Worksheetsแบบทดสอบฟิสิกส์สารกึ่งตัวนำ
Total questions: 15
Worksheet time: 8mins
ในการพิจารณาแถบพลังงาน (Energy Band) ของของแข็ง เหตุใดระดับพลังงานที่แยกตัวออกมาจํานวนมากจึงสามารถพิจารณาให้เป็น "แถบต่อเนื่อง" (Quasi-continuous distribution) ได้?
เพราะระยะห่างระหว่างระดับพลังงานในแถบมีค่าประมาณ 10−19 eV ซึ่งน้อยกว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ที่เกิดจากการเปลี่ยนความเร็วเพียงเล็กน้อยอย่างมาก
เพราะอิเล็กตรอนมีมวลยังผล (Effective mass) คงที่ตลอดทั้งแถบพลังงาน
เพราะระดับพลังงานในแถบวาเลนซ์และแถบความนำมีการซ้อนทับกันเสมอ
เพราะฟังก์ชันคลื่นของทุกอะตอมในผลึกมีเฟสตรงกันพอดี
จากแผนภาพ E-K diagram ความสัมพันธ์ในข้อใดที่อธิบายลักษณะของ "มวลยังผล" (Effective Mass, m∗) ของอิเล็กตรอนที่บริเวณขอบล่างของแถบความนํา (Conduction band edge) ได้ถูกต้องที่สุด?
m∗ มีค่าเป็นลบเนื่องจากอนุพันธ์อันดับสองของ E เทียบกับ k มีค่าเป็นลบ
m∗ มีค่าเป็นบวกเนื่องจากส่วนโค้งของกราฟมีลักษณะหงาย (อนุพันธ์อันดับสองเป็นบวก)
m∗ มีค่าเท่ากับมวลของอิเล็กตรอนในสูญญากาศเสมอ
m∗ ไม่สามารถหาค่าได้เนื่องจากอิเล็กตรอนถูกยึดเหนี่ยวด้วยพันธะโควาเลน
เงื่อนไขใดที่ทําให้การประมาณแบบโบลต์ซมันน์ (Maxwell-Boltzmann Approximation) มีความคลาดเคลื่อนจากฟังก์ชันเฟอร์มิ-ไดแรคไม่เกิน 5%?
เมื่อระดับพลังงาน E อยู่สูงกว่าระดับเฟอร์มี E F อย่างน้อย 1เคที
เมื่ออุณหภูมิของระบบอยู่ที่ 0 K เท่านั้น
เมื่อระดับพลังงาน E อยู่สูงกว่าระดับเฟอร์มี E F ประมาณ 3kที
เมื่อจำนวนสถานะพลังงาน ก. (E) มีค่าเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนพอดี
ข้อใดอธิบายความแตกต่างเชิงโครงสร้างพลังงานระหว่าง Silicon (Si) และ Gallium Arsenide (GaAs) ตามลักษณะการนําไฟฟ้าได้ถูกต้อง?
Si เป็น Direct Bandgap จึงเหมาะสําหรับการนําไปสร้างอุปกรณ์กําเนิดแสง
GaAs เป็น Indirect Bandgap ทําให้การเปลี่ยนระดับพลังงานต้องมีการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมสูง
GaAs เป็น Direct Bandgap เนื่องจากตําแหน่งต่ําสุดของแถบความนําและสูงสุดของแถบวาเลนซ์ตรงกันที่ k=0
ทั้ง Si และ GaAs มีโครงสร้างแถบพลังงาน
หากระดับเฟอร์มี (EF) ของสารกึ่งตัวนําชนิดเอ็น (N-type) เลื่อนขึ้นไปอยู่เหนือขอบแถบความนํา (Ec) สารนั้นจะมีคุณสมบัติอย่างไร?
ก. กลายเป็นสารกึ่งตัวนําแบบ Degenerate Semiconductor
ข. กลายเป็นสารกึ่งตัวนําบริสุทธิ์ (Intrinsic)
ค. สารจะมีสภาพความต้านทานสูงขึ้นอย่างมาก
ง. อิเล็กตรอนในแถบความนำจะมีค่าเป็นศูนย์
ในสารกึ่งตัวนําชนิดเอ็น (N-type) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง (เช่น จาก 300K ไปเป็น 600K) ตําแหน่งของระดับเฟอร์มี (EF) จะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร?
ก. เลื่อนเข้าใกล้แถบความนํา (Ec) มากขึ้นเรื่อยๆ
ข. อยู่คงที่เนื่องจากถูกกำหนดโดยความหนาแน่นสารเจือ Nd
ค. เลื่อนลงเข้าหาระดับเฟอร์มีอินทรินซิก (Eฟไอ) เนื่องจากผลของพาหะอินทรินซิกเริ่มเด่นชัดกว่าสารเจือ
ง. เลื่อนลงไปต่ำกว่าแถบวาเลนซ์ (Ev)
ในการคํานวณหาความหนาแน่นโฮล (p0) ในสารกึ่งตัวนำซิลิกอนที่อุณหภูมิ T=400 K หากทราบค่า Nv ที่ 300 K เราต้องปรับปรุงค่าอย่างไร?
ใช้ค่าเดิมได้ทันทีเพราะ Nv เป็นค่าคงที่
ปรับค่าโดยการคูณด้วยอัตราส่วน (400/300) 3/2 เนื่องจาก Nv แปรผันตาม T 3/2
ปรับค่าโดยการหารด้วยค่าคงที่โบลต์ซมันน์
ปรับค่าตามความกว้างของ Bandgap ที่เปลี่ยนไป
สารกึ่งตัวนําแบบคอมเพนเซตเตด (Compensated Semiconductor) ที่มีการเจือ Na=10 16 cm−3 และ Nd=3×10 15 cm−3 จะมีลักษณะการนำไฟฟ้าและปริมาณพาหะส่วนมากอย่างไร?
เป็นชนิด N, n0=1.3×10 16 cm−3
เป็นชนิด P, p0=7×10 15 cm−3
เป็นชนิด P, p0=10 16 cm−3
เป็นสารอินทรินซิกเนื่องจากพาหะหักล้างกันหมด
กลไกการกระเจิง (Scattering) แบบใดที่ทําให้ความคล่องตัวของพาหะ (Mobility) มีค่า "ลดลง" เมื่ออุณหภูมิของสารกึ่งตัวนํา "ลดลง" ในย่านอุณหภูมิต่ํา?
Lattice Scattering หรือ Phonon Scattering
Ionized Impurity Scattering เนื่องจากความเร็วเชิงความร้อนของพาหะลดลงทําให้ถูกดึงดูดโดยไอออนสารเจือได้ง่ายขึ้น
การกระเจิงเนื่องจากแรงโน้มถ่วง
ไม่มีการกระเจิงชนิดใดที่ทำให้ความคล่องตัวลดลงเมื่ออุณหภูมิต่ำ
ตามความสัมพันธ์ของไอสไตน์ (Einstein Relation) หากสารกึ่งตัวนํามีความคล่องตัวของอิเล็กตรอน μn =1,000คm2/วี⋅s ที่อุณหภูมิ 300K (เคที/อี=0.0259โวลต์) ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่Dn จะมีค่าเท่าใด?
1,000คm2/s
38.6คm2/s
25.9คm2/s
0.0259คm2/s
ในการทดลองปรากฏการณ์ฮอลล์ (Hall Effect) หากวัดแรงดันฮอลล์ได้ค่า VH =−6.25มิลลิโวลต์ สำหรับสารที่มีความกว้าง W และความหนา d ค่าเครื่องหมายลบของแรงดันนี้บ่งบอกถึงสิ่งใด?
พาหะส่วนมากคือโฮล (P-type)
พาหะส่วนมากคืออิเล็กตรอน (N-type)
สารนั้นเป็นฉนวนสมบูรณ์
ทิศทางของสนามแม่เหล็กกลับทิศกับกระแส
กระบวนการรวมตัวของพาหะส่วนเกิน (Excess Carrier Recombination) ในสารกึ่งตัวนําชนิดเอ็น (N-type) ที่มีการฉีดพาหะระดับต่ํา (Low-level injection) อัตราการรวมตัวจะถูกกําหนดโดยค่าใดเป็นหลัก?
อายุขัยของพาหะส่วนมาก (Majority carrier lifetime)
อายุขัยของพาหะส่วนน้อย (Minority carrier lifetime,τ)
อัตราการสร้างพาหะด้วยความร้อน (Thermal generation rate)
ความคล่องตัวของอิเล็กตรอน
หากเกิดพาหะส่วนเกินขึ้นที่ตําแหน่ง x=0 ในสารกึ่งตัวนำชนิดพีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก (E=0) และอยู่ในสภาวะคงตัว (Steady state) ความหนาแน่นพาหะส่วนเกินจะลดลงตามระยะทาง x ในลักษณะใด?
ลดลงแบบเส้นตรง (Linear decay)
คงที่ตลอดความยาวของสาร
ลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียลตามค่า Diffusion Length (Ln)
เพิ่มขึ้นตามระยะทาง x
แนวคิดของ "Ambipolar Transport" อธิบายพฤติกรรมของพาหะส่วนเกินอย่างไรเมื่อมีการให้สนามไฟฟ้า?
อิเล็กตรอนและโฮลส่วนเกินจะแยกกันเคลื่อนที่ไปคนละทิศทางอย่างอิสระ
อิเล็กตรอนและโฮลส่วนเกินจะเคลื่อนที่ไปด้วยกันด้วยความเร็วและความคล่องตัวยังผลค่าเดียวกันเพื่อรักษาความเป็นกลางทางไฟฟ้า
เฉพาะอิเล็กตรอนเท่านั้นที่เคลื่อนที่ ส่วนโฮลจะอยู่กับที่
พาหะส่วนเกินจะหายไปทันทีที่ได้รับสนามไฟฟ้า
สมการความต่อเนื่อง (Continuity Equation) สําหรับโฮล ∂/∂ =−∂/∂F_p +g_p −τ_p^t_p พจน์ −∂/∂F_p + หมายถึงอะไร?
อัตราการสร้างพาหะใหม่จากแสง
อัตราการรวมตัวของพาหะส่วนน้อย
อัตราการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นกระแสโฮลต่อหนึ่งหน่วยระยะทาง (Net flow of carriers)
การเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์ตามตำแหน่ง
