半导体物理复习要点答案

一、填充题

1. 两种不同半导体接触后, 费米能级较高的半导体界面一侧带 正 电达到热平衡后两者的费米能级 相等 。

2. 半导体硅的价带极大值位于k空间第一布里渊区的中央，其导带极小值位于

【100】 方向上距布里渊区边界约0.85倍处，因此属于 间接带隙 半导体。

3. 晶体中缺陷一般可分为三类：点缺陷，如 空位 间隙原子 ；

线缺陷，如 位错 ；面缺陷，如层错和晶粒间界。 4. 间隙原子和空位成对出现的点缺陷称为 弗仓克耳缺陷 ；形成原子空位而无间隙原子的点缺陷称为 肖特基缺陷 。

5． 浅能级 杂质可显著改变载流子浓度； 深能级 杂质可显著改变非平衡载流子的寿命，是有效的复合中心。

6. 硅在砷化镓中既能取代镓而表现为 施主能级 ，又能取代砷而表现为 受主能级 ，这种性质称为杂质的双性行为。

7．对于ZnO半导体，在真空中进行脱氧处理， 可产生 氧空位 ， 从而可获得 n型 ZnO半导体材料。

8．在一定温度下，与费米能级持平的量子态上的电子占据概率为 1/2 ，高于费米能级2kT能级处的占据概率为 1/1+exp(2) 。

9．本征半导体的电阻率随温度增加而 单调下降 ，杂质半导体的电阻率随温度增加，先下降然后 上升至最高点 ，再单调下降。

10．n型半导体的费米能级在极低温（0K）时位于导带底和施主能级之间 中央 处，随温度升高，费米能级先上升至一极值，然后下降至 本征费米能级 。

11. 硅的导带极小值位于

k空间布里渊区的 【100】

方向。

12. 受主杂质的能级一般位于 价带顶附近 。

13. 有效质量的意义在于它概括了半导体 内部势场 的作用。

14. 间隙原子和空位成对出现的点缺陷称为 弗仓克耳缺陷 。

15. 除了掺杂， 引入缺陷 也可改变半导体的 导电类型。

16. 回旋共振 是测量半导体内载流子有效质量的重要技术手段。 17. PN结电容可分为 势垒电容 和扩散电

容两种。

18. PN结击穿的主要机制有 雪崩击穿 、隧道击穿和

热击穿。

19. PN结的空间电荷区变窄，是由于PN结加的是 正向电压

电压。

20.能带中载流子的有效质量反比于能量函数对于波矢

k的 二阶导

数 ，引入有效质量的意义在于其反映了晶体材料的 内部势场 的作用。

21. 从能带角度来看，锗、硅属于 间接带隙 半导体，而砷化稼属于 直接带隙 半导体，后者有利于光子的吸收和发射。

22．除了 掺杂 这一手段， 通过引入 引入缺陷 也

可在半导体禁带中引入能级，从而改变半导体的导电类型。

23. 半导体硅导带底附近的等能面是沿 【100】 方向的旋转椭球面，载流子在长轴方向（纵向）有效质量ml 大于 在短轴方向（横向）有效质量mt。

24. 对于化学通式为MX的化合物半导体，正离子M空位一般表现为 受主杂质 ，正离子M为间隙原子时表现为 施主杂质 。

25. 半导体导带中的电子浓度取决于导带的 状态密度 （即量子态按能量如何分布）和 费米分布函数 （即电子在不同能

量的量子态上如何分布）。

26．通常把服从 玻尔兹曼分布 的电子系统称为非简并性系统，服从 费米分布 的电子系统称为简并性系统。 27．对于N型半导体，其费米能级一般位于禁带中线以上，随施主浓度增加，费

米能级向 导带底 移动，而导带中的电子浓度也随之 增加 。

28．对于同一种半导体材料其电子浓度和空穴浓度的乘积与 温度 有关，

而对于不同的半导体材料其浓度积在一定的温度下将取决于 禁带宽度 的大小。

29．如取施主杂质能级简并度为2,当杂质能级与费米能级重合时施主杂质有 1/3 电离， 在费米能级之上2kT时有 1/1+2exp(-2) 电离。

31． 两种不同半导体接触后, 费米能级较高的半导体界面一侧带

正电 电，达到热平衡后两者的费米能级 相等 。

32. 从能带角度来看，锗、硅属于 间接带隙 半导体，

而砷化稼属于 直接带隙 半导体，后者有利于光子的吸收和发射。

33. 由于半导体硅导带底附近的等能面是 旋转椭球面 而非球

面，因此在回旋共振实验中，当磁场对晶轴具有非特殊的取向时，一般可观察到 3 吸收峰。

34． 除了 掺杂 这一手段， 通过引入 缺陷 也

可在半导体禁带中引入能级，从而改变半导体的导电类型。

35． 浅能级 杂质可显著改变载流子浓度； 深能级 杂质可显著改变非平衡载流子的寿命，是有效的复合中心。

36． 对于化学通式为MX的化合物半导体，负离子X空位一般表现为 施主杂

质 ，负离子X为间隙原子时表现为 受主杂质 。 37． 通常把服从 玻尔兹曼分布 的电子系统称为非简并性系统，服从 费米分布 的电子系统称为简并性系统。

38． 对于N型半导体，其费米能级一般位于禁带中线以上，随施主浓度增加，费米能级向 导带底 移动，而导带中的电子浓度也随之 增

加 。

39． 费米能级位置一般利用 电中性 条件求得，确定了费米能级位置，就可求得一定温度下的电子及空穴 浓度 。

40．半导体的电导率正比于载流子浓度和 迁移率 ，而后者又正比于载流子的 平均自由时间 ，反比于载流子的有效质量。

二、论述题

1. 简要说明载流子有效质量的定义和作用？ 答：能带中电子或空穴的有效质量m的定义式为：m?

??h22dE(k)dk2

有效质量m?与能量函数E(k)对于波矢k的二次微商， 即能带在某处的曲率成反比； 能带越窄，曲率越小，有效质量越大，能带越宽，曲率越大，有效质量越小；

在能带顶部，曲率小于零，则有效质量为负值，在能带底部，曲率大于零，则有效质量为正值。

有效质量的意义在于它概括了内部势场的作用，使得在解决半导体中载流子在外场作用下的运动规律时，可以不涉及内部势场的作用。

2. 简要说明费米能级的定义、作用和影响因素？

答：电子在不同能量量子态上的统计分布概率遵循费米分布函数：

f(E)?1?E?EF?1?exp???kT?

费米能级EF是确定费米分布函数的一个重要物理参数，在绝对零度是，费

米能级EF反映了未占和被占量子态的能量分界线，在某有限温度时的费米能级EF反映了量子态占据概率为二分之一时的能量位置。确定了一定温度下的费米能

级EF位置，电子在各量子态上的统计分布就可完全确定。

费米能级EF的物理意义是处于热平衡状态的电子系统的化学势，即在不对

外做功的情况下，系统中增加一个电子所引起的系统自由能的变化。

半导体中的费米能级EF一般位于禁带内，具体位置和温度、导电类型及掺杂浓度有关。只有确定了费米能级EF就可以统计得到半导体导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度。

3. 说明pn结空间电荷区如何形成？并导出pn结接触电势差的计算公式。

4. 试定性分析Si的电阻率与温度的变化关系。 答：

Si的电阻率与温度的变化关系可以分为三个阶段：

（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（含室温），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。

5. 漂移运动和扩散运动有什么不同？两者之间有什么联系？ 答：

漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动，而扩散运动是由于浓度分布不均匀导致载流子从浓度高的地方向浓度底的方向的定向运动。前者的推动力是外电场，后者的推动力则是载流子的分布引起的。

漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系。而非简并半导体的迁移率与扩散系数则通过爱因斯坦关系相联系，二者的比值与温度成反比关系。即

?D?qk0T

6. 说明能带中载流子迁移率的物理意义和作用。 答：载流子迁移率?反映了单位电场强度下载流子的平均漂移速度，其定义式为：

??vd?E； 其单位为：cm2/V?s

半导体载流子迁移率的计算公式为：

??q?m?

其大小与能带中载流子的有效质量成反比，与载流子连续两次散射间的平均自由时间成正比。确定了载流子迁移率和载流子浓度就可确定该载流子的电导率。

7.请解释什么是肖特基势垒二极管，并说明其与pn结二极管的异同。 答：利用金属?半导体接触形成的具有整流特性的二极管称为肖特基势垒二极管。

肖特基势垒二极管和pn结二极管具有类似的电流?电压关系，即都具有单向导电性；但两者有如下区别：

pn结二极管正向导通电流由p区和n区的少数载流子承担， 即从p区注入

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