半导体中的电子状态课件

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1、 一、填空一、填空1.化合物半导体的禁带宽度一般随平均原子系数的增加化合物半导体的禁带宽度一般随平均原子系数的增加而而 其离子键成分随着构成元素电负性差别的增大其离子键成分随着构成元素电负性差别的增大而而 。2.在半导体硅中杂质磷起在半导体硅中杂质磷起 作用；作用；Al起起 作用，作用，同时含磷和铝，但铝浓度高的同时含磷和铝，但铝浓度高的Si是是 型半导体。型半导体。3.II-VI族化合物半导体中的非金属原子空位起族化合物半导体中的非金属原子空位起 作作用，用，ZnS 难以通过掺杂改变其导电类型，难以通过掺杂改变其导电类型，是因为其是因为其中的中的 空位形成能较低。空位形成能较低。4.电子的直

2、接跃迁是指其始态和末态没有电子的直接跃迁是指其始态和末态没有 变化变化的跃迁；符合这种跃迁要求的能带是的跃迁；符合这种跃迁要求的能带是 。5.一种半导体一种半导体E(k)曲线的导带底曲率大于其价带顶曲率曲线的导带底曲率大于其价带顶曲率,由此知其电子有效质量由此知其电子有效质量 于空穴有效质量，其电子于空穴有效质量，其电子迁移率迁移率 于空穴迁移率。于空穴迁移率。变窄变窄增加增加受主受主P施主施主硫硫准动量准动量直接禁带直接禁带小小大大施主施主2 2、元素的电负性及其变化规律、元素的电负性及其变化规律 Li 1.0 Be 1.5 B 2.0 C 2.5 N 3.0 O 3.5 F 4.0Ne 4

3、.44 Na 0.9 Mg 1.2 Al 1.5 Si 1.8 P 2.1 S 2.5 Cl 3.0Ar 3.46 Cu 1.9 Zn 1.6 Ga 1.6 Ge 1.8 As 2.0 Se 2.4 Br 2.8Kr 3.24 Ag 1.9 Cd 1.7 In 1.7 Sn 1.8 Sb 1.9 Te 2.1 I 2.3Xe 3.02 Au 2.4 Hg 1.9 Tl 1.8 Pb 1.8 Bi 1.9 Rn 3.0He 3.58H 2.10硅、锗、砷化镓的能带结构硅、锗、砷化镓的能带结构6、GaN比比GaAs的禁带宽度的禁带宽度 ；这与；这与N比比As的电负性的电负性 有关有关砷化镓中替代镓

4、位的硅原子起砷化镓中替代镓位的硅原子起 主作用；这样的砷化镓是主作用；这样的砷化镓是 型型半导体。半导体。7、氮在、氮在GaP中替代磷原子的位置后起中替代磷原子的位置后起 作用，而在碳化作用，而在碳化硅中起硅中起 主作用。主作用。8、硅的导带底在其简略布里渊区、硅的导带底在其简略布里渊区 方向的边界附近，其价方向的边界附近，其价带顶在简略布里渊区的带顶在简略布里渊区的 ，因而其能带结构属，因而其能带结构属 型。型。9、EFEC0的半导体叫的半导体叫 半导体，其施主浓度半导体，其施主浓度 于导带于导带底等效态密度。底等效态密度。10、半导体中费米能级随着温度的升高向禁带、半导体中费米能级随着温度

5、的升高向禁带 移动，随着移动，随着杂质浓度的提高向禁带杂质浓度的提高向禁带 移动移动11、载流子的迁移率与其、载流子的迁移率与其 成反比，与成反比，与其其 成正比，重掺杂使载流子迁移成正比，重掺杂使载流子迁移率率 。12、n型半导体中由直接辐射复合决定的少数载流子寿命，型半导体中由直接辐射复合决定的少数载流子寿命，在小注入条件下与在小注入条件下与 无关而与无关而与 成反比，但在大成反比，但在大注入条件下会与注入条件下会与 无关而与无关而与 成反比。成反比。13、在讨论额外载流子的扩散时，将载流子的、在讨论额外载流子的扩散时，将载流子的 与与 与与 之比理解为载流子的扩散速度；扩散速度之比理解为

6、载流子的扩散速度；扩散速度的高低与迁移率的高低与迁移率 关，与少子寿命关，与少子寿命 关。关。14、零偏置、零偏置pn结势垒区的势垒高度等于构成该结势垒区的势垒高度等于构成该pn结的两种结的两种半导体的半导体的 之差；正偏置使势垒之差；正偏置使势垒 ，反偏，反偏置使势垒置使势垒 。15、n型半导体中少数载流子的扩散长度定义式为型半导体中少数载流子的扩散长度定义式为 ，其值与额外载流子的复合过程其值与额外载流子的复合过程 关，与载流子的散射关，与载流子的散射过程过程 关。关。16、迁移率随温度变化的函数关系在散射主要由电离杂质起、迁移率随温度变化的函数关系在散射主要由电离杂质起作用时可表示为作用

7、时可表示为 ；主要通过声学声子起作用时可；主要通过声学声子起作用时可表示为表示为 。pppDL)()()(001010pnrrNpprnnrnptpn解：按题意，这两个解：按题意，这两个n型半导体半导体的费米能级比较靠近型半导体半导体的费米能级比较靠近导带底，因而导带底，因而n0p0，且即便对复合中心能级相对靠近禁带，且即便对复合中心能级相对靠近禁带中部的样品中部的样品B，由于距本征费米能级仍有相当距离，仍可知，由于距本征费米能级仍有相当距离，仍可知n1p1。因此，这两个样品的小注入少子寿命皆可由。因此，这两个样品的小注入少子寿命皆可由010)(nrNnnpt)()()(001010pnrrN

8、pprnnrnptpn对样品对样品B，因其，因其ETEF10kT，即，即n1n0e-10NA且完全且完全电离，所以电离，所以 n0=有效施主浓度有效施主浓度=1.5 10131.0 1013=5 1012（cm-3）由由n0 p0=ni2=2.25 1020 cm-6，知，知 p0=ni2/n0=4.5 107（cm-3）本题属轻掺杂非简并情况，因此由本题属轻掺杂非简并情况，因此由可得可得七、对非简并半导体，从利用等效态密度七、对非简并半导体，从利用等效态密度NC和和NV求热平衡求热平衡载流子密度载流子密度n0和和p0的公式出发，推出利用本征载流子密度的公式出发，推出利用本征载流子密度ni和本

9、征费米能级和本征费米能级Ei求求n0和和p0的公式。的公式。解：本征载流子密度即解：本征载流子密度即EF=Ei时的热平衡电子密度和空穴时的热平衡电子密度和空穴密度，于是由密度，于是由由此两式可将有效态密度由此两式可将有效态密度NC和和NV分别用分别用ni和和Ei表示为表示为kTEENnFCCexp0kTEENpVFVexp0 和和 kTEENniCCiexpkTEENnViViexp(1)得得 和和 (2)kTEEnNiCiCexpkTEEnNViiVexp 和和 (3)kTEEnniFiexp0kTEEnpFiiexp0于是，代式（于是，代式（3）入（）入（1），即得），即得 和 和和 八、

10、一种八、一种n-型半导体在两种不同掺杂浓度下的热平衡电子密度型半导体在两种不同掺杂浓度下的热平衡电子密度n0随温度随温度变化的曲线如图所示。设所掺杂质性质相同，浓度如曲线近旁所示。请变化的曲线如图所示。设所掺杂质性质相同，浓度如曲线近旁所示。请指出所绘曲线的不合理之处。指出两条曲线在高温下逐渐逼近的那条直指出所绘曲线的不合理之处。指出两条曲线在高温下逐渐逼近的那条直线代表什么，其斜率与半导体的什么特征参数有关？线代表什么，其斜率与半导体的什么特征参数有关？ND=11016 cm-3ND=51014 cm-3n0(cm-3)101110121013101510141017101610181000

11、/TsNrTpp3.010315.11183160107.1cmNNnTD 解：令解：令R1和和R2分别表示该电阻在分别表示该电阻在300K和和600K时的阻值，时的阻值，1和和 2分别表示制成该电阻的半导体材料在相应温度下的分别表示制成该电阻的半导体材料在相应温度下的电导率值，电导率值，ni1和和ni2分别表示该半导体材料在相应温度下的分别表示该半导体材料在相应温度下的本征载流子密度。本征载流子密度。材料的禁带宽度和两种载流子的迁移材料的禁带宽度和两种载流子的迁移率都不随温度变化，那么就应有率都不随温度变化，那么就应有 1/2ni1/ni2。因此，因此，由由ni=(NCNV)1/2exp(-

12、Eg/(2kT)和和R2/R1 1/2可得可得)11(2exp)(122/32112112TTkETTRnnRRgii5.657.222500解：根据题意知该解：根据题意知该n型硅样品中电子和空穴的热平衡密度分别为：型硅样品中电子和空穴的热平衡密度分别为：3402031601025.2/,10cmnnpcmni而稳定光照下的额外载流子密度而稳定光照下的额外载流子密度312186101010cmGnpp即即n0 n，pp0，所以，稳定光照下的载流子密度分别为，所以，稳定光照下的载流子密度分别为312316010,10cmppcmnn光照取消后光照取消后1 s时刻的剩余额外载流子密度时刻的剩余额外

13、载流子密度 此题说明，在小注入条件下的非平衡状态，多数载流子密度此题说明，在小注入条件下的非平衡状态，多数载流子密度相对平衡状态没有明显变化，而少数载流子密度变化很大。相对平衡状态没有明显变化，而少数载流子密度变化很大。其值仍其值仍p0，所以，此时刻的载流子密度分别为，所以，此时刻的载流子密度分别为31112/11107.3110cmeepnpptstst31113160107.3,10cmppcmnnst 答答:长波光学声子比长波声学声子能量高，且能量基本不长波光学声子比长波声学声子能量高，且能量基本不随波矢变化，而长波声学声子的能量与波矢呈线性变化随波矢变化，而长波声学声子的能量与波矢呈线

14、性变化关系。电子在同一能谷中的散射能量和动量的改变都很关系。电子在同一能谷中的散射能量和动量的改变都很小，因而主要吸收或发射长波声学声子。小，因而主要吸收或发射长波声学声子。在所考虑的整个温度范围，金属中的自由电子密度几乎不发生变化，在所考虑的整个温度范围，金属中的自由电子密度几乎不发生变化，但晶格振动对电子的散射作用随着温度的升高而增强，电子的迁移率随但晶格振动对电子的散射作用随着温度的升高而增强，电子的迁移率随着温度的升高而下降，因而电阻率随着温度的升高而升高，即具有正的着温度的升高而下降，因而电阻率随着温度的升高而升高，即具有正的温度系数。温度系数。半导体的载流子密度在杂质电离区和本征激

15、发区都随着温度的升高半导体的载流子密度在杂质电离区和本征激发区都随着温度的升高而指数上升，即便载流子迁移率在这两个温区随着温度的升高而下降，而指数上升，即便载流子迁移率在这两个温区随着温度的升高而下降，因其变化规律大体为幂函数，迁移率下降对电阻率的影响远不如载流子因其变化规律大体为幂函数，迁移率下降对电阻率的影响远不如载流子密度升高的作用大，因此半导体的电阻率在这两个温区随着温度的升高密度升高的作用大，因此半导体的电阻率在这两个温区随着温度的升高而下降，即温度系数为负值。在饱和区，由于半导体中载流子密度也像而下降，即温度系数为负值。在饱和区，由于半导体中载流子密度也像金属一样基本不变，而迁移率受晶格振动的影响随温度上升而下降，因金属一样基本不变，而迁移率受晶格振动的影响随温度上升而下降，因而电阻率随着温度的升高而升高。而电阻率随着温度的升高而升高。