半导体物理学(刘恩科第七版)前五章课后习题解答(1)

半导体物理学((((刘恩科第七版))))前五章课后习题解答第一章习题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)(,)(3mkhmkhkEmkkhmkhV−=−+0m。试求：为电子惯性质量，nmaak314.0,1==π（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==−==−===−===+===−+ℏℏℏℏℏℏℏℏ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===ℏsNkkkpkpmdkEdmkkkkVnV/1095.7043)()()4(6)3(25104300222*11−===×=−=−=∆=−==ℏℏℏℏℏ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qEkt−∆=∆ℏsatsat137192821911027.810106.1)0(1027.810106.1)0(−−−−×=××−−=∆×=××−−=∆ππℏℏ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）NA≈ND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。优点：基本上能够解释浅能级杂质电离能的小的差异，计算简单。缺点：只有电子轨道半径较大时，该模型才较适用，如Ge.相反，对电子轨道半径较小的，如Si，简单的库仑势场不能计入引入杂质中心带来的全部影响。7.锑化铟的禁带宽度Eg=0.18eV，相对介电常数εr=17，电子的有效质量*nm=0.015m0,m0为电子的惯性质量，求①施主杂质的电离能，②施主的弱束缚电子基态轨道半径。eVEmmqmErnrnD42200*2204*101.7176.130015.0)4(2−×=×===∆εεπεℏ：解：根据类氢原子模型nmrmmmqhrnmmqhrnrnr60053.00*0*20202020=====επεεπε8.磷化镓的禁带宽度Eg=2.26eV，相对介电常数εr=11.1，空穴的有效质量m*p=0.86m0,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。eVEmmqmErPrPA0096.01.116.13086.0)4(22200*2204*=×===∆εεπεℏ：解：根据类氢原子模型nmrmmmqhrnmmqhrPrPr68.6053.00*0*20202020=====επεεπε第三章习题和答案1.计算能量在E=Ec到2*n2CL2m100EEℏπ+=之间单位体积中的量子态数。解：322233*28100E21233*22100E0021233*231000L8100)(3222)(22)(1ZVZZ)(Z)(22)(2322C22CLEmhEEEmVdEEEmVdEEgVddEEgdEEmVEgcncCnlmhECnlmECnncncπππππ=+−=−====−=∗++∫∫∗∗ℏℏℏℏ）（）（单位体积内的量子态数）（2.试证明实际硅、锗中导带底附近状态密度公式为式（3-6）。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1.5k0T0.1820.223)(21)(,)(2)()(,)(,)()(2~.2'213''''''2'21'21'21'2222222CaalttzyxacczlazytayxtaxztyxCCeEEmhkVmmmmkgkkkkkmhEkEkmmkkmmkkmmkmlkmkkhEkEKICEGsi−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+•=+++====+++=∗∗∗∗∗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：[]3123221232'2123231'2'''')()2(4)()(111100)()(24)(4)()(~ltncnclttzmmsmVEEhmEsgEgsiVEEhmmmdEdzEgdkkkgVkkgdkdEEE=−==∴−⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+••==∴•=∇•=+∗∗πππ）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FEE−TkEEeEfF011)(−+=TkEEFeEf0)(−−=4k0T0.0180.018310k0T4.画出-78oC、室温（27oC）、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，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-78oC，27oC，300oC时的本征费米能级，假定它在禁带中间合理吗？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。51054.4−×51054.4−×⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=========⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧===∗∗∗∗∗∗−∗∗evEmommmAGevEmommmsievEmommmGeNNnhkoTmNhkoTmNgpnsagpngpnekoTEvcipvnCg428.1;47.;068.0:12.1;59.;08.1:67.0;37.;56.0:)()2(2)2(25000000221232232ππ[]eVkTeVkTKTeVkTeVkTKTeVmmkTeVkTKTmmkTEEEEmmmmSiSinpVCiFpn022.008.159.0ln43,0497.0573012.008.159.0ln43,026.03000072.008.159.0ln43,016.0195ln43259.0,08.1:3222001100−===−===−===+−====∗∗∗∗时，当时，当时，当的本征费米能级，7.①在室温下，锗的有效态密度Nc=1.05×1019cm-3，NV=3.9×1018cm-3，试求锗的载流子有效质量m*nm*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。②77K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？3173183'3183193'3''/1008.530077109.330077/1037.1300771005.13007730077772cmNNcmNNTTKNKNNNKVVCCCCVC×=××=•=×=××=•=∴=）（）（）（）（）（）（、时的）（317181717003777276.0211718313300267.0211819221/1017.1)1037.110067.001.021(10)21(2121exp21/1098.1)1008.51037.1(77/107.1)109.31005.1()()3(00000cmeNnkoTEenNeNeNNnncmenKcmeneNNnCoDDNnTkEDTkEEEEDTkEEDDkikikoTEgvciCoDFCcDFD×=ו+=•∆+=∴+=+=+==×=×××=×=×××==•∆−−+−−−−+−×−×−−时，室温：kgmNTkmkgmNTkmTmkNTmkNvpcnpvnc31031202310320223202320106.229.022101.556.022)2(2)2(21.7−∗−∗∗∗×==⎥⎦⎤⎢⎣⎡=×==⎥⎦⎤⎢⎣⎡===ℏℏℏℏππππ得）根据（8.利用题7所给的Nc和NV数值及Eg=0.67eV，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？9.计算施主杂质浓度分别为1016cm3，,1018cm-3，1019cm-3的硅在室温下的费米能级，并假定杂质是全部电离，再用算出的的费米能级核对一下，上述假定是否在每一种情况下都成立。计算时，取施主能级在导带底下的面的0.05eV。⎪⎩⎪⎨⎧×=×==⎪⎩⎪⎨⎧×=×≈=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−+−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−+−=∴=−−−→⎩⎨⎧==+−−×==×==−−3150315031003150212202122020202000031521''313221/1084.4/1084.9500/108/105300)2(2)2(20)(0/109.6)(500/100.2)(300.8'020cmpcmnKtcmpcmnKTnNNNNpnNNNNnnNNnnnpnNNpncmeNNnKcmeNNnKiDADAiADADiADiADVCiTkEVciTkgeg时：时：根据电中性条件：时：时：%902111%102111%10%,9005.0)2(27.0.0108.210ln026.0;/10087.0108.210ln02