半导体物理学(刘恩科第七版)习题集标准答案(比较完全).pdf

/ 第一章习题 1 设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量Ec(k) 和价带极大值附近能量 EV(k) 分别为： Ec=0220122021202236)(,)(3mkhmkhkEmkkhmkhV0m试求：为电子惯性质量，nmaak314.0,1（1）禁带宽度 ;（2）导带底电子有效质量 ; （3）价带顶电子有效质量 ; （4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化解： （1）eVmkEkEEEkmdkEdkmkdkdEEckkmmmdkEdkkmkkmkVCgVVVc64.012)0()43(0, 0600643038232430)(2320212102220202020222101202因此：取极大值处，所以又因为得价带：取极小值处，所以：在又因为：得：由导带：043222*83)2(1mdkEdmkkCnC-/ sNkkkpkpmdkEdmkkkkVnV/1095.7043)()()4(6)3(25104300222*11所以：准动量的定义：2. 晶格常数为 0.25nm的一维晶格，当外加102V/m，107V/m的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间解：根据：tkhqEf得qEktsatsat137192821911027.810106.1)0(1027.810106.1)0(补充题 1 分别计算 Si（100） ， （110） ， （111）面每平方厘米内的原子个数， 即原子面密度 （提示：先画出各晶面内原子的位置和分布图）Si 在（ 100） ， （110）和（ 111）面上的原子分布如图1 所示：（a）(100)晶面（b）(110)晶面-/ （c）(111)晶面补充题 2 一维晶体的电子能带可写为)2cos81cos87()22kakamakE（，式中 a为 晶格常数，试求（1）布里渊区边界；（2）能带宽度；（3）电子在波矢 k 状态时的速度；（4）能带底部电子的有效质量*nm；（5）能带顶部空穴的有效质量*pm解： （1）由0)(dkkdE得ank（n=0，1， 2 ）进一步分析ank)12(，E（ k）有极大值，214221422142822/1083. 7342232212414111/1059. 92422124142110/1078.6)1043.5(224141100cmatomaaacmatomaaacmatomaa）：（）：（）：（-/ 222)makEMAX（ank2时， E（k）有极小值所以布里渊区边界为ank) 12(2) 能带宽度为222)()makEkEMINMAX（(3）电子在波矢k 状态的速度)2sin41(sin1kakamadkdEv（4）电子的有效质量)2cos21(cos222*kakamdkEdmn能带底部ank2所以mmn2*(5) 能带顶部ank)12(，且*npmm，所以能带顶部空穴的有效质量32*mmp-/ 第二章习题1. 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？答： （1）理想半导体：假设晶格原子严格按周期性排列并静止在格点位置上，实际半导体中原子不是静止的，而是在其平衡位置附近振动。

2）理想半导体是纯净不含杂质的，实际半导体含有若干杂质3）理想半导体的晶格结构是完整的，实际半导体中存在点缺陷，线缺陷和面缺陷等2. 以 As 掺入 Ge中为例，说明什么是施主杂质、 施主杂质电离过程和n 型半导体 As有 5 个价电子，其中的四个价电子与周围的四个Ge原子形成共价键， 还剩余一个电子，同时 As原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心，所以，一个 As 原子取代一个 Ge原子，其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子. 多余的电子束缚在正电中心， 但这种束缚很弱 , 很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导电的自由电子， 而 As原子形成一个不能移动的正电中心这个过程叫做施主杂质的电离过程能够施放电子而在导带中产生电子并形成正电中心，称为施主杂质或 N型杂质，掺有施主杂质的半导体叫N型半导体3. 以 Ga掺入 Ge中为例，说明什么是受主杂质、 受主杂质电离过程和p 型半导体Ga有 3 个价电子，它与周围的四个 Ge原子形成共价键， 还缺少一个电子， 于是在Ge晶体的共价键中产生了一个空穴， 而 Ga原子接受一个电子后所在处形成一个负离子中心，所以，一个Ga原子取代一个 Ge原子，其效果是形成一个负电中心和一个空穴，空穴束缚在Ga原子附近，但这种束缚很弱，很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运动的导电空穴，而 Ga原子形成一个不能移动的负电中心。

这个过程叫做受主杂质的电离过程，能够接受电子而在价带中产生空穴，并形成负电中心的杂质， 称为受主杂质， 掺有受主型杂质的半导体叫P型半导体4. 以 Si 在 GaAs中的行为为例，说明IV 族杂质在 III-V族化合物中可能出现的双性行为Si 取代 GaAs中的 Ga原子则起施主作用； Si 取代 GaAs中的 As原子则起受主作用导带中电子浓度随硅杂质浓度的增加而增加，当硅杂质浓度增加到一定程度时趋于饱和硅先取代Ga原子起施主作用，随着硅浓度的增加，硅取代As原子起受主作用/ 5. 举例说明杂质补偿作用当半导体中同时存在施主和受主杂质时，若（1） NDNA因为受主能级低于施主能级， 所以施主杂质的电子首先跃迁到NA个受主能级上，还有 ND-NA个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为 n= ND-NA 即则有效受主浓度为NAeff ND-NA（2）NAND施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有NA-ND个空穴，它们可接受价带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓度p= NA-ND. 即有效受主浓度为 NAeff NA-ND（3）NAND时，不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿6. 说明类氢模型的优点和不足。

7. 锑化铟的禁带宽度Eg=0.18eV，相对介电常数r=17，电子的有效质量*nm =0.015m0, m0为电子的惯性质量，求施主杂质的电离能，施主的弱束缚电子基态轨道半径eVEmmqmErnrnD42200*2204*101.7176.130015.0)4(2：解：根据类氢原子模型8. 磷化镓的禁带宽度Eg=2.26eV，相对介电常数r=11.1 ，空穴的有效质量m*p=0.86m0,m0为电子的惯性质量，求受主杂质电离能；受主束缚的空穴的基态轨道半径nmrmmmqhrnmmqhrnrnr60053.00*0*20202020-/ eVEmmqmErPrPA0096.01.116 .13086.0)4(22200*2204*：解：根据类氢原子模型nmrmmmqhrnmmqhrPrPr68.6053.00*0*20202020-/ 第三章习题1. 计算能量在 E=Ec到2*n2CL8m100hEE之间单位体积中的量子态数解：2. 试证明实际硅、锗中导带底附近状态密度公式为式（3-6） 322232*(8100E21232*8100E0021232*31000L8100)(32)24)()2(4)(1ZVZZ)(ZV)()2(4)(2322C22CLEmhEEEhmdEEEhmdEEgVddEEgdEEhmEgcncCnlmhECnlmhECnncnc单位体积内的量子态数)(21)(,)(2)()(,)(,)()(2.221322121212222222CaalttzyxacczlazytayxtaxztyxCCeEEmhkVmmmmkgkkkkkmhEkEkmmkkmmkkmmkmlkmkkhEkEKICEGsi?系中的态密度在等能面仍为球形等能面系中在则：令）（关系为）（半导体的、证明：-/ 3. 当 E-EF为 1.5k0T，4k0T, 10k0T 时，分别用费米分布函数和玻耳兹曼分布函数计算电子占据各该能级的概率。

费米能级费米函数玻尔兹曼分布函数1.5k0T 0.182 0.223 4k0T 0.018 0.0183 10k0T 4. 画出-78oC、室温（ 27 oC） 、500 oC 三个温度下的费米分布函数曲线，并进行比较312322123221232312)()2(4)()(111100)()(24)(4)()(ltncnclttzmmsmVEEhmEsgEgsiVEEhmmmdEdzEgdkkkgVkkgdkdEEE?）方向有四个，锗在（旋转椭球，个方向，有六个对称的导带底在对于即状态数空间所包含的空间的状态数等于在FEETkEEeEfF011)(TkEEFeEf0)(51054.451054.4-/ 5. 利用表 3-2 中的 m*n，m*p数值，计算硅、锗、砷化镓在室温下的NC ,NV以及本征载流子的浓度 6. 计算硅在 -78 oC ，27 oC ，300 oC 时的本征费米能级，假定它在禁带中线合理吗？ 7. 在室温下，锗的有效态密度Nc=1.05 1019cm-3，NV=5.7 1018cm-3，试求锗的载流子有效质量m*n m*p 计算 77K时的 NC和 NV 已知 300K时， Eg=0.67eV。

77k 时 Eg=0.76eV求这两个温度时锗的本征载流子浓度77K时，锗的电子浓度为 1017cm-3 ，假定受主浓度为零，而Ec-ED=0.01eV，求锗中施主浓度ED为多少？evEmommmAGevEmommmsievEmommmGeNNnhkoTmNhkoTmNgpnsagpngpnekoTEvcipvnCg428. 1;47.;068. 0:12.1;59.;08. 1:67.0;37.;56.0:)()2(2)2(25000000221232232eVkTeVkTKTeVkTeVkTKTeVmmkTeVkTKTmmkTEEEEmmmmSiSinpVCiFpn022. 008. 159.0ln43,0497.0573012.008.159. 0ln43,026.03000072. 008.159.0ln43,016. 0195ln43259.0,08.1:3222001100时，当时，当时，当的本征费米能级，-/ 8. 利用题 7 所给的 Nc 和 NV数值及 Eg=0.76eV，求温度为 300K和 500K时，含施主浓度 ND=5 1015cm-3，受主浓度 NA=2 109cm-3, 的锗中电子及空穴浓度为多少？3173183318319333103122310322232232/1041.730077107.530077/1037.1300771005.13007730077772104.337.042101 .556.022)2(2)2(21.7cmNNcmNNTTKNKNNNKkgmNkoThmkgmNkoThmhkoTmNhkoTmNVVCCCCVCvpcnpvnc?）（）（）（）（）（）（、时的）（得）根据（317181717003777276. 0211718313300267. 0211819221/1017.1)1037.110067.001.021(10)21(2121exp21/1088.1)1035. 71037.1 (77/100. 2)107. 51005.1()()3(00cmeNnkoTEenNeNeNNnncmenKcmeneNNnCoDDNnkoTEDkoTEEEEDkoTEEDpkikikoTEgvciCoDFCcDFD?时，完温：3153103152122212222231521313221/108/105300)2(2)2(20)(0/109 .6)(500/100.2)(300.82cmpcmnKTnNNNNpnNNNNnnNNnnnnpNNpncmeNNnKcmeNNnKiDADAiADADiADiADVCikoTEgVcikoTEg时：根据电中性条件：时：时：-/ 9. 计算施主杂质浓度分别为1016cm3， ,1018cm-3， 1019cm-3的硅在室温。