半导体物理学刘恩科第七版完整课后题答案.docx
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半导体物理学刘恩科第七版完整课后题答案
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：
2
k
2
h2（kk1）2
2
k
2
1
3h
2
k
2
Ec=h
EV（k）
h
3m0
m0
6m0
m0
m0为电子惯性质量，k1
a
0.314nm。
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22k22（kk1）
0
3m0
m0
得：
k
3
k1
4
d2Ec
22
22
8
2
又因为：
0
dk2
3m0
m0
3m0
所以：
在k
3
k处，Ec取极小值
4
价带：
dEV
62k
0得k
0
dk
m0
又因为d2EV
62
0,所以k
0处，EV取极大值
dk2
m0
3
EV（0）
2k12
因此：
EgEC（k1）
0.64eV
4
12m0
2
3m0
（2）mnC*
d2EC
8
dk2
k3k1
4
（3）mnV*
2
m0
2E
d
6
V
dk2
k
01
（4）准动量的定义：
p
k
所以：
p
（
k）
3
（k）k0
3k107.951025N/s
k
4
k1
4
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：
f
qE
hk
得t
k
t
qE
（0
）
t1
a
8.27
10
8
s
1.6
1019
102
（0
）
t2
a
8.27
10
13
s
1.6
1019
107
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
1
4
1
2
2
4
14
2
（
）：
6.78
10
atom/cm
100
a2
a2
（5.43108）2
2
4
1
1
2
4
（
）：
4
2
9.59
10
14
atom/cm
2
110
2a
a
2a2
4
1
2
1
2
4
（
）：
4
2
7.83
14
2
111
3a
3a2
10
atom/cm
2a
2
补充题2
2
7
1cos2
），
一维晶体的电子能带可写为
（
ma2（
coska
Ek）
8
8
ka
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*n；
（5）能带顶部空穴的有效质量m*p
解：
（1）由
dE（k）
0
得
k
n
dk
a
（n=0，1，2）
进一步分析k（2n1），E（k）有极大值，
a
22
E（k）
MAXma2
k2n时，E（k）有极小值
a
所以布里渊区边界为k
（2n
1）
a
（2）能带宽度为E（k）
E（k）
2
2
MAX
MIN
ma
2
（3）电子在波矢k状态的速度
v
1dE
（sinka
1sin2）
dk
ka
ma
4
（4）电子的有效质量
2
m
mn*
d2E
（coska
1
dk2
cos2ka）
2
能带底部
k
2n
*
2
所以
m
m
a
n
（5）能带顶部
（2n
1）
，
k
a
且m*pmn*
，
所以能带顶部空穴的有效质量
m*p
2m
3
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）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）NA>>ND
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）NN时，
AD
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
*
0,
0为电子的惯性质量，求①施主杂质的电离能，②施主的弱
m
mn=0.015m
束缚电子基态轨道半径。
解：
根据类氢原子模型：
ED
mn*q4
mn*E0
0.0015
13.6
7.110
4
eV
2（4
r）
2
2
2
17
2
0
m0r
r0
h2
0
0.053nm
q2m0
r
h2
0
r
m0r
r0
60nm
q2mn*
mn*
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
*
mp=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。
解：
根据类氢原子模型
：
EA
mP*q4
mP*E0
0.086
13.6
0.0096eV
2（4
0r）
2
2
2
2
m0r
11.1
r0
h2
0
0.053nm
q2m
0
r
h2
0
r
m0
r
r0
6.68nm
2
*
*
q
mP
mP
第三章习题和答案
1.计算能量在E=Ec到E
100
2
EC
之间单位体积中的量子态数。
2m*nL2
3
V（2mn*）2
1
解g（E）
（EEC）2
2
2
3
dZ
g（E）dE
单位体积内的量子态数
Z0
dZ
V
2
100h2
Ec
100
Ec
3
2ml2
8m
l2
1
1
V
（2mn*）2
Z
n
n
（EE）2dE
0
g（E）dE
V
2
23
C
EC
EC
3
100h
2
V（2mn*）22
32Ec
8mnL
2
2
2
3
（E
EC）
3
Ec
1000
3L3
2.试证明实际硅、锗中导带底附近状态密度公式为式（3-6）。
证明：
si
、
Ge
半导体的
E
（
）
关系为
2.
IC~K
在
E~E
dE
空间的状态数等于
空间所包含的
h2
kx2
ky2
kz2
k
（）
EC
状态数。
ECk
（
）
ma
2mt
ma
ml
ma
即dz
g（k'）
Vk'
g（k'）4k'2dk
'
1
'
（
）
1
'
1
32
令kx（
mt
）2kx
ky
mt
2ky
kz
（
）2kz
dz
2（mt
mt
1
ml
g
'
（E）
4
ml）3
1
h2
dE
h2
（EEc）2V
'
）Ec
'2
'2
'2
则：
Ec（k
2ma
（kx
ky
kz"）
对于si导带底在100个方向，有六个对称的旋转椭球，
在k'系中,等能面仍为球形等能面
锗在（111）方向有四个，
1
2m3
mmm
2
g（E）sg
'
（E）4（
2（EE
1
V
'
'
n）
）2
在k系中的态密度g（k）
t
t
l
V
h2
c
3
ma
m
2
m2m
1
s3
3
k'1
n
tl
2ma（E
EC）
h
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
EEF
EEF
f（E）
k0T
EEF
f（E）e
1e
k0T
1.5k0T
0.182
0.223
4k0T
0.018
0.0183
10k0T4.541054.54105
4.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。
**
NC,NV以及本
5.利用表3-2中的mn，mp数值，计算硅、锗、砷化镓在室温下的
征载流子的浓度。
NC
2（2koTmn
）
h2
5Nv
2（
2koTmp
）
h2
3
2
3
2
1
Eg
ni
（NcNv）2e2koT
Ge:
mn
0.56m0;mp
o.37m0;Eg
0.67ev
si:
mn1.08m0;mp
o.59m0;Eg
1.12ev
GaAs:
mn
0.068m0;mp
o.47m0;Eg1.428ev
6.计算硅在-78
o
o
o
C，27C，300C时的本征费米能级，假定它在禁带中间合理吗？
Si的本征费米能级，Si:
mn
1.08m0,mp0.59m0
EF
EC
EV
3kT
mp
Ei
2
ln
mn
4
当T1
195K时，kT1
3kT
0.59m0
0.0072eV
0.016eV,
ln
1.08m0
4
当T2
300K时，kT2
0.026eV,
3kT
0.59
0.012eV
ln
4
1.08
当T2
573K时，kT3
3kT
0.59
0.022eV
0.0497eV,
ln
4
1.08
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，锗的有效态密度N=1.05c
19-3
18-3
10cm，NV=3.9
10cm，试求锗的
*
*
和NV。
已知300K时，Eg=0.67eV。
77k
载流子有效质量mn
mp。
计算77K时的NC
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
17-3
为10cm，假定受主浓度为零，而Ec-ED=0.01eV，求锗中施主浓度ED为多少？
（
）根据
k0Tm
n
2
7.
1
Nc2（
）
3
2
2
N
m
m
k0
Tm
p
3
v
2（
2）
2得
2
2
2
2
Nc
3
31kg
n
0.56m0
5.1
10
k0T
2
1
2
2
Nv2
3
2.6
10
31
kg
p
k0T
2
0.29m0
（2）77K时的NC、NV
'
）
T
'
（
3
NC
77K
N（C300K）
T
'
NC
（
77
3
19
（
77
3
1.37
10
18
3
NC
）
1.0510
）
/cm
300
300
'
NV
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