2013、14中科院博士入学考试半导体物理教程

一、简答

1、肖特基接触、欧姆接触

2、Pn 结作用、异质PN 结、同质PN 结区别

3、费米能级、判断杂质类型、掺杂浓度

4、PN 结激光器实现粒子数反转

5、光电导

二、Si 、GaAs 、GaN 晶体结构、能带特点、物理性质、应用。 三、霍尔效应，........ 证明R H =

四、Xy 方向自由，z 方向为无限深势阱1,、求本征能量2、能态密度3、如果三个方向都无受到限制，则1、本征能量 2、能态密度改变？

五、GaAs ，次能、最低能谷。。。。有效质量性质和意义，有效质量大小比？ 2014 一、简答

1、以GaAs 为例说明几种散射机制？与温度关系？

2、迁移率μ，电导σ，H μ区别

3、PN 结光生伏特效应？光电池？画I-V 曲线？

4、Si 、GaAs 、GaN 晶体结构、能带特点、物理性质、应用。

5、温度太高。破坏晶体结构？ 二、导体、半导体、绝缘体能带论

三、掺杂质。。。求E ？已知j p n μμρ,i ，。。。

四、轻空穴、重空穴有效质量及图，等能面为球面，E=(....)m

22

。。。。

一、Si 、GaAs 、GaN 晶体结构、能带特点、物理性质、应用。 1、晶体结构：

Si 是金刚石结构，由面心立方中心到顶角引8条对角线，在其中互不相邻的4条对角线上中点放置一个原子，对角线上的4个原子与面心和顶角原子周围情况不同，是单原子复式格子。

GaAs （III-V ）闪锌矿结构（立方对称性），与金刚石结构相仿，只是对角线上的原子与面心和顶角上的原子不同，（极性半导体/共价性化合物半导体）。 GaN 是纤锌矿结构（六方对称性，以正四面体为基础） 2、能带特点：

Si 的导带极小值在K 空间<1 0 0>方向，能谷中心与 点距离是X 距离的

6

5

，共有6个等价能谷，形状为旋转椭球。价带在布里渊区中心是简并的，有重空穴、轻空穴、自旋耦合分裂三个能级。导带底和价带顶在K 空间不同点，属于间接禁带半导体。

GaAs导带等能面为球面，导带极小值位于布里渊区中心K=0处，但在<100><111>方向还有极小值。价带在布里渊区中心是简并的，有重空穴、轻空穴、自旋耦合分裂三个能级。导带底和价带顶都在K=0，直接带隙半导体。

GaN：第一布里渊区是正六角柱体，导带底和价带顶都在K=0，直接带隙半导体，为宽

禁带半导体材料。导带在k

x 、k

z

方向还有极小值，价带在布里渊区中心是简并的，有重

空穴、轻空穴、自旋耦合分裂三个能级。

3、物理性质

Si GaAs GaN

禁带宽度（ev） 1.1 1.4 3.4

饱和速率（×10-7cm/s） 1.0 2.1 2.7

热导（W/c·K） 1.3 0.6 2.0

击穿电压（M/cm）0.3 0.4 5.0

电子迁移速率（cm2/V·s）1350 8500 900

4、应用

Si 间接带隙，复合几率小，用于电子器件，双极器件，（晶体管、集成电路、整流器、晶闸管、太阳能电池等）技术成熟，成本低。

GaAs直接带隙，电子迁移率是硅的6倍多，多用于光电子器件，红外发光GaN带隙宽、热导率高，适用于高功率、高温、高频、蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件。

半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料，

支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。 二、有效质量的意义

晶体中的电子在受外力作用下运动时，还受到晶格（内部原子和其他电子势场）的作用，电子加速度是半导体内部势场和外力作用的综合效果。内部势场具体形式很难求出，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，使得在解决外力作用运动规律时，可以不涉及内部势场作用。有效质量可直接由实验测定。有效质量与准动量都是人为定义的，用来描述晶体中电子的粒子性。用这些概念，处理晶体中电子的输运问题，可以把布洛赫电子看成是具有质量m*、动量为k 的准电子，使我们能够只考虑外力作用下这样的准电子的运动。由于通常晶体周期场的作用是未知的，也不象外力那么容易求出，所以引入这两个量，给处理问题带来很大的方便。 三、晶体中电子的有效质量为什么可能为负值？ 甚至还会变成无穷大呢？

设电子与晶格之间的作用力为l F ，则牛顿定律简单记为)(1l F F m

a

+=

但是l F 的具体表达式是难以得知的，要使上式中不出现l F

又要保持式子恒等，上式只

好写成F m

a

*=1也就是说电子的有效质量m*本身已概括了晶格的作用。

二式比较得m

t

F m t F m t F l d d d

+=*将冲量用动量的增量来代换，上式化为：

[[]电子给予晶格的外力给予电子的晶格给予电子的外力给予电子的)()(1])()(1P P m

P P m m p ∆-∆=∆+∆=∆*从上式可以看出，当电子从外场获得的动量大于电子传递给晶格的动量时，有效质量m*>0；当电子从外场获得的动量小于电子传递给晶格的动量时，m*<0；当电子从外场获得的动量全部交给晶格时，m*→∞，此时电子的平均加速度为零。 四、回旋共振测有效质量

在恒定外磁场作用下，晶体中电子或空穴做螺旋运动，回转频率*=

m

B

q 0ω。若在垂直磁场方向加上频率为ω的交变电场，当0ωω=，交变电场的能量将被电子共振吸收，这个现象称为回旋共振。从量子理论的观点，相当于实现了电子在朗道能级上的跃迁。回旋共振测定了许多半导体材料导带底和价带顶附近的有效质量。