半導體物理學簡答題及答案

1、第一章1.原子中的電子和晶體中電子受勢場作用情況以及運動情況有何不同原子中內層電子和外層電子參與共有化運動有何不同。答：原子中的電子是在原子核與電子庫倫相互作用勢的束縛作用下以電子云的形式存在，答：原子中的電子是在原子核與電子庫倫相互作用勢的束縛作用下以電子云的形式存在，沒有一個固定的軌道；而晶體中的電子是在整個晶體內運動的共有化電子，在晶體周期性勢場中運動。當原子互沒有一個固定的軌道；而晶體中的電子是在整個晶體內運動的共有化電子，在晶

2、體周期性勢場中運動。當原子互相靠近結成固體時，各個原子的內層電子仍然組成圍繞各原子核的封閉殼層相靠近結成固體時，各個原子的內層電子仍然組成圍繞各原子核的封閉殼層和孤立原子一樣和孤立原子一樣然而，外層價電子則然而，外層價電子則參與原子間的相互作用，應該把它們看成是屬于整個固體的一種新的運動狀態(tài)。組成晶體原子的外層電子共有化參與原子間的相互作用，應該把它們看成是屬于整個固體的一種新的運動狀態(tài)。組成晶體原子的外層電子共有化運動較強，其行為與自

3、由電子相似，稱為準自由電子，而內層電子共有化運動較弱，其行為與孤立原子的電子相運動較強，其行為與自由電子相似，稱為準自由電子，而內層電子共有化運動較弱，其行為與孤立原子的電子相似。似。2.描述半導體中電子運動為什么要引入“有效質量“的概念用電子的慣性質量描述能帶中電子運動有何局限性。答：引進有效質量的意義在于它概括了半導體內部勢場的作用，使得在解決半導體中電子在外力作用下的運動規(guī)答：引進有效質量的意義在于它概括了半導體內部勢場的作用，使

4、得在解決半導體中電子在外力作用下的運動規(guī)律時，可以不涉及半導體內部勢場的作用。慣性質量描述的是真空中的自由電子質量，而不能描述能帶中不自由律時，可以不涉及半導體內部勢場的作用。慣性質量描述的是真空中的自由電子質量，而不能描述能帶中不自由電子的運動，通常在晶體周期性勢場作用下的電子慣性運動，成為有效質量電子的運動，通常在晶體周期性勢場作用下的電子慣性運動，成為有效質量3.一般來說對應于高能級的能帶較寬而禁帶較窄是否如此，為什么？答：不是，

5、能級的寬窄取決于能帶的疏密程度，能級越高能帶越密，也就是越窄；而禁帶的寬窄取決于摻雜的濃答：不是，能級的寬窄取決于能帶的疏密程度，能級越高能帶越密，也就是越窄；而禁帶的寬窄取決于摻雜的濃度，摻雜濃度高，禁帶就會變窄度，摻雜濃度高，禁帶就會變窄，摻雜濃度低，禁帶就比較寬。，摻雜濃度低，禁帶就比較寬。4.有效質量對能帶的寬度有什么影響，有人說:“有效質量愈大能量密度也愈大因而能帶愈窄.是否如此，為什么？答：有效質量與能量函數對于答：有效質量

6、與能量函數對于K的二次微商成反比，對寬窄不同的各個能帶，的二次微商成反比，對寬窄不同的各個能帶，1（k）隨）隨k的變化情況不同，能帶的變化情況不同，能帶越窄，二次微商越小，有效質量越大，內層電子的能帶窄，有效質量大；外層電子的能帶寬，有效質量小。越窄，二次微商越小，有效質量越大，內層電子的能帶窄，有效質量大；外層電子的能帶寬，有效質量小。5.簡述有效質量與能帶結構的關系；答：能帶越窄，有效質量越大，能帶越寬，有效質量越小。答：能帶越窄，

7、有效質量越大，能帶越寬，有效質量越小。6.從能帶底到能帶頂晶體中電子的有效質量將如何變化？外場對電子的作用效果有什么不同；答：在能帶底附近，電子的有效質量是正值，在能帶頂附近，電子的有效質量是負值。在外電答：在能帶底附近，電子的有效質量是正值，在能帶頂附近，電子的有效質量是負值。在外電F作用下，電子的作用下，電子的波失波失K不斷改變，不斷改變，f=h(dkdt)其變化率與外力成正比，因為電子的速度與其變化率與外力成正比，因為電子的速度與

8、k有關，既然有關，既然k狀態(tài)不斷變化，則電子狀態(tài)不斷變化，則電子的速度必然不斷變化。的速度必然不斷變化。7.以硅的本征激發(fā)為例說明半導體能帶圖的物理意義及其與硅晶格結構的聯系，為什么電子從其價鍵上掙脫出來所需的最小能量就是半導體的禁帶寬度答：沿不同的晶向，能量帶隙不一樣。因為電子要擺答：沿不同的晶向，能量帶隙不一樣。因為電子要擺脫束縛就能從價帶躍遷到導帶，這個時候的能量就是最小能量，也就是禁帶寬度。脫束縛就能從價帶躍遷到導帶，這個時候的

9、能量就是最小能量，也就是禁帶寬度。1.為什么半導體滿帶中的少量空狀態(tài)可以用具有正電荷和一定質量的空穴來描述答：空穴是一個假想帶正電的粒子，在外加電場中，空穴在價帶中的躍遷類比當水池中氣泡從水池底部上升時，答：空穴是一個假想帶正電的粒子，在外加電場中，空穴在價帶中的躍遷類比當水池中氣泡從水池底部上升時，氣泡上升相當于同體積的水隨氣泡的上升而下降。把氣泡比作空穴，下降的水比作電子，因為在出現空穴的價帶氣泡上升相當于同體積的水隨氣泡的上升而下

10、降。把氣泡比作空穴，下降的水比作電子，因為在出現空穴的價帶中，能量較低的電子經激發(fā)可以填充空穴，而填充了空穴的電子又留下了一個空穴。因此，空穴在電場中運動，中，能量較低的電子經激發(fā)可以填充空穴，而填充了空穴的電子又留下了一個空穴。因此，空穴在電場中運動，實質是價帶中多電子系統(tǒng)在電場中運動的另一種描述。因為人們發(fā)現，描述氣泡上升比描述因氣泡上升而水下降實質是價帶中多電子系統(tǒng)在電場中運動的另一種描述。因為人們發(fā)現，描述氣泡上升比描述因氣泡上

11、升而水下降更為方便。所以在半導體的價帶中，人們的注意力集中于空穴而不是電子。更為方便。所以在半導體的價帶中，人們的注意力集中于空穴而不是電子。2.有兩塊硅單晶其中一塊的重量是另一塊重量的二倍.這兩塊晶體價帶中的能級數是否相等，彼此有何聯系？答：相等，沒任何關系答：相等，沒任何關系3.為什么極值附近的等能面是球面的半導體當改變磁場方向時只能觀察到一個共振吸收峰。答：各向同性。答：各向同性。5.典型半導體的帶隙。一般把禁帶寬度等于或者大于一

12、般把禁帶寬度等于或者大于2.3ev的半導體材料歸類為寬禁帶半導體，主要包括金剛石，的半導體材料歸類為寬禁帶半導體，主要包括金剛石，SiC，GaN金剛石等。金剛石等。26族禁帶較寬，族禁帶較寬，46族的比較小，如碲化鉛，硒化鉛族的比較小，如碲化鉛，硒化鉛（0.3ev），35族的砷化鎵（族的砷化鎵（1.4ev）。第二章1.說明雜質能級以及電離能的物理意義。為什么受主、施主能級分別位于價帶之上或導帶之下而且電離能的數值較??？答：被雜質束縛的電

13、子或空穴的能量狀態(tài)稱為雜質能級，電子脫離雜質的原子的束縛成為答：被雜質束縛的電子或空穴的能量狀態(tài)稱為雜質能級，電子脫離雜質的原子的束縛成為導電電子的過程成為雜質電離，使這個多余的價電子掙脫束縛成為導電電子所需要的能量成為雜質電離能。雜質導電電子的過程成為雜質電離，使這個多余的價電子掙脫束縛成為導電電子所需要的能量成為雜質電離能。雜質能級離價帶或導帶都很近，所以電離能數值小。能級離價帶或導帶都很近，所以電離能數值小。2.純鍺硅中摻入III

14、或Ⅴ族元素后為什么使半導體電學性能有很大的改變？雜質半導體(p型或n型)應用很廣但為什么我們很強調對半導體材料的提純答：因為摻入答：因為摻入III或Ⅴ族后，雜質產生了電離，使得到導帶中族后，雜質產生了電離，使得到導帶中得電子或價帶中得空穴增多，增強了半導體的導電能力。極微量的雜質和缺陷，能夠對半導體材料的物理性質和得電子或價帶中得空穴增多，增強了半導體的導電能力。極微量的雜質和缺陷，能夠對半導體材料的物理性質和化學性質產生決定性的影響，

15、化學性質產生決定性的影響，，當然，也嚴重影響著半導體器件的質量，當然，也嚴重影響著半導體器件的質量。4.何謂深能級雜質，它們電離以后有什么特點？答：雜質電離能大，施主能級遠離導帶底，受主能級遠離價答：雜質電離能大，施主能級遠離導帶底，受主能級遠離價帶頂。特點：能夠產生多次電離，每一次電離相應的有一個能級。帶頂。特點：能夠產生多次電離，每一次電離相應的有一個能級。5.為什么金元素在鍺或硅中電離后可以引入多個施主或受主能級？答：因為金是深能

16、級雜質，能夠產生多次答：因為金是深能級雜質，能夠產生多次電離，每一次電離相應的有一個能級，因此，金在硅鍺的禁帶往往能引入若干個能級。電離，每一次電離相應的有一個能級，因此，金在硅鍺的禁帶往往能引入若干個能級。同于一般的粒子，并且聲子不能脫離固體存在。同于一般的粒子，并且聲子不能脫離固體存在。電子在半導體中傳輸時若發(fā)生晶格振動散射，則會發(fā)出或者吸收聲子，使電子動量發(fā)生改變，電子在半導體中傳輸時若發(fā)生晶格振動散射，則會發(fā)出或者吸收聲子，使電

17、子動量發(fā)生改變，從而影響到電導率。從而影響到電導率。5.平均自由程，平均自由時間，散射幾率平均自由程：電子在受到兩次散射之間所走過的平均距離；平均自由時間：電子在受到兩次散射之間運動的平均平均自由程：電子在受到兩次散射之間所走過的平均距離；平均自由時間：電子在受到兩次散射之間運動的平均時間；散射幾率時間；散射幾率:用來描述散射的強弱，代表單位時間內一個載流子受到散射的用來描述散射的強弱，代表單位時間內一個載流子受到散射的次數。次數。6.

18、幾種散射機制同時存在，總的散射幾率總散射概率等于多種散射概率之和?？偵⑸涓怕实扔诙喾N散射概率之和。7.一塊本征半導體樣品試描述用以增加其電導率的兩個物理過程。提高遷移率和和提高本征載流子濃度提高遷移率和和提高本征載流子濃度8.如果有相同的電阻率的摻雜鍺和硅半導體問哪一個材料的少子濃度高，為什么？鍺的少子濃度高。由電阻率鍺的少子濃度高。由電阻率=1nqu和（和（ni）2=n0p0以及硅和鍺本征載流子濃度的數量級差別，可以算出鍺的少子濃度高

19、。以及硅和鍺本征載流子濃度的數量級差別，可以算出鍺的少子濃度高。10.光學波散射和聲學波散射的物理機構有何區(qū)別？各在什么樣晶體中起主要作用？光學波散射：彈性散射，散射前后電子能量基本不變。主要在離子性晶體中起作用光學波散射：彈性散射，散射前后電子能量基本不變。主要在離子性晶體中起作用聲學波散射：非彈性散射，散射前后電子能量發(fā)生改變。主要在共價性晶體中起作用。聲學波散射：非彈性散射，散射前后電子能量發(fā)生改變。主要在共價性晶體中起作用。11

20、.說明本征鍺和硅中載流子遷移率隨溫度增加如何變化？遷移率隨溫度的升高逐漸降低遷移率隨溫度的升高逐漸降低12.電導有效質量和狀態(tài)密度有效質量有何區(qū)別？它們與電子的縱向有效質量和橫向有效質量的關系如何？當導帶底的等能面不是球面時，不同方向的電導的有效質量就不同，且態(tài)密度分布可能不同，通過把不同的電導當導帶底的等能面不是球面時，不同方向的電導的有效質量就不同，且態(tài)密度分布可能不同，通過把不同的電導有效質量進行加權平均，就可以換算得到狀態(tài)密度的

21、有效質量。有效質量進行加權平均，就可以換算得到狀態(tài)密度的有效質量。13.對于僅含一種雜質的鍺樣品如果要確定載流子符號、濃度、遷移率和有效質量，應進行哪些測量？進行霍爾系數測量和回旋共振法測有效質量。進行霍爾系數測量和回旋共振法測有效質量。14.解釋多能谷散射如何影響材料的導電性。多能谷之間有效質量不同導致遷移率不同，當電子從一能谷躍遷到另一能谷時，遷移率會減低，導致導電性降低。多能谷之間有效質量不同導致遷移率不同，當電子從一能谷躍遷到另

22、一能谷時，遷移率會減低，導致導電性降低。15.解釋耿氏振蕩現象，振蕩頻率取決于哪些參數？耿氏振蕩來源于半導體內的負微分電導，振蕩頻率決定于外加電壓和器件的長度。耿氏振蕩來源于半導體內的負微分電導，振蕩頻率決定于外加電壓和器件的長度。16.半導體本征吸收與本征光電導本征吸收：半導體吸收光子能量大于帶隙的光子，使電子直接躍遷到導帶。本征吸收：半導體吸收光子能量大于帶隙的光子，使電子直接躍遷到導帶。又本征吸收產生的非平衡載流子的增加使半導體電

23、導率增加。又本征吸收產生的非平衡載流子的增加使半導體電導率增加。17.光電導靈敏度與光電導增益因子光電導靈敏度：單位光照度所引起的光電導光電導靈敏度：單位光照度所引起的光電導增益因子：銅一種材料由于結構不同，可以產生不同的光電導效果，用增益因子來表示光電導的增強。增益因子：銅一種材料由于結構不同，可以產生不同的光電導效果，用增益因子來表示光電導的增強。第五章1.區(qū)別半導體平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)有何不同？什么叫非平衡載流子？什么叫非平衡載流

24、子的穩(wěn)定分布半導體半導體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導體施加外界作用，破壞了熱平衡條件，這就迫使它處于與熱平衡的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導體施加外界作用，破壞了熱平衡條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡態(tài)的半導體比平衡態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡態(tài)的半導體比平衡態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。2.摻雜、改變溫度和

25、光照激發(fā)均能改變半導體的電導率，它們之間有何區(qū)別？試從物理模型上予以說明。摻雜：增加濃度，溫度：增加本征載流子摻雜：增加濃度，溫度：增加本征載流子光照：產生非平衡載流子，增加載流子數目光照：產生非平衡載流子，增加載流子數目4.為什么不能用費米能級作為非平衡載流子濃度的標準而要引入準費米能級？費米能級和準費米能級有何區(qū)別？當熱平衡狀態(tài)受到外界影響，遭到破壞當熱平衡狀態(tài)受到外界影響，遭到破壞使半導體處于非平衡狀態(tài)使半導體處于非平衡狀態(tài)不再存

26、在統(tǒng)一的費米能級不再存在統(tǒng)一的費米能級因為費米能級和統(tǒng)計因為費米能級和統(tǒng)計分布函數都是指熱平衡狀態(tài)下。而分別就價帶和導帶中的電子來說分布函數都是指熱平衡狀態(tài)下。而分別就價帶和導帶中的電子來說它們各自基本上處于平衡狀態(tài)它們各自基本上處于平衡狀態(tài)導帶和價帶之間導帶和價帶之間處于不平衡狀態(tài)，準費米能級是不重合的。處于不平衡狀態(tài)，準費米能級是不重合的。5.在穩(wěn)定不變的光照下，半導體中電子和空穴濃度也是保持恒定不變的，但為什么說半導體處于非平衡狀

27、態(tài)？光照是外部條件，光照是外部條件，6.說明直接復合、間接復合的物理意義。直接：電子在導帶和價帶之間的直接躍遷而引起的電子和空穴的復合消失過程直接：電子在導帶和價帶之間的直接躍遷而引起的電子和空穴的復合消失過程間接復合：電子空穴通過禁帶中的能級復合；間接復合：電子空穴通過禁帶中的能級復合；7.區(qū)別:復合效應和陷阱效應，復合中心和陷阱中心，俘獲和復合，俘獲截面和俘獲幾率。復合效應：復合效應：陷阱效應：積累非平衡載流子的作用。相應的雜質和缺