(整理)中山大學(xué)半導(dǎo)體物理級(jí)其中考試試卷-標(biāo)準(zhǔn)答案.

1、中山大學(xué)考試試卷（期中卷A）課程名稱：半導(dǎo)體物理教師：陳弟虎精品文檔考試時(shí)間：第13周星期（11月30日）題號(hào)-一一二三四五六七八九十總分得分評(píng)分人:名姓.號(hào)學(xué).業(yè)專院學(xué)工理.院學(xué)-EcE章&&EvEv(a)np>n.2(b)np=n.2(c)np<ni2一、填空題（每題3分、共30分）1. 在能帶頂電子的有效質(zhì)量是負(fù)的，而空穴的有效質(zhì)量是正的。2. 在半導(dǎo)體中，雜質(zhì)所形成的電子態(tài)一般都是位于禁帶中;當(dāng)半導(dǎo)體在電場(chǎng)的作用下，其能帶必然發(fā)一變化或頃斜。3. 在摻雜半導(dǎo)體中，載流子濃度主要取決于雜質(zhì)濃度和溫度兩種因素。在強(qiáng)電離區(qū)，載流子濃度為有效雜質(zhì)濃度。雜質(zhì)濃度，而在

2、高溫本征區(qū)，載流子濃度為本征載流子濃度。4. 在半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴遵從玻爾茲曼分布或費(fèi)米分布。其簡(jiǎn)并化條件為：當(dāng)ef非常接近或進(jìn)入導(dǎo)帶（價(jià)帶）時(shí)，稱為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，載流子濃度服從費(fèi)米分布：而當(dāng)EC-EfkT或Ef-EVkT時(shí)，稱為非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，載流子濃度服從玻爾茲曼分布。5. 根據(jù)費(fèi)米能級(jí)的位置填寫下面空白（大于、等于或小于）6. 在熱平衡條件下，溫度T大于0K,電子能量位于費(fèi)米能級(jí)時(shí)，電子態(tài)的占有幾率是1/2。若E位于E,試計(jì)算狀態(tài)在E+kT時(shí)發(fā)現(xiàn)電子的幾率為（l+e）-i。在FCCE+kT時(shí)，若狀態(tài)被占據(jù)的幾率等于狀態(tài)未被占據(jù)的幾率。此時(shí)費(fèi)米能級(jí)位于何處?FC7. 導(dǎo)出能量在E和E

3、+ykT之間時(shí)，y是任意常數(shù)，導(dǎo)帶上的有效狀態(tài)總數(shù)(狀態(tài)數(shù)/cm3)的表達(dá)式為CC(8冗V/3)x(2m*ykT/h3)3/2。8. 在半導(dǎo)體導(dǎo)帶底之上能量為E=EC+k0T的電子狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率為e-io,則該半導(dǎo)體材料內(nèi)費(fèi)米能級(jí)的位置為B:(A)Ef=EC,(B)EC-EF=9k0T,(C)EC-EF=1Ok0T(D)EF=EC+k0T9. 在保持300K溫度時(shí)，硅器件顯示出如下能帶圖，使用該能帶圖回答下列問題：(數(shù)值計(jì)算取ni=10i0/cm3,k0T=0.0259eV)(6分)(1)(2)半導(dǎo)體處于平衡態(tài)嗎？(A)平衡(B)不平衡半導(dǎo)體在何處是簡(jiǎn)并的？(A)在靠近X=0處L2L在I

4、-X丁A)(C)不能確定C)(C) 在靠近x=L處(D) 任何地方都不是在x=x處，p=?(B)2(A)7.63x106/cm3(B)1.35x10i3/cm3(4)流過x=X處，電子的電流密度Jn為(ApnEpnE(A)0(B)nig(C)-nigLL(C)10io/cm3)(D)1.72xl0i6/cm3(D)n(x)-n(0)c，(5)流過x=x1處，空穴的漂移電流密度JEp為：pnE(C)-p；L(A)0pnE(B)PiL(D)qp二、論述題：（30分，每題15分）1. 一維晶格能量E與波矢k的關(guān)系如圖所示。分別討論下列問題：（1）假設(shè)電子能譜和自由電子一樣，寫出與簡(jiǎn)約波矢k=1/4a

5、對(duì)應(yīng)的A（第I能帶），B（第II能帶）和C（第III能帶）三點(diǎn)處的能量E。（2）在k=0處，圖中哪個(gè)能帶上的電子有效質(zhì)量最小？（3）在k=0處，第II能帶上空穴的有效質(zhì)量|mp*|比第III能帶上的電子有效質(zhì)量|mn*|大還是?。浚?）當(dāng)k為何值時(shí)，能帶I和能帶II之間，能帶II和能帶III之間發(fā)生躍遷需要的能量最?。拷?(1)E(k)=E(0)+h2k2/2m*=E(0)+h2/32m*EA(k)=E(0)+h2k2/2m*=EI(0)+h2/32mI*EB(k)=E(0)+h2k2/2m*=EII(0)+h2/32mII*EC(k)=E(0)+h2k2/2m*=EIII(0)+h2/32m

6、III*(2) mI*>0,mIII*>0,mII*<0在k=0處，II帶上的有效質(zhì)量最小(3) 在k=0處第二能級(jí)上空穴的有效質(zhì)量的大小mp*第三能級(jí)上電子的有效質(zhì)量的大小mn*(4) k=1/2a和k=0時(shí)，能級(jí)I與II和能級(jí)II與III之間發(fā)生的躍遷需要能量最小。2、畫圖描述下列問題（15分）（1）能帶圖中，標(biāo)出下列能級(jí)的通常位置（為避免出現(xiàn)錯(cuò)誤可填加必要的說明）（a）耳-本征費(fèi)米能級(jí)（b）ED-施主能級(jí)（c）EA-受主能級(jí)（d）ET-產(chǎn)生-復(fù)合能級(jí)（e）Ef-對(duì)應(yīng)于簡(jiǎn)并摻雜的p型材料用能帶圖，畫出溫度分別為300K、40K和0K時(shí)，位于施主能級(jí)上電子凍結(jié)過程的示意圖像

7、.（3）使用價(jià)鍵模型，畫出施主的物理圖像.（4）畫出p型摻雜的硅半導(dǎo)體中，載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)的位置隨溫度的變化曲線（5）畫出表面電勢(shì)為正時(shí)，在N型半導(dǎo)體內(nèi)的費(fèi)米能級(jí)，并說明該表面是電子勢(shì)阱還是電子勢(shì)壘解:(1)etE.1EVEf(2)OK汕盤F升島(3)IDiiiiiiIiFjIaI_JLin1i斗站Bi1Ji%*口,-/JIf+iE7K|*/-1/oPQflMJ31®4«j5WbOOF<K二、計(jì)算題1、466克的Si單晶，摻有4.5x10-5克的硼B(yǎng),設(shè)雜質(zhì)全部電離，求該材料的電阻率。設(shè)遷移率卩p=500cm2/v.s硅單晶的密度為2.33克/cm3,B的原子量為

8、10.8，阿伏伽德羅常數(shù)為N=6x1023mol-1.（10分）解466/2.33=200cm-3Na=(.5x10-5/10.8)(6x1023/200)=1.25x1016cm-3P0=NA=1.25x1016cm-3p=1/pqPp=1Qcm2、求在下列條件下，均勻摻雜硅樣品中平衡狀態(tài)的電子和空穴濃度及Ef-E.的值Fi（1）T=300K,NA=9x1015/cm3,ND=1016/cm3（10分）(2)T=450K,NA=0,ND=1014/cm3(3)T=650K,N,=0,N“=1014/cm3(注：T=300K:ni=10io/cm3,Eg=1.12eV;T=450K:n.=4x

9、10i3/cm3,E=1.08eV;igT=650K:ni=1016/cm3,Eg=1.015eV)解:(1)n=ND'=ND-NA=1015cm-3p=ni/n=105cm-3Ef-EC=kTln(n/Nc)=-0.262eVEF-Ei=EF-(EC-Eg/2)=0.298eV(2) 過渡區(qū)：n=ND+(ND2+4ni2)1/2/2=1.14x1014cm-3p=ni2/n=1.4x1013cm-3Ef-EC=kTln(n/Nc')=-0.508eVEF-Ei=EF-(EC-Eg/2)=0.032eV(3) 高溫本征區(qū)n=ND+ni=1.01x1016cm-3p=ni2/n=

10、1x1016cm-3Ef-E.=0Fi3、T=300K時(shí)的硅材料，其摻雜濃度為NA=1016cm-3。求使半導(dǎo)體變成n型且費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶底下0.2eV處，要摻施主雜質(zhì)的濃度Nd？(T=300K時(shí)，NC=2.8x1019cm-3,ni=1.5x1010cm-3,Eg=1.12eV,不同計(jì)算方法用到的常數(shù)不同)(10分)解:NE-E=kTln(c)CFN-NDA-(E-E)N-N=Nexpc丄DACkTN-N=2.8x1019exp=1.24x1016cm-3da0.0259N=N+1.24x1016=2.24x1016cm-3DA4、有一n型半導(dǎo)體，除施主濃度ND外，還有少量的受主，其濃度為NA，求弱電離情況電子濃度的表達(dá)式（NC,ED為已知，且電子分布為費(fèi)米分布）（10分）解:當(dāng)有受主存在時(shí)，從施主激發(fā)出來的電子，有一部分要填充受主能級(jí)EA,電中性條件為：N+n二N+A0D其中N+為電離施主濃度DNDEE、FD)kT0N+二N1f(E)二一DDD1+exp(n為導(dǎo)帶中電子濃度0EEn二Nexp(cf)0ckT0EEckT0所以：N+Nexp(AC