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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:
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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:
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。
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
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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m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:
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; 其单位为:cm2/V×s
半导体载流子迁移率的计算公式为: