带半导体吧，因为它那城墙宽，电子不好翻，所以在高温、高电压这些恶劣环境下，它都能稳如泰山，不容易出乱子。
这就好比一个坚强的战士，不管敌人怎么攻击，都能守住阵地。
在那些需要大功率、高频率的地方，像电动汽车的电机驱动系统里，宽禁带半导体就大显身手啦。
”旁边的小美眼睛亮晶晶的，“那窄禁带半导体呢？” 我笑着说：“窄禁带半导体就像一个灵活的小工匠。
它在一些对灵敏度要求高的地方可厉害啦。
比如说在红外探测器里，它能很敏锐地感知到红外线，就像小工匠能精准地找到那些细微的瑕疵一样。
因为它那城墙窄，电子容易动，所以对微弱信号的反应可快呢。
”“老师，那这两种半导体有没有什么联系呢？” 小李问道。
我拿起两块不同的半导体，“它们就像一对兄弟，虽然性格不同，但都有自己的本事。
有时候啊，在一个复杂的电子设备里，它们还会一起合作呢。
就像一场音乐会，有吹大号的，有拉小提琴的，配合起来才能奏出美妙的音乐。
”在研究半导体的过程中，就像在探索一个神秘的魔法世界。
每一个新的发现，每一次对原理的理解，都像是找到了打开宝藏的钥匙。
半导体物理作业与答案模板
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 dxdE 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 qT 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 nn n i F )]([)(1)()(ln ln ln )(ln ,00)/()(000-=∴⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=-=⇒-+==⎥⎦⎤⎢⎣⎡+==+=-E E E μμμμ dxdE 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。
第三代宽禁带半导体碳化硅功率器件的应用
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半导体物理作业参考答案
半导体第二次作业参考答案P422.17假设处的波函数为。
求满足的A值。
解：∵∴左边∴或2.18假设处的波函数为,n 为整数。
求满足的A值。
解：∵∴左边∴或P66E3.4当T=300K时，确定硅中和之间的能态总数。
解：N==P70E3.7假设在低于费米能级0.3eV，试求电子占据能带的概率为时的温度是多少。
解：由概率密度函数得，其中0.325eV∴T=321KP74--- P763.7 利用式（3.24）证明时，，其中n=0，1，2……证明：3.24式：………………………①令，，则①式为……..②②式两边同时对求导得…………………………..③假设，即，n=0，1，2……∴∴…………………………...④∴由④得，其中∴上式代入得∴∴当时，，其中n=0，1，2…（证毕）3.18 （a）GaAs的禁带宽度为。
（ⅰ）试求可以将价带中的电子激发到导带中的光子的最小频率；（ⅱ）对应的波长长度是多少？（b）以禁带宽度为重做（a）。
解：（a）当禁带宽度为时（ⅰ），其中，ℎ（ⅱ），其中m/s（b）当禁带宽度为时（ⅰ），其中，ℎ（ⅱ）3.47 如果，分别计算（a）T=200K和（b）T=400K时，和之间的能量范围。
解：（a）T=200K时，∴时解得,∴时解得,∴（a）T=400K时，∴时解得,∴时解得,∴P81E4.1 是确定能级被电子占据的概率，以及在T=300K的条件下，GaAs费米能级在以下0.25的电子浓度。
解：T=300K时，，，其中,其中∴P82E4.2 （a）T=250K时硅的热空穴浓度（b）计算T=250K和T=400K 下的之比。
解：（a）T=300K时，硅中的，T=250K时,（b）由例4.2可知T=400K时，=。
电力电子器件的宽禁带半导体技术考核试卷
1. ×
2. √
3. ×
4. ×
5. √
6. ×
7. ×
8. ×
9. ×
10. ×
五、主观题（参考）
1.宽禁带半导体材料具有高热导率、高载流子迁移率和高压击穿特性，适用于高频、高压、高温的电力电子器件。例如，在电动汽车和光伏逆变器中，硅碳(SiC)和氮化镓(GaN)器件可降低能耗，提高效率。
9.高温环境下，宽禁带半导体器件的性能不会受到影响。( )
10.宽禁带半导体器件在未来的电力电子领域没有潜在的应用前景。( )
五、主观题（本题共4小题，每题5分，共20分）
1.请简述宽禁带半导体材料（如硅碳SiC、氮化镓GaN等）在电力电子器件中的应用优势，并举例说明其在哪些具体应用中表现出色。
2.描述宽禁带半导体器件（如SiC MOSFET、GaN HEMT等）的驱动电路设计需要考虑的主要因素，并解释这些因素如何影响器件的性能。
3.针对宽禁带半导体器件的可靠性和长期稳定性，阐述在实际应用中应如何进行测试和评估，以及这些测试对于器件性能和寿命的重要性。
4.讨论宽禁带半导体器件在未来电力电子领域的发展趋势，以及可能面临的挑战和解决方案。
标准答案
一、单项选择题
1. C
2. A
3. D
4. D
5. A
6. B
7. B
8. D
9. D
1.宽禁带半导体材料相比于硅材料，以下哪些特性是它们的优点？()
A.更高的热导率
B.更低的开关损耗
C.更高的载流子迁移率
D.更低的制造成本
2.以下哪些材料被认为是宽禁带半导体材料？()
A.硅碳(SiC)
B.氮化镓(GaN)
半导体器件作业有包括答案.docx
1．半导体硅材料的晶格结构是（A）A 金刚石B闪锌矿C纤锌矿2．下列固体中，禁带宽度Eg最大的是（C）Ａ金属Ｂ半导体Ｃ绝缘体3．硅单晶中的层错属于（C）Ａ点缺陷Ｂ线缺陷Ｃ面缺陷4．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5．砷化镓中的非平衡载流子复合主要依靠（A）A 直接复合B间接复合C俄歇复合6．衡量电子填充能级水平的是（ B ）Ａ施主能级Ｂ费米能级Ｃ受主能级D缺陷能级7．载流子的迁移率是描述载流子(A )的一个物理量；载流子的扩散系数是描述载流子 ( B )的一个物理量。
A 在电场作用下的运动快慢B在浓度梯度作用下的运动快慢8．室温下，半导体Si中掺硼的浓度为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（ G）；将该半导体升温至570K ，则多子浓度约为（ F），少子浓度为（ F），费米能级（ I）。
（已知：室温下，ni ≈ 1.5 × 1010cm－3，－ 3570K 时， ni ≈ 2× 1017cm ）－ 3－ 3－ 3－ 3A 1014cmB 1015cmC 1.1 × 1015cmD 2.25× 105cmE 1.2 × 1015cm －3F 2× 1017cm －3 G高于 Ei H 低于Ei I等于Ei9． 载流子的扩散运动产生（CA 漂移B隧道）电流，漂移运动产生（C 扩散A）电流。
10. 下列器件属于多子器件的是（B D ）Ａ 稳压二极管Ｂ 肖特基二极管Ｃ 发光二极管D隧道二极管11. 平衡状态下半导体中载流子浓度流 子的复合率（ C ）产生率n0p0=ni2 ，载流子的产生率等于复合率，而当np<ni2时，载Ａ 大于Ｂ 等于Ｃ 小于12. 实际生产中，制作欧姆接触最常用的方法是（A ）Ａ 重掺杂的半导体与金属接触Ｂ 轻掺杂的半导体与金属接触13．在下列平面扩散型双极晶体管击穿电压中数值最小的是（ C ）A BVCEOB BVCBOC BVEBO14．MIS结构半导体表面出现强反型的临界条件是（ B）。
南京理工大学 半导体物理作业及答案模板
半导体物理学作业南京理工大学第O章半导体中的晶体结构1、试述半导体的基本特性。
答：① 室温电阻率约在10-3~106Ωcm，介于金属和绝缘体之间。
良好的金属导体:10-6Ωcm；典型绝缘体: 1012Ωcm。
② 负的电阻温度系数，即电阻一般随温度上升而下降；金属的电阻随温度上升而上升。
③ 具有较高的温差电动势率，而且温差电动势可为正或为负;金属的温差电动势率总是负的。
④ 与适当金属接触或做成P-N结后，电流与电压呈非线性关系，具有整流效应。
⑤ 具有光敏性，用适当的光照材料后电阻率会发生变化，产生光电导；⑥ 半导体中存在电子和空穴(荷正电粒子)两种载流子。
⑦ 杂质的存在对电阻率产生很大的影响。
2、假定可以把如果晶体用相同的硬球堆成，试分别求出简立方、体心立方、面心立方晶体和金刚石结构的晶胞中硬球所占体积与晶胞体积之比的最大值。
【解】简立方结构，每个晶胞中包含1个原子，原子半径为/2a，比值为334326aaππ⎛⎫⎪⎝⎭=体心立方结构，每个晶胞中包含2个原子，/4，比值为33423aπ⋅⎝⎭=面心立方结构，每个晶胞包含4个原子，/4，比值为334436aπ⋅⎝⎭=金刚石结构，每个晶胞包含8/8，比值为33483aπ⋅⎝⎭=３、什么叫晶格缺陷？试求Si肖特基缺陷浓度与温度的关系曲线。
【解】在实际晶体中，由于各种原因会使结构的完整性被破坏，从而破坏晶格周期性，这种晶格不完整性称为晶格缺陷。
４、 Si 的原子密度为223510/cm -⨯，空位形成能约为2.8eV ，试求在1400O C 、900O C 和25O C 三个温度下的空位平衡浓度。
【解】()()112219231432222192310333221923exp(/)510exp 2.8 1.60210/1.381016731.8710exp(/)510exp 2.8 1.60210/1.381011734.7810exp(/)510exp 2.8 1.60210/1.3810B B B N N W k T cm N N W k T cm N N W k T --------=-=⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=⨯=-=⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=⨯=-=⨯⨯-⨯⨯⨯()2532982.44100cm --⨯=⨯≈ ５、 在离子晶体中，由于电中性的要求，肖特基缺陷总是成对产生，令Ns 代表正负离子空位的对数，Wv 是产生1对缺陷需要的能量，N 是原有的正负离子的对数，肖特基缺陷公式为/exp 2V s B W N N C k T ⎛⎫=- ⎪⎝⎭，求(1) 产生肖特基缺陷后离子晶体密度的改变(2) 在某温度下，用X 射线测定食盐的离子间距，再由此时测定的密度ρ计算的分子量为58.4300.016±而用化学法测定的分子量是58.454，求此时Ns/N 的数值。
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第三次作业
1. 金属与半导体的接触类型强烈依赖于其功函数之差，请阐述其对应关系，但
对p型掺杂的宽禁带半导体而言，金属功函数已无法满足实现其欧姆接触的要求，请以p型氮化镓为例说明人们是如何实现其欧姆接触的。
2. 半导体的表面态对最终金属与半导体接触的性质有较大影响，例如人们在实
际应用中往往发现金属与宽禁带半导体的接触势垒的高低往往与金属的功函数依赖关系较小，这主要是由于高密度的表面态的存在对电子或空穴的陷阱作用所导致的表面费米能级的钉扎现象所致，这将导致欧姆接触或肖特基接触性能变差，请以氮化镓为例说明研究人员如何通过控制氮化镓的表面性质去优化其肖特基接触特性和欧姆接触特性的？
3. 氮化镓与氧化锌作为极性半导体，其Ga/Zn面与N/O面具有完全不同的性
质，请阐述这两种不同的表面对材料生长、掺杂、光学性质以及电接触性质（包括肖特基与欧姆接触）的影响，说明产生这些差异的物理原因。
4. 半导体薄膜中的霍尔迁移率与载流子浓度随着测量温度的变化规律强烈依赖
于薄膜中的掺杂浓度，请分别就低浓度、中等浓度与重掺杂的情形加以阐述，并说明其物理原因。
在表征蓝宝石上异质外延氮化镓与氧化锌薄膜的霍尔效应测量中，其测量到的载流子浓度往往表现出更为复杂的变化规律，这主要是由于低温下位于薄膜与蓝宝石之间的界面存在高缺陷密度的高导层的贡献，请阐述这一现象，并以公式说明人们是如何去解决这一问题的。
5. 半导体薄膜中的迁移率大小是表征半导体材料晶体质量与电学性能的关键参
数，这主要是由于半导体中的位错密度对迁移率具有严重的影响。
而从光学性质来说，半导体中的位错线往往也是电子或空穴的陷阱，导致深能级发光
或非辐射复合，严重影响半导体的本征发光性质。
请从你所学到的知识说明人们目前是如何解决这一困难的，阐述目前依然存在的问题以及预期继续解决的方案与手段。
6. 对半导体单晶材料而言，液（自熔体）固方法是制备第一代硅以及第二代半
导体砷化镓等的主要制备技术，请简要介绍其中采用的主要技术。
第三代宽禁带半导体相对于前面两代，由于其结构与性质的特殊性，一般无法采用第一代或第二代半导体相应的生长技术进行单晶制备，这导致其较低的单晶生长速率与非常昂贵的制作成本，请简要介绍其物理根源，并说明人们提出的解决思路与技术方法。
7. 半导体单晶的生长是实现高质量器件的关键因素，通常生长半导体单晶采用
液固与气固以两种方法，请分别就课程所讲到的每一个宽禁带半导体给出一种典型的制备方法，简要介绍其制备技术，并说明其优缺点。
8. 单晶的生长尺寸、生长速率与单晶质量最终决定了单晶的成本与价格以及可
能的应用范围，请对GaN、氧化锌、氧化镓、金刚石以及碳化硅这几类宽禁带半导体的单晶制备进行分析，探讨它们目前的可能应用以及实现其半导体器件应用的存在问题与可能的解决思路。