半导体物理学第七版完整课后题答案.docx

第一章习题1.设品格常数为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:2 2h kEc= ——3m2 2h^-,Ev(k).m0h2k21 3h2k26 m为电子惯性质量,ki—,a =314门m1试求: a(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)导带：由 2^N2(k-k1)=o3m3.彳寸：k = — k|4又因为：些■dkm所以：在k=3k#,Ec®极小值4价带:dEvdk6 2k——34k u又因为m d2Ev dk26 -26— ＜所以k=处，Ev取极大值 m3因此：—L =0.64eV12m23= -mo8*(2)mnc=-2d2Ecdk2*(3)mnVm()fi2=2dEvdk2kg1(4)准动量的定义：p=&3"所以：pKk)3-(k)k_0=—k1-0=7.9510*N/sH—42.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0解：根据:f = qE = h：k-：t(0--)1a——F=8.2710‘s-1.61019102i-t2 =(0--)19 7-1.6 10 10= 8.27 1013s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：先画出各品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：< no>(a) (100)晶面--(b) (110)晶面(c) (111)晶面(100):, , 1144 2a2 -(5.43 10-)214 2= 6.78 10 atom / cm(110):12 44..2a214 . , 2= 9.59 10 atom/cm(111):1cle4 2 24 23a214 2= 7.83 10 atom / cm补充题2一维晶体的电子能带可写为l/,、'27,1〜、E(k)=2(——coska+—cos2ka),ma88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m；;(5)能带顶部空穴的有效质量mPpdE(k)n二解：(1)由一之=0得k=——dka(n=0,+1,攵进一步分析k=(2n+1)—,E(k)有极大值,aE(k)MAX二ma2k=2n一时，E(k)有极小值a所以布里渊区边界为k=(2n•1)三a2先2⑵能带范度为E(k)MAX-E(k)MiN="ma1dE'1.(3)电子在波矢k状态的速度v=—?E=——(sinka--sin2ka)dkma4(4)电子的有效质量mn = d^Edk2*-2,.1(coska--cos2ka)22n二*能干底部k=所以mn=2ma(5)能带顶部k=(2n*1*,a**且mp=-mn,所以能带顶部空穴的有效质量m*=2mp3半导体物理第2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：假设品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)理想半导体的品格结构是完整的，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，成为在品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，成为在品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取彳tGaAs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)Nd>>NA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N个受主能级上，还有N-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-Nao即则有效受主浓度为Nxeff^Nd-Na(2)Nx>>N)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n-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Meff= Na-Nd(3) Nv^Nd 时，不能向导带和价带提供电子和空穴,6 .说明类氢模型的优点和不足。

称为杂质的高度补偿7 .睇化钿的禁带宽度Eg=0.18eV,相对介电常数澳=17,电子的有效质量m n =0.015m0,m 0为电子的惯性质重，求①施王杂质的电离能，②施王的弱束缚电子基态轨道半径解：根据类氢原子模型・正d* 4mnq2（4二；0 ；r）2-2*mn E0 13.6 4--0 =0.0015 T =7.1 10 eVm0 ;r 17rh2 ；o2二 q m0= 0.053nmh2 ；0 ；r r — — ~2~~ q mnm° ；「=——r0 =60nm8.磷化钱的禁带宽度Eg=2.26eV,相对介电常数5=11.1,空穴的有效质量mp=0.86m3,m0为电子的惯性质量，求①受主杂质电离能；②受主束缚的空穴的基态轨道半径解：根据类氢原子模型：*4*mPqmPE013.6：Eap2-5匕与-0.086——2=0.0096eV2(4二；0；r)m0；r11.1=0.053nm■2h；0；r_m0；「2**qmPmP=6.68nm第三章习题和答案1.之间单位体积中的量子态数g(E)=V(2m652二21(E-Ec)2dZ=g(E)dE单位体积内的量子态数Z0=-VEc1Z0 =—V100Ecg(E)dEEC3*.—100h28m l2 / *、/ V (2mn)E 2二2 3EC32 2(E -Ec)2dEV (2mn) 2 2= 3(E-Ec)2二2Ec100h22 8mnL2Ec1000二3L32.试证明实际硅、错中导带底附近状态密度公式为式(3-6)2.证明：si、Ge半导体的E (IC) ~ K关系为h2E C(k) =Ec — 2(^_21K mt ml令卜,：4)^^“匹/ky'kZX吗I mt mt mi2h 2 2 2则：Ec(k) =Ec (kx ky kz ")2ma在k'系中,等能面仍为球形等能面在k'系中的态密度g(k')=k =h 2ma(E-EC)mt *mt mi3 Vma在E ~ E • dE空间的状态数等于k空间所包含的 状态数。

即dz = g(k') Vk' = g(k') *4 k'2dkkz - 1 - 132.•.g(E) = 3-1・2(mt *25)3 (E-Ec)12VdE —— 一对于si导带底在100个方向，有六个对称的 旋转椭球， 错在(111)方向有四个，二. g(E) = sg'(E) = 4n 聋)%(E — EJ%V hm — s23 m2m ]13I mn — S 11« 111|3.当E-Ef为1.5k°T,4k0T,10k°T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E-Ef1"EX-E-Ef1+ek°TE-EFf(E)=ek0T1.5k0T0.1820.2234k°T0.0180.018310k°T4.54x10-4.54x10-4.画出-78°C、室温（27°C）、500oC三个温度下的费米分布函数曲线，并进行比较5.利用表3-2中的m*n,血数值，计算硅、错、神化钱在室温下的N,N/以及本征载流子的浓度2^)/h22兀koTmp35'=2(——r-pyh2EgA=(NcNv)/e2k0TIGe:m【=0.56m0;mp=o.37m0;Eg=0.67ev«si:m；=1.08m0;mp=o.59m0;Eg=1.12evGaAs:m：=0.068m0;m彳=o.47m0;Eg=1.428ev6.计算硅在-78°C,27°C,3000c时的本征费米能级，假定它在禁带中间合理吗?EF = Ei =Si的本征费米能级，Si:m；=1.08m0,mp=0.59m014mn3kT0.59m0当T1=195K时，kT1=0.016eV,——In0=-0.0072eV41.08m0r」3kT0.59当T2=300K时，kT2=0.026eV,——In=-0.012eV41.08,r3kT0.59当T2=573K时，kT3=0.0497eV,——In=-0.022eV41.08所以假设本征费米能级在禁带中间合理，特别是温度不太高的情况下7.①在室温下，错的有效态密度N=1.05M1019cm3,N/=3.9M1018cm3,试求错的载流子有效质量m*nm*p。

计算77K时的M和N。