半导体物理思考题

1、为什么内壳层电子能带窄，外层电子能带宽？
答：内层电子处于低能态，外层电子处于高能态，所以外层电
子的共有化运动能力强，因此能带宽。

2、为什么点阵间隔越小，能带越宽？
点阵间隔越小，电子共有化运动能力越强，能带也就越宽。

3、简述半导体的导电机构
导带中的电子和价带中的空穴都参与导电。

4、什么是本征半导体、n型半导体、p型半导体？
答：纯净晶体结构的半导体称为本征半导体；自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体称为n型半导体；空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体称为p型半导体。

5、什么是空穴？电子和空穴的异同之处是什么？
（1）在电子脱离价键的束缚而成为自由电子后，价键中所留下的空位叫空穴。

（2）相同点：在真实空间的位置不确定；运动速度一样；数量一致。

不同点：有效质量互为相反数；能量符号相反；电子带负电，空穴带正电。

6、为什么发光器件多半采用直接带隙半导体来制作？
答：直接带隙半导体中载流子的寿命很短，同时，电子和空穴只要一相遇就会发生复合，这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出，因此发光效率高。

7、半导体的五大基本特性
(1)负电阻温度效应：温度升高，电阻减小。

(2)光电导效应：由辐射引起的被照射材料的电导率改变的现象。

(3)整流效应：加正向电压时，导通；加反向电压时，不导通。

(4)光生伏特效应：半导体和金属接触时，在光照射下产生电动势。

(5)霍尔效应：通有电流的导体在磁场中受力的作用，在垂直于电流和磁场的方向产生电动势的现象。

1、简述实际半导体中杂质与缺陷来源。

①原材料纯度不够；②制造过程中引入；③人为控制掺杂。

2、什么是点缺陷、线缺陷、面缺陷？
（1）点缺陷：三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷；（2）线缺陷：三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方向上尺寸较大的缺陷；（3）面缺陷：二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。

3、点缺陷类型有哪些？答：①空位；②基质原子的填隙；③杂质原子的填隙与替位。

4、简述肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷的异同之处。

答：（1）共同点：都是热缺陷（2）不同点：弗伦克尔缺陷是空位和间隙质点成对缺陷，晶体体积不发生改变；肖特基缺陷：正离子和负离子空位是成比例出现，伴随体积的增加。

5、元素半导体掺杂工艺有哪些？
答：①外延；②离子注入；③热扩散。

6、什么是施主杂质？什么是受主杂质？以Si为例说明。

Ⅴ族元素在硅中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质；Ⅲ族元素在硅中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质。

7、本征激发？什么是本征半导体？本征半导体的特征
1）电子从价带直接向导带激发，成为导带电子的过程就是本征激发。

（2）纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。

（3）电子浓度等于空穴浓度，载流子少，导电性差，温度稳定性差。

8、在半导体中掺入杂质的作用是什么？
答：半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生杂质能级，从而改变半导体的导电性和决定半导体的导电类型。

9、浅能级杂质和深能级杂质对半导体性质的影响是什么？
1.浅能级：改变半导体的导电性和决定半导体的导电类型。

2.深能级：（1）不容易电离，对载流子浓度影响不大；
（2）一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级，也产生受主能级；
（3）能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。

10、为什么在半导体掺杂中，杂质会产生多个能级？
因为杂质能级与杂质原子的电子壳层结构、杂质原子的大小、杂质在半导体晶格中的位置等因素有关，各种因素的不同影响使得杂质产生多个能级。

11、阐述深能级杂质的特点。

（1）不容易电离，对载流子浓度影响不大；（2）一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级，也产生受主能级；（3）能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。

12、元素半导体中的缺陷、原子空位起什么作用？间隙起什么作用？1）缺陷、原子空位起受主作用2）间隙起施主作用。

13、什么是杂质半导体？掺入杂质的本征半导体
1、热平衡时载流子浓度由哪些因素决定？
①能量状态密度；②电子分布函数
2、什么是能量状态密度？
能带中能量E附近单位能量间隔内的量子态数。

3、解释费米能级及其物理意义。

（1）费米能级是半导体中大量电子构成的热力学系统的化学势。

（2）费米能级的意义：在各种温度下，在该能级上的一个状态被电子占据的几率正好是1/2。

代表了电子的填充能级高低。

4、阐述影响本征半导体载流子浓度的主要因素。

答：①能带结构：在一定温度下，禁带宽度越窄的半导体，本征载流子浓度越大；②温度：对于给定的半导体材料，其本征载流子浓度随温度升高而迅速增加。

5、为什么器件正常工作大多在饱和电离区？
答：温度太低或太高，器件都无法正常工作。

而在饱和电离区，半导体的载流子浓度基本与温度无关，此时可以正常工作。

6、为什么能带能级可以允许两个电子占据而杂质能级最多容纳一个电子？
当一个电子被杂质或缺陷的缺陷中心的束缚态俘获后，该束缚态或陷阱能级就消失了。

也就是说，对于第二个电子看来这些能级是不存在的，所以第二个电子不可能被俘获。

1、一般半导体电导率的表达形式
σ=σn+σp=nqμn+ pqμp
2、半导体中空穴迁移率一般比电子迁移率低？
首先迁移率指的是单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速度。

因为空穴运动比电子困难，所以空穴的平均漂移速度小于电子。

3、半导体中载流子的散射机构
答：①电离杂质散射；②晶格散射；③其他散射。

4、简述电离杂质散射的散射几率与温度、杂质浓度的关系。

Pi∝NiT-3/2。

杂质浓度Ni越大，载流子遭受散射的机会越多，即散射几率大。

温度越高，载流子热运动的平均速度越大，可以较快地掠过杂质离子，偏转就小，所以散射几率小。

5、简述半导体的迁移率与杂质浓度、温度的关系。

（1）杂质浓度Ni的影响：①杂质浓度低，少子与多子迁移率相同；②杂质浓度变大，迁移率降低；③杂质浓度高，少子迁移率大于多子迁移率，随浓度增大差别加大。

（2）①高温时，主要是晶格散射，温度升高，迁移率减小；
②低温时，主要是电离杂质散射，温度升高，迁移率增大。

6、简述含有一定杂质浓度的半导体中电阻率与温度的关系（1）温度很低时，电阻率随温度升高而降低。

因为这时本征激发极弱，可以忽略；载流子主要来源于杂质电离，随着温度升高，载流子浓度逐步增加，相应地电离杂质散射也随之增加，从而使得迁移率随温度升高而增大，导致电阻率随温度升高而降低。

（2）温度进一步增加，电阻率随温度升高而升高。

在这一温度范围内，杂质已经全部电离，同时本征激发尚不明显，故载流子浓度基本没有变化。

对散射起主要作用的是晶格散射，迁移率随温度升高而降低，导致电阻率随温度升高而升高。

（3）温度再进一步增加，电阻率随温度升高而降低。

这时本征激发越来越多，虽然迁移率随温度升高而降低，但是本征载流子增加很快，其影响大大超过了迁移率降低对电阻率的影响，导致电阻率随温度升高而降低。

当然，温度超过器件的最高工作温度时，器件已经不能正常工作了。

7、什么是迁移率？影响迁移率的主要因素有哪些？
（1）迁移率是指单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速度；
（2）主要受材料内部的散射因素影响，还与单位载流子的电荷量、载流子的平均自由时间和载流子有效质量有关。

2、如何设计一个电路研究光照对半导体中非子浓度的影响？答：tu
3、简述准费米能级的概念。

统一的费米能级是热平衡状态的标志。

当外界的影响破坏了热平衡，使半导体处于非平衡状态时，就不再存在统一的费米能级。

但是可以认为，分别就导带和价带中的电子讲，他们各自基本上处于平衡状态，导带与价带之间处于不平衡状态。

因为费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍是适用的，可以引入导带费米能级和价带费米能级，它们都是局部的费米能级，称为“准费米能级”。

4、简述能级杂质在半导体复合中所起的作用。

1）浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用；
2）深能级杂质在半导体中起复合中心或缺陷的作用。

5、影响表面复合的因素有哪些？
表面粗糙度；表面积与总体积的比例；表面清洁度、化学氛围。

6、什么是陷阱效应？
陷阱效应是指非平衡载流子落入位于禁带中的杂质或缺陷能级Et中，使在Et上的电子或空穴的填充情况比热平衡时有较大的变化，从而引起△n=△p。

7、计算题：对于n型硅，ND=1016/cm3，光注入非子△n=△p=1014/cm3，计算有无光照时得电导率，其中：μn=1200cm2/V•S，μp=400cm2/V•S。

解：无光照时：σ0=nqμn=NDqμn=1016×1.602×10-19×1200≈1.92（S/cm）
有光照时：△n=△p=1014cm-3<<ND，为小注入σ=（n0+△n）qμn+（p0+△p）qμp =[(1016+1014)×1200+1014×400]×1.602×10-19=1.945（S/cm）。