半导体物理学简答题及答案(精)

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1、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，外层价电子那么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

2、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

3、低，禁 带就比拟宽。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作用下

4、，电子的波失K不断改变，f=h(dk/dt变化率与外力成正 比，因为电子的速度与k有关，既然k状态不断变化，那么电子的速度必然不断 变化。7. 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，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? 答：沿不同的晶向，能量带隙不一样。因为电子要摆脱束缚就能从价带跃迁到导带，这个时候 的能量就是最小能量，也就是禁带宽度。1. 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?答：空穴是一个假想带正电的粒子，在外加电场中，空穴在价带中的跃迁类比当水 池中气泡从水池底部上升时，气泡上升相当于同体积的

5、水随气泡的上升而下降。把 气泡比作空穴，下降的水比作电子，因为在出现空穴的价带中，能量较低的电子经 激发可以填充空穴，而填充了空穴的电子又留下了一个空穴。因此，空穴在电场中 运动，实质是价带中多电子系统在电场中运动的另一种描述。因为人们发现，描述 气泡上升比描述因气泡上升而水下降更为方便。所以在半导体的价带中，人们的注 意力集中于空穴而不是电子。2. 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？答：相等，没任何关系3. 为什么极值附近的等能面是球面的半导体,当改变磁场方向时只能观察到一个共振 吸收峰。答：各向同性。5. 典型半导体的带隙 。

6、一般把禁带宽度等于或者大于23ev的半导体材料归类为宽禁带半导体，主要包括 金刚石，SiC, GaN,金刚石等。26族禁带较宽，46族的比拟小，如碲化铅，硒化 铅03ev，35族的砷化镓14ev。第二章 1.说明杂质能级以及电离能的物理意义。为什么受主、施主能级分别位于价 带之上或导带之下,而且电离能的数值较小？ 答：被杂质束缚的电子或空穴的能量 状态称为杂质能级，电子脱离杂质的原子的束缚成为导电电子的过程成为杂质电 离，使这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量成为杂质电离能。杂 质能级离价带或导带都很近，所以电离能数值小。2纯锗，硅中掺入III或V族元素后,为什么使半导体电学性能有

7、很大的改变？杂质半 导体（P型或n型应用很广，但为什么我们很强调对半导体材料的提纯？答：因为掺入 m或v族后，杂质产生了电离，使得到导带中得电子或价带中得空穴增多，增强 了半导体的导电能力。极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理性质和化学 性质产生决定性的影响，当然，也严重影响着半导体器件的质量。4.何谓深能级杂质，它们电离以后有什么特点？ 答：杂质电离能大，施主能级远离 导带底，受主能级远离价带顶。特点：能够产生屡次电离，每一次电离相应的有一 个能级。5.为什么金元素在锗或硅中电离后可以引入多个施主或受主能级？ 答：因为金是深 能级杂质，能够产生屡次电离，每一次电离相应的有一个能级，因此

8、，金在硅锗的 禁带往往能引入假设干个能级。6.说明掺杂对半导体导电性能的影响。 答：在纯洁的半导体中掺入杂质后，可以控 制半导体的导电特性。掺杂半导体又分为n型半导体和p型半导体。7. 说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质的作用有何不同？答：深能级杂质在半导 体中起复合中心或陷阱的作用。浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用8. 什么叫杂质补偿，什么叫高度补偿的半导体， 杂质补偿有何实际应用。答：当半导体中既有施主又有受主时，施主和受主将先相互抵消，剩余的杂志最后 电离，这就是杂质补偿，假设施主电子刚好填充受主能级，虽然杂质很多，但不能 向导带和价带提供电子和空穴，这种现象称为杂质的高度补偿。利

9、用杂质补偿效 应，可以根据需要改变半导体中某个区域的导电类型，制造各种器件。9.什么是半导体的共掺杂 答：掺入两种或两种元素以上第三章1. 半导体处于怎样的状态才能叫处于热平衡状态，其物理意义如何？载流子激发和载流子复合之间建立起动态平衡时称为热平衡状态，这时电子和空穴 的浓度都保持一个稳定的数值，处在这中状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流 子。2什么是能量状态密度能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。3. 什么叫统计分布函数，费米分布和玻耳兹曼分布的函数形式有何区别？在怎样的 条件下前者可以过渡到后者，为什么半导体中载流子分布可以用玻耳兹曼分布描 述？ 统计分布函数描述的事热平衡状态

10、下电子在允许的量子态如何分布的一个统 计分布函数。当E-EFkT时，前者可以过度到后者。4. 说明费米能级的物理意义，根据费米能级位置如何计算半导体中电子和空穴浓 度，如何理解费米能级是掺杂类型和掺杂程度的标志。费米能级的意义：当系统处 于热平衡状态，也不对外界做功的情况下，系统增加一个电子所引起的系统自由能 的变化，等于系统的化学能。n型掺杂越高，电子浓度越高，EF就越高。5. 在半导体计算中,经常应用这个条件把电子从费米能级统计过渡到玻耳兹曼统计, 试说明这种过渡的物理意义。E-EFkT时，量子态为电子占据的概率很小，适合于波尔兹曼分布函数，泡利原 理失去作用，两者统计结果变得一样了。6.

11、 写出半导体的电中性方程，此方程在半导体中有何重要意义？ 电子浓度等于空 穴浓度。平衡状态下半导体体内是电中性的。7. 半导体本征载流子浓度的表达式及其费米能级载流子浓度：ni=n0p0=(NcNv1/2exp(-Eg/2kT 费米能级：Ei=Ef=Ec+Ev /2+(3kT/4*ln(mp/mn8假设n型硅中掺入受主杂质，费米能级升高还是降低？假设温度升高当本征激发起 作用时,费米能级在什么位置，为什么？ 费米能级降低了。费米能级在本征费米能 级以上。10.为什么硅半导体器件比锗器件的工作温度高？ 硅的禁带宽度比锗大，且在相同 温度下，锗的本征激发强于硅，很容易就到达较高的本征载流子浓度，使

12、器件失去 性能。11当温度一定时，杂质半导体的费米能级主要由什么因素决定？试把强n,弱n型半 导体与强P，弱p半导体的费米能级与本征半导体的费米能级比拟。决定因素：掺杂 浓度，掺杂能级，导带的电子有效态密度等。费米能级比拟：强n弱n本征弱 p强p12. 如果向半导体中重掺施主杂质，就你所知会出现一些什么效应？ 费米能级深入到 导带或者价带中13. 半导体的简并化判据 Ec-Ef=0第四章1. 试从经典物理和量子理论分别说明载流子受到散射的物理意义。经典：电子在运动中和晶格或者杂质离子发生碰撞导致载流子速度的大小和方向发 生了改变。量子理论：电子波仔半导体传播时遭到了散射。2. 半导体的主要散射

13、机制。 电离杂质散射；晶格振动散射，包括声子波和光学波散 射；其他因素散射：等能谷散射，中性杂质散射，位错散射，合金散射，等。3. 比拟并区别下述物理概念:电导迁移率，漂移迁移率和霍耳迁移率。电导迁移率： 漂移迁移率：载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越 大；运动得慢，迁移率小 霍尔迁移率：Hall系数RH与电导率o的乘积，即|RH|s具有迁移率的量纲， Hall迁移率pH实际上不一定等于载流子的电导迁移率M,因为载流子的速度分布 会影响到电导迁移率4. 什么是声子? 它对半导体材料的电导起什么作用?声子是晶格振动的简正模能量量子，声子可以产生和消灭，有相互作用的声子数

14、不 守恒，声子动量的守恒律也不同于一般的粒子，并且声子不能脱离固体存在。电子在半导体中传输时假设发生晶格振动散射，那么会发出或者吸收声子，使电子 动量发生改变， 从而影响到电导率。5. 平均自由程，平均自由时间，散射几率平均自由程：电子在受到两次散射之间所走过的平均距离；平均自由时间：电子在 受到两次散射之间运动的平均时间；散射几率:用来描述散射的强弱，代表单位时 间内一个载流子受到散射的 次数。6. 几种散射机制同时存在，总的散射几率总散射概率等于多种散射概率之和。7. 一块本征半导体样品,试描述用以增加其电导率的两个物理过程。提高迁移率和和 提高本征载流子浓度8. 如果有相同的电阻率的掺杂

15、锗和硅半导体, 问哪一个材料的少子浓度高， 为什 么？锗的少子浓度高。由电阻率=1/nqu和ni2=n0p0以及硅和锗本征载流子浓 度的数量级差异，可以算出锗的少子浓度高。10. 光学波散射和声学波散射的物理机构有何区别？各在什么样晶体中起主要作 用？光学波散射：弹性散射，散射前后电子能量根本不变。主要在离子性晶体中起作用 声学波散射：非弹性散射，散射前后电子能量发生改变。主要在共价性晶体中起作 用。11. 说明本征锗和硅中载流子迁移率随温度增加如何变化？ 迁移率随温度的升高逐 渐降低12. 电导有效质量和状态密度有效质量有何区别？ 它们与电子的纵向有效质量和横 向有效质量的关系如何？ 当导带

16、底的等能面不是球面时，不同方向的电导的有效质量就不同，且态密度分布 可能不同，通过把不同的电导有效质量进行加权平均，就可以换算得到状态密度的 有效质量。13. 对于仅含一种杂质的锗样品,如果要确定载流子符号、浓度、迁移率和有效质 量，应进行哪些测量？进行霍尔系数测量和盘旋共振法测有效质量。14. 解释多能谷散射如何影响材料的导电性。多能谷之间有效质量不同导致迁移率不同，当电子从一能谷跃迁到另一能谷时，迁 移率会减低，导致导电性降低。15. 解释耿氏振荡现象，振荡频率取决于哪些参数？耿氏振荡来源于半导体内的负微分电导，振荡频率决定于外加电压和器件的长度。16.半导体本征吸收与本征光电导本征吸收：半导体吸收光子能量大于带隙的光 子，使电子直接跃迁到导带。又本征吸