《半导体材料物理基础》思考题与自测题(答案要点)

思考题与自测题
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？
2. 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？
3. 简述有效质量与能带结构的关系？
4. 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？
5. 以As 掺入Ge 为例，说明什么是施主杂质，杂质电离过程和n 型半导体。

答案要点：As: 2344s p ；Ge: 244s p 。

As 外5个电子用4 个与Ge 形成共价键，还多一个电子，和Ge 相比，多一个正电中心和一个束缚的电子(束缚态或中性态)，在外界影响下，这个束缚电子挣脱正电子中心的束缚，成为导电电子(杂质电离)。

杂质电离时施放电子故叫施主杂质。

杂质电离过程—被正电中心束缚的电子挣脱束缚的过程。

n 型半导体—主要依靠导带电子导电的半导体叫N 型半导体或电子型半导体。

6. 以Ga 掺入Ge 为例，说明什么是受主杂质，受主杂质电离过程和p 型半导体。

答案要点：Ga ，244s p ；Ge ，2233s p 。

讨论同上。

7. 半导体处于怎样的状态才能叫处于热平衡状态？
8. 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？
9. 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？
10. 若n 型硅中掺入受主杂质，费米能级升高还是降低？若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？
11. 为什么硅半导体器件比锗器件的工作温度高？
12. 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？
13. 区别半导体平衡状态和非平衡状态有何不同？什么叫非平衡载流子？什么叫非平衡载流子的稳定分布？
14. 掺杂、改变温度和光照激发均能改变半导体的电导率，它们之间有何区别？试举例予以说明。

15. 在平衡情况下，载流子有没有复合这种运动形式？为什么着重讨论非平衡载流子的复合运动？
16. 为什么不能用费米能级作为非平衡载流子浓度的标准而要引入准费米能级？费米能级和准费米能级有何区别？
17. 在稳定不变的光照下，半导体中电子和空穴浓度也是保持恒定不变的，但为什么说半导体处于非平衡状态？
18. 说明复合效应和陷阱效应，复合中心和陷阱中心的区别。

19. 陷阱中心的存在，对非平衡载流子的寿命有很大影响，进而影响寿命的测量。

实验中，如何消除这种影响？
答案要点：在脉冲光照的同时，再加上恒定的光照，使陷阱始终处于饱和状态。

例如，测量非平衡电子的寿命，用恒定光照射半导体，使陷阱中始终填满电子。

再用脉冲光照射半导体，这时，产生的Δn和Δp中，Δn中的电子就不会再被陷阱俘获。

这就相当于在电子行进的道路上有陷阱，有些电子就会掉进陷阱里，很难出来，而耽误了与空穴相遇复合，延长了电子-空穴相遇复合所需要的时间。

但现在，先用恒定的光照在半导体上，产生的电子将陷阱填满，即将道路填平，达到另一个平衡态，再用脉冲光照射半导体，测量非平衡载流子寿命。

20. 平衡p–n结有什么特点，画出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向。

21. 定性地画出正向偏置时p–n结能带图；在图上标出准费米能级的位置，并与平衡时p–n结能带图进行比较。

22. 写出p–n结整流方程，并说明方程中每一项的物理意义？
23. 说明p–n结理想模型（即扩散模型）的基本假设。

在推导p–n结电流–电压关系时，这些基本假设体现在哪些地方？
24. 何谓异质结？异质结如何分类？试以锗和砷化镓为例，说明异质结的表示法。

25. 何谓突变异质结？它们与同质的突变p–n结有何区别？
26. 比较异质结与同质结的不同。

根据异质结的独特性质，说明异质结的应
用。

27. 说明MOS 结构中的空间电荷区。

如何才能在半导体表面形成正的空间电荷区和负的空间电荷区？
28. 说明MOS 结构中半导体表面势s V 的物理意义，如何才能保证0>s V 和0<s V
29. 用能带图讨论由n 型半导体构成的MOS 结构的表面势s V 和表面空间电荷的关系。

30. 用图示分析n 型半导体和p 型半导体分别构成的MOS 结构中半导体表面多子积累与耗尽，平带和反型的物理意义。