半导体物理学习题答案(有目录)
半导体物理习题解答
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1－1．（P32）设晶格常数为a的一维晶格，导带极小值附近能量E c（k）和价带极大值附近能量E v（k）分别为： (2)
1－2．（P33）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。 (3)
3－7．（P81）①在室温下，锗的有效状态密度Nc＝1.05×1019cm－3，Nv＝5.7×1018cm－3，试求锗的载流子有效质量mn*和mp*。 (3)
3－8．（P82）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？ (4)
3－11．（P82）若锗中杂质电离能△ED＝0.01eV，施主杂质浓度分别为ND＝1014cm-3及1017cm-3，计算(1)99%电离，(2)90%电离，(3)50%电离时温度各为多少？ (5)
3－14．（P82）计算含有施主杂质浓度ND＝9×1015cm-3及受主杂质浓度为1.1×1016cm-3的硅在300k 时的电子和空穴浓度以及费米能级的位置。 (6)
3－18．（P82）掺磷的n型硅，已知磷的电离能为0.04eV，求室温下杂质一般电离时费米能级的位置和磷的浓度。 (7)
3－19．（P82）求室温下掺锑的n型硅，使EF＝(EC＋ED)/2时的锑的浓度。已知锑的电离能为0.039eV。 (7)
3－20．（P82）制造晶体管一般是在高杂质浓度的n型衬底上外延一层n型的外延层，再在外延层中扩散硼、磷而成。①设n型硅单晶衬底是掺锑的，锑的电离能为0.039eV，300k时的EF位于导带底下面0.026eV处，计算锑的浓度和导带中电子浓度。 (8)
4－1．（P113）300K时，Ge的本征电阻率为47Ω.cm，如电子和空穴迁移率分别为3900cm2/V.S和1900cm2/V.S，试求本征Ge的载流子浓度。 (8)
4－2．（P113）试计算本征Si在室温时的电导率，设电子和空穴迁移率分别为1350cm2/V·S和
500cm2/V.S。当掺入百万分之一的As后，设杂质全部电离，试计算其电导率。比本征Si的电导率增大了多少倍？ (8)
4－13．（P114）掺有1.1×1016 cm-3硼原子和9×1015 cm-3磷原子的Si样品，试计算室温时多数载流子和少数载流子浓度及样品的电阻率。 (9)
4－15．（P114）施主浓度分别为1013和1017cm-3的两个Si样品，设杂质全部电离，分别计算：①室温时的电导率。 (9)
5－5．（P144）n型硅中，掺杂浓度ND＝1016cm-3，光注入的非平衡载流子浓度Δn＝Δp＝1014cm-3。计算无光照和有光照时的电导率。 (9)
5－7．（P144）掺施主杂质的ND＝1015cm-3n型硅，由于光的照射产生了非平衡载流子Δn＝Δp＝1014cm-3。试计算这种情况下准费米能级的位置，并和原来的费米能级做比较。 (10)
5－16．（P145）一块电阻率为3Ω·cm 的n 型硅样品，空穴寿命s
p μτ5=，再其平面形的表面处有稳
定的空穴注入，过剩空穴浓度
3
13010)(-=?cm p ，计算从这个表面扩散进入半导体内部的空穴电流密
度，以及在离表面多远处过剩空穴浓度等于1012cm-3？ ........................................................................ 10 2. 两种金属 A 和B 通过金属 C 相接触，若温度相等，证明其两端 a ，b 的电势差同 A ，B 直接接触的电势差一样。如果 A 是Au ，B 是Ag ，C 是Cu 或Al ，则Va b 为多少？ .............................. 11 4. 受主浓度NA=1017CM-3的P 型锗，室温下的功函数是多少？若不考虑表面态的影响，它分别同 Al ，Au ，Pt 接触时，形成阻挡层还是反阻挡层？锗的电子亲和能取 4.13eV 。 ............................... 11 5. 某功函数为 2.5eV 的金属表面受到光照射。 ①这个面吸收红光或紫光时，能发出光电子吗？ ②用波长为 185nm 的紫外线照射时，从表面放出的光电子的能量是多少 eV ？ .................................... 12 6. 电阻率为 10 cm Ω? 的n 型锗和金属接触形成的肖特基势垒二极管。若已知势垒高度为 0.3eV ，求加上 5V 反向电压时候的空间电荷层厚度。 (13)
1－1．（P 32）设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c （k ）和价带极大值附近能量E v （k ）分别为：
E c (k)=
223m k h +
022)1(m k k h -和E v (k)=
2
26m k h －
223m k h ；
m 0为电子惯性质量，k 1＝1/2a ；a ＝0.314nm 。试求： 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禁带宽度Eg
根据dk k dEc )(＝
232m k h ＋0
12)
(2m k k h -＝0；可求出对应导带能量极小值E
min
的k 值：
k min ＝
14
3
k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min =
2
10
4k m h ； 由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0； 并且E min ＝E V (k)|k=k max
＝
2126m k h ；∴Eg ＝E min －E max
＝
021212m k h ＝
2
02
48a m h
＝
11
28282
27106.1)1014.3(101.948)1062.6(----???????＝0.64eV
②导带底电子有效质量m n
02
020********
m h m h m h dk E d C =+=；∴ m n
＝02
22
83
/
m dk E d h C = ③价带顶电子有效质量m ’
02
2
26m h dk
E d V -=，∴02
22
'
61
/m dk
E d h m V n
-== ④准动量的改变量
h △k ＝h (k
min
-k max )=
a
h
k h 83431=
[毕] 1－2．（P33）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] 设电场强度为E ，∵F =h
dt
dk
=q E （取绝对值） ∴dt =
qE
h dk
∴t=
?
t
dt 0
=?
a qE h 210
dk =a
qE h 21 代入数据得： t ＝
E
??????--1019-34
105.2106.121062.6＝
E
6103.8-?（s ）
当E ＝102
V/m 时，t ＝8.3×10－8
（s ）；E ＝107
V/m 时，t ＝8.3×10－13
（s ）。 [毕]
3－7．（P81）①在室温下，锗的有效状态密度Nc ＝1.05×1019cm －3，Nv ＝5.7×1018cm －3，试求锗的载流子有效质量mn*和mp*。
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 ，锗的电子浓度为1017
cm －3
，假定浓度为零，而Ec －E D ＝0.01eV,求锗中施主浓度N D 为多少？ [解] ①室温下，T=300k （27℃）,k 0=1.380×10-23
J/K ，h=6.625×10-34
J·S， 对于锗：Nc ＝1.05×1019
cm －3
，Nv=5.7×1018
cm －3
： ﹟求300k 时的Nc 和Nv ： 根据（3－18）式：
Kg T k Nc h m h T k m Nc n n 3123
32
19
234032
2*32
3
0*
100968.5300
1038.114.32)21005.1()10625.6(2)2()2(2---?=??????=?=??=ππ根据（3－23）式：
Kg T k Nv h m h T k m Nv p p 312332
18
2340
32
2
*32
3
0*1039173.33001038.114.32)2107.5()10625.6(2)2()2(2---?=??????=?=??=ππ﹟求77k 时的Nc 和Nv ：
19192
3
23'233
2
3
0*
3
2
30*'10365.11005.1)30077()'(;)'()2(2)
'2(2?=??===??=c c n n c c
N T T N T T h T k m h T k m N N ππ
同理：
17182
3
23'
1041.7107.5)300
77()'(?=??==v v
N T T N
﹟求300k 时的n i ：
13181902
11096.1)052
.067
.0exp()107.51005.1()2exp()(?=-???=-
=T k Eg NcNv n i 求77k 时的n i ：
7
23
1918
1902
1
10094.1)77
1038.12106.176.0exp()107.51005.1()2exp()(---?=?????-???=-=T k Eg NcNv n i ②77k
时，由（3－46）式得到：
Ec －E D ＝0.01eV ＝0.01×1.6×10
-19
；T ＝77k ；k 0＝1.38×10
-23
；n 0＝1017；Nc ＝1.365×1019cm -3
；
；＝＝－1619
22319172
00106.610
365.12)]771038.12106.101.0ex p(10[2)]2ex p([??????????-=
-Nc T k E Ec n N D D [毕] 3－8．（P82）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？ [解]1) T ＝300k 时，对于锗：N D ＝5×1015
cm -3
，N A ＝2×109cm -3
：
31302
11096.1)2exp()(-?=-
=cm T
k Eg
NcNv n i ； 159150105102105?≈?-?=-=A D N N n ；
i n n >>0；
1015
2
13020107.710
5)1096.1(?≈??==n n p i ； 2）T ＝300k 时：
eV
T T Eg Eg 58132.0235
50050010774.47437.0)0()500(2
42≈+??-=+?-=-βα；
查图3-7(P 61)可得：16102.2?≈i
n ，属于过渡区，
1621
22
010464.22
]
4)[()(?=+-+-=
i
A D A D n N N N N n ；
160
2
010964.1p ?==n n i 。
（此题中，也可以用另外的方法得到n i ：
)2exp()(500300
)(500300
)(02
1232
3300'2
32
3300'T
k Eg
NcNv n Nv N Nc N i k v
k c
-
=?=
?=
；；求得n i
）[毕] 3－11．（P82）若锗中杂质电离能△ED ＝0.01eV ，施主杂质浓度分别为ND ＝1014cm-3及1017cm-3，计算(1)99%电离，(2)90%电离，(3)50%电离时温度各为多少？ [解]未电离杂质占的百分比为：
D
D D D N Nc
D T k
E T k E Nc N D 2_ln ex p 2_00＝???=
； 求得：
116106.110
38.101.01923
0=???=?--T k E D ； )/(102)2(2323
15
3
2
30*cm T h
k m Nc n ?==π
∴)_10ln()2102_ln(2_ln 11623
152
3
15
T D N N T D N Nc D T D
D D =???==
(1) N D =1014
cm -3
，99%电离，即D_=1-99%=0.01
3.2ln 2
3
)10ln(11623
1-==-T T T 即：
3.2ln 2
3
116-=T T 将N D =1017
cm -3
，D_=0.01代入得：
10ln 4ln 2
3
10ln 11623
4-==T T T 即：
2.9ln 2
3
116-=T T (2) 90%时，D_=0.1
31410-=cm N D
D
D N Nc
T k E 21.0ln 0=? 2
3
1423
1510ln 21021.0ln 116T N T N T D
D =??= 即：
T T ln 2
3
116= N D
=1017
cm -3
得：10ln 3ln 2
3
116-=T T 即：9.6ln 2
3
116-=T T ； (3) 50％电离不能再用上式
∵2
D
D D
N n n =
=+
即：
)exp(21)exp(21
100T
k E E N T k E E N F D D
F D D --+=
-+ ∴)ex p(4)ex p(
00T
k E E T k E E F
D F D --=-
T
k E E T k E E F
D
F D 004ln --=-
即：2ln 0T k E E D F -=
2
)ex p(00D
F c N
T k E E Nc n =--
=
取对数后得：
Nc
N
T k T k E E D
D C 2ln 2ln 00=+--
整理得下式：
Nc
N
T k E D
D 2ln 2ln 0=-?-
∴ Nc
N
T k E D
D ln 0=?-
即：D
D N Nc
T k E ln 0=?
当N D ＝1014
cm -3
时，
20ln ln 2
3
)20ln(10102ln 1162
314
2
3
15
+=
=??=T T T
T 得
3ln 2
3
116+=T T 当N D
＝1017
cm -3
时9.3ln 2
3
116-=T T
此对数方程可用图解法或迭代法解出。[毕]
3－14．（P82）计算含有施主杂质浓度ND ＝9×1015cm-3及受主杂质浓度为1.1×1016cm-3的硅在300k 时的电子和空穴浓度以及费米能级的位置。
[解]对于硅材料：N D =9×1015
cm -3
；N A ＝1.1×1016
cm -3
；T ＝300k 时 n i =1.5×1010
cm -3
：
3150102-?=-=cm N N p D A ；
3
5316
2100010125.1cm 10
2.0)105.1(--?=??==cm p n n i
∵
D A N N p -=0且)(
ex p Nv 00T
K E E p F
V -?=
∴
)ex p(0T
k E E Nv N N F V D
A -=-
∴eV Ev eV Ev Nv N N T k Ev E D A F 224.0)(10
1.110
2.0ln 026.0ln 19
16
0-=??-=--= [毕]
3－18．（P82）掺磷的n 型硅，已知磷的电离能为0.04eV ，求室温下杂质一般电离时费米能级的位置和磷的浓度。
[解]n 型硅，△E D ＝0.044eV ，依题意得：
D D N n n 5.00==+
∴
D F
D D
N T
k E E N 5.0)
exp(210=--+
∴2
1
)ex p(2)ex p(2100=--?=--
+T k E E T k E E F D F D
∴2ln 2ln 2
1
ln
000T k E E E E T k T k E E F C C D F D =-+-?=-=- ∵044
.0=-=?D C D E E E
∴eV
T k E E T k E E C F C F
062.0044.02ln 044.02ln 00=--=-?--=
)(1016.5)026
.0062
.0ex p(108.22)ex p(2318190-?≈-??=--
=cm T k E E N N F C C D [毕]
3－19．（P82）求室温下掺锑的n 型硅，使EF ＝(EC ＋ED)/2时的锑的浓度。已知锑的电离能为0.039eV 。 [解]由2
D
C F
E E E +=
可知，E F >E D ，∵EF 标志电子的填充水平，故ED 上几乎全被电子占据，又∵在室温下，故此n 型
Si 应为高掺杂，而且已经简并了。 ∵eV E E E D C D
039.0=-=?
T k E E E E E D
C C F C 02052.00195.02
=<=+-
=-
即200<-<
T
k E E F
C ；故此n 型Si 应为弱简并情况。
∴)
exp(21)exp(21000
T
k E N T k E E N n n D
D
D F D D ?+=
-+=
=+
∴
)(106.6)026.00195
.0()]026.00195.0exp(
21[108.22)
026.00195
.0()]026.0039.0exp()026.00195.0exp(21[2)()]exp()exp(
21[2)()]exp(
21[23192
119
2
102
10002
10-?≈-?+??=
-?-+=-??-+=
-?-+=cm F F Nc
T k E E F T k E
T k E E Nc
T k E E F T k E E Nc
N C F D c F C F D
F D π
ππ
π
其中4.0)
75.0(2
1=-F [毕]
3－20．（P82）制造晶体管一般是在高杂质浓度的n 型衬底上外延一层n 型的外延层，再在外延层中扩散硼、磷而成。①设n 型硅单晶衬底是掺锑的，锑的电离能为0.039eV ，300k 时的EF 位于导带底下面0.026eV 处，计算锑的浓度和导带中电子浓度。
[解] ①根据第19题讨论，此时Ti 为高掺杂，未完全电离：
T k E E F C 02052.0026.00=<=-<，即此时为弱简并
∵)
exp(2100
T
k E E N n n D
F D
D -+=
≈+
)(013.0026.0039.0)()(eV E E E E E E F C D C D F =-=---=-
)
(1007.4)1()]026.0039
.0exp(
)1exp(21[108.22)()]exp()exp(
21[23192
119
02
100-?≈-?-+??=
-??-+=cm F T k E E F T k E
T k Ec E Nc
N C F D F D π
π
其中3.0)
1(2
1=-F )(105.9)026.0026
.0(10198.22)0(
2
3192
12
10-?≈-??=-=cm F T k E E F Nc
n C F ππ
[毕]
4－1．（P113）300K 时，Ge 的本征电阻率为47Ω·cm ，如电子和空穴迁移率分别为3900cm2/V ·S 和1900cm2/V ·S ，试求本征Ge 的载流子浓度。
[解]T=300K ，ρ＝47Ω·cm ，μn ＝3900cm 2
/V ·S ，μp ＝1900 cm 2
/V ·S
313191029.2)
19003900(10602.1471
)
(1
)
(1--?=+??=
+=
?+=
cm q n q n p n i p n i μμρμμρ[毕]
4－2．（P113）试计算本征Si 在室温时的电导率，设电子和空穴迁移率分别为1350cm2/V ·S 和500cm2/V ·S 。当掺入百万分之一的As 后，设杂质全部电离，试计算其电导率。比本征Si 的电导率增大了多少倍？ [解]T=300K,，μn ＝1350cm 2
/V ·S ，μp ＝500 cm 2
/V ·S
cm s q n p n i /1045.4)5001350(10602.1105.1)(61910－－?=+????=+=μμσ
掺入As 浓度为N D ＝5.00×1022
×10-6
＝5.00×1016
cm -3
杂质全部电离，2i D
n N >>，查P
89
页，图4－14可查此时μn ＝900cm 2
/V ·S
cm nq n /S 2.7900106.110519162＝－????==μσ
6621062.110
45.42
.7?=?=-σσ [毕] 4－13．（P114）掺有1.1×1016 cm-3硼原子和9×1015 cm-3磷原子的Si 样品，试计算室温时多数载流子和少数载流子浓度及样品的电阻率。
[解]N A ＝1.1×1016
cm -3
，N D ＝9×1015
cm -3
3150102-?=-=cm N N p D A
3
515
10020cm 10125.110
2105.1-???==＝p n n i 可查图4－15得到7=ρΩ·cm
（根据316cm 102-?=+D A
N N ，查图4－14得ρ，然后计算可得。）[毕]
4－15．（P114）施主浓度分别为1013和1017cm-3的两个Si 样品，设杂质全部电离，分别计算：①室温时的电导率。 [解]n 1＝1013
cm -3
，T ＝300K ，
cm s cm s q n n /1016.2/1350106.1103191311--?=???==μσ
n 2＝1017
cm -3
时，查图可得cm n
?Ω=800μ
cm s cm s q n n /8.12/800106.110191311=???==-μσ [毕]
5－5．（P144）n 型硅中，掺杂浓度ND ＝1016cm-3，光注入的非平衡载流子浓度Δn ＝Δp ＝1014cm-3。计算无光照和有光照时的电导率。 [解]
n-Si ，N D ＝1016
cm -3
，Δn ＝Δp ＝1014
cm -3
，查表4－14得到：400,1200=≈p n
μμ：
无光照：)/(92.1120010602.1101916cm S q N nq n D n ≈???===-μμσ
Δn ＝Δp< ) /(945.110602.1]400101200)1010[()()('19 141416cm S q p p q n n p n ≈???+?+=?++?+=－μμσ[毕] 5－7．（P144）掺施主杂质的ND ＝1015cm-3n 型硅，由于光的照射产生了非平衡载流子Δn ＝Δp ＝1014cm-3。试计算这种情况下准费米能级的位置，并和原来的费米能级做比较。 [解] n-Si ，N D ＝1015 cm -3 ，Δn ＝Δp ＝1014 cm -3 ， eV Ec eV Ec Nc n T k Ec E T k E E N n F F C C 266.010 8.210ln 026.0ln )exp(1915 0000-=?+=+=?-- = 光照后的半导体处于非平衡状态： eV Ec eV Ec Nc n n T k Ec E T k E E N n n n n F n F C C 264.010 8.210 10ln 026.0ln ) exp(19 14 150000-=?++=?++=∴--=?+= eV E E F n F 002.0=- eV Ev eV Ev Nv p T k Ev E T k E Ev N p p p F p F V 302.010 1.110 ln 026.0ln ) exp(1914 00+=?-=?-=∴-=?≈ 室温下，Eg Si ＝1.12eV ； eV Ev eV Ev eV eV Ev Eg eV Ec E F 854.0266.012.1266.0266.0+=-+=-+=-= eV E E p F F 552.0=- 比较： 由于光照的影响，非平衡多子的准费米能级n F E 与原来的费米能级F E 相比较偏离不多，而非平衡勺子的费米能级p F E 与原来的费米能级F E 相比较偏离很大。[毕] 5－16．（P145）一块电阻率为3Ω·cm 的n 型硅样品，空穴寿命s p μτ5=，再其平面形的表面处有稳定的空穴注入， 过剩空穴浓度 3 13010)(-=?cm p ，计算从这个表面扩散进入半导体内部的空穴电流密度，以及在离表面多远处过剩空穴 浓度等于1012cm-3？ [解] cm ?Ω=3ρ；s p μτ5=，313010)(-=?cm p ： 由cm ?Ω=3ρ 查图4－15可得：3151075.1-?≈cm N D ， 又查图4－14可得：S V cm p ?≈/5002μ 由爱因斯坦关系式可得：S cm S cm q T k D p p /5.12/50040 1 220=?== μ 所求)exp()()()(0p p p p p D x p D D q x p Lp Dp q Jp ττ-?=?＝扩 而cm D Lp p p 36109057.7cm 1055.12-?≈??==－τ 2 32 3 1319/)5.126ex p(1053.2/)109057.7ex p(109057.75.12106.1)(cm A x cm A x Jp -??≈?-??? ?∴---＝扩 )5.126ex p()()(0-?=?p x p cm cm cm p x p x 0182.0)3.2(5 .1261 1010ln 5.1261)()(ln 5.126113120=-?-≈-=??-=∴[毕] 2. 两种金属 A 和B 通过金属 C 相接触，若温度相等，证明其两端 a ，b 的电势差同 A ，B 直接接触的电势差一样。如果 A 是Au ，B 是Ag ，C 是Cu 或Al ，则Va b 为多少？ 4. 受主浓度NA=1017CM-3的P 型锗，室温下的功函数是多少？若不考虑表面态的影响，它分别同 Al ，Au ，Pt 接触时，形成阻挡层还是反阻挡层？锗的电子亲和能取 4.13eV 。 5. 某功函数为2.5eV 的金属表面受到光照射。①这个面吸收红光或紫光时，能发出光电子吗？②用波长为185nm 的紫外线照射时，从表面放出的光电子的能量是多少eV？ 6. 电阻率为 10 cm Ω? 的n 型锗和金属接触形成的肖特基势垒二极管。若已知势垒高度为 0.3eV ，求加上 5V 反向电压时候的空间电荷层厚度。 半导体物理学 基本概念 有效质量-----载流子在晶体中的表观质量，它体现了周期场对电子运动的影响。其物理意义：1）有效质量的大小仍然是惯性大小的量度；2）有效质量反映了电子在晶格与外场之间能量和动量的传递，因此可正可负。 空穴-----是一种准粒子，代表半导体近满带（价带）中的少量空态，相当于具有正的电子电荷和正的有效质量的粒子，描述了近满带中大量电子的运动行为。 回旋共振----半导体中的电子在恒定磁场中受洛仑兹力作用将作回旋运动，此时在半导体上再加垂直于磁场的交变磁场，当交变磁场的频率等于电子的回旋频率时，发生强烈的共振吸收现象，称为回旋共振。 施主-----在半导体中起施予电子作用的杂质。 受主-----在半导体中起接受电子作用的杂质。 杂质电离能-----使中性施主杂质束缚的电子电离或使中性受主杂质束缚的空穴电离所需要的能量。 n-型半导体------以电子为主要载流子的半导体。 p-型半导体------以空穴为主要载流子的半导体。 浅能级杂质------杂质能级位于半导体禁带中靠近导带底或价带顶，即杂质电离能很低的杂质。浅能级杂质对半导体的导电性质有较大的影响。 深能级杂质-------杂质能级位于半导体禁带中远离导带底（施主）或价带顶（受主），即杂质电离能很大的杂质。深能级杂质对半导体导电性质影响较小，但对半导体中非平衡载流子的复合过程有重要作用。位于半导体禁带中央能级附近的深能级杂质是有效的复合中心。 杂质补偿-----在半导体中同时存在施主和受主杂质时，存在杂质补偿现象，即施主杂质束缚的电子优先填充受主能级，实际的有效杂质浓度为补偿后的杂质浓度，即两者之差。 直接带隙-----半导体的导带底和价带顶位于k 空间同一位置时称为直接带隙。直接带隙材料中载流子跃迁几率较大。 间接带隙-----半导体的导带底和价带顶位于k 空间不同位置时称为间接带隙。间接带隙材料中载流子跃迁时需有声子参与，跃迁几率较小。 平衡状态与非平衡状态-----半导体处于热平衡态时，载流子遵从平衡态分布，电子和空穴具有统一的费米能级。半导体处于外场中时为非平衡态，载流子分布函数偏离平衡态分布，电子和空穴不具有统一的费米能级，载流子浓度也比平衡时多出一部分，但可认为它们各自达到平衡，可引入准费米能级表示。 电中性条件-----半导体在任何情况下都维持体内电中性，即单位体积内正电荷数与负电荷数相等。 非简并半导体----半导体中载流子分布可由经典的玻尔兹曼分布代替费米分布描述时，称之为非简并半导体。 简并半导体-----半导体重掺杂时，其费米能级有可能进入到导带或价带中，此时载流子分布必须用费米分布描述，称之 为简并半导体。简并半导体有如下性质：1）杂质不能充分电离；2）杂质能级扩展为杂质能带。如果杂质能带与导带或价带相连，则禁带宽度将减小。 本征半导体-----本征半导体即纯净半导体，其载流子浓度随温度增加呈指数规律增加。 杂质半导体----在半导体中人为地，有控制地掺入少量的浅能级杂质的半导体，可在较大温度范围内保持半导体内载流子浓度不随温度改变。即掺杂的主要作用是在较大温度范围维持半导体中载流浓度不变。 多数载流子与少数载流子------多数载流子是在半导体输运过程中起主要作用的载流子，如n-型半导体中的电子。而少数载流子在是在半导体输运过程中起次要作用的载流子，如n-型半导体中的空穴。 费米分布------费米分布是费米子（电子）在平衡态时的分布，其物理意义是在温度T时，电子占据能量为E的状态的几率，或能量为E的状态上的平均电子数。 费米能级-----费米能级是T=0 K时电子系统中电子占据态和未占据态的分界线，是T=0 K时系统中电子所能具有的最高能量。 漂移速度----载流子在外场作用下定向运动的平均速度，弱场下漂移速度大小正比于外场强度。 迁移率----描述半导体中载流子在外场中运动难易程度的物理量，若外场不太强，载流子运动遵从欧姆定律时，迁移率与电场强度无关，为一常数。强场时，迁移率与外场有关。电导率-----描述材料导电性质的物理量。半导体中载流子遵从欧姆定律时，电流密度正比于电场强度，其比例系数即为电导率。电导率大小与载流子浓度，载流子的迁移率有关。从微观机制看，电导率与载流子的散射过程有关。 电阻率-----电导率的倒数。本征半导体电阻率随温度上升而单调下降。同样，电阻率与载流子的散射过程有关。 金属电阻率-----随温度上升而上升。（晶格振动散射） 散射几率-----载流子在单位时间内被散射的次数。 平均自由时间-----载流子在两次散射之间自由运动的平均时间。 强场效应-----电场强度较高时载流子的平均漂移速度与电场强度间的关系偏离线性关系的现象，此时迁移率不再是常数。电场强度继续增加时，漂移速度不再随外场增加而变化，达到饱和。 热载流子-----半导体处于强场中时，电子的平均能量高于晶格平均能量，以温度度量，则电子平均温度高于晶格平均温度，因此称强场中电子为热载流子。 多能谷散射-----半导体中有多个能量值接近的导带底时，电子被散射到不同能谷的现象。 负微分电导（电阻）------定义dJ/dE为微分电导，当半导体中电流密度随电场增加而减小时，微分电导小于零，称为负微分电导。 耿氏振荡-----存在负微分电导的半导体在强场中电流出现振荡的现象。由于载流子分布不均匀，在高阻区形成偶极畴，偶极畴不断产生、长大、漂移和吸收的过程便产生微波振荡。非平衡载流子-半导体处于非平衡态时，比平衡态时多出来的那一部分载流子称为非平衡载流子。Δp=Δn 非平衡载流子的注入与复合-----非平衡载流子的产生过程称为注入，非平衡载流子湮灭的过程称为复合。 准费米能级-----半导体处于非平衡态时，导带电子和价带空穴不再有统一的费米能级，但可以认为它们各自达到平衡，相应的费米能级称为电子和空穴的准费米能级。 少子寿命----非平衡少数载流子在半导体中存在的平均时间。即产生非平衡载流子的因素去除后，非平衡载流子浓度衰减至初始时浓度的1/e倍所需的时间。 直接复合-----电子从导带直接跃迁至价带与空穴相遇而复合。 间接复合-----电子通过禁带中的能级而跃迁至价带与空穴相遇而复合。 表面复合----发生在半导体表面处的复合。 体内复合----发生在半导体内部的复合。 辐射复合----电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，多余的能量以辐射光子的形式释放。 无辐射复合-----电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，多余的能量以辐射声子的形式释放。 俄歇复合----电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，释放的能量用于其它载流子由较低能态跃迁至较高能态。 复合中心-----对间接复合起促进作用的深能级杂质。相应的杂质能级称为复合中心能级，通常位于半导体禁带中央能级附近。 载流子陷阱------对间接复合起阻碍作用的深能级杂质。相应的杂质能级称为陷阱能级。 半导体物理学计算问题 能态密度 费米分布 杂质电离能 载流子浓度 费米能级与准费米能级 电阻率 电导率 一．填空题 1．能带中载流子的有效质量反比于能量函数对于波矢的_________.引入有效质量的意义在于其反映了晶体材料的_________的作用。（二阶导数.内部势场） 2．半导体导带中的电子浓度取决于导带的_________（即量子态按能量如何分布）和_________（即电子在不同能量的量子态上如何分布）。（状态密度.费米分布函数） 3．两种不同半导体接触后, 费米能级较高的半导体界面一侧带________电.达到热平衡后两者的费米能级________。（正.相等） 4．半导体硅的价带极大值位于空间第一布里渊区的中央.其导带极小值位于________方向上距布里渊区边界约0.85倍处.因此属于_________半导体。（[100]. 间接带隙） 5．间隙原子和空位成对出现的点缺陷称为_________；形成原子空位而无间隙原子的点缺陷称为________。（弗仑克耳缺陷.肖特基缺陷） 6．在一定温度下.与费米能级持平的量子态上的电子占据概率为_________.高于费米能级2kT能级处的占据概率为_________。（1/2.1/1+exp(2)） 7．从能带角度来看.锗、硅属于_________半导体.而砷化稼属于_________半导体.后者有利于光子的吸收和发射。（间接带隙.直接带隙） 8．通常把服从_________的电子系统称为非简并性系统.服从_________的电子系统称为简并性系统。（玻尔兹曼分布.费米分布） 9. 对于同一种半导体材料其电子浓度和空穴浓度的乘积与_________有关.而对于不同的半导体材料其浓度积在一定的温度下将取决于_________的大小。（温度.禁带宽度） 10. 半导体的晶格结构式多种多样的.常见的Ge和Si材料.其原子均通过共价键四面体相互结合.属于________结构；与Ge和Si晶格结构类似.两种不同元素形成的化合物半导体通过共价键四面体还可以形成_________和纤锌矿等两种晶格结构。（金刚石.闪锌矿） 11.如果电子从价带顶跃迁到导带底时波矢k不发生变化.则具有这种能带结构的半导体称为_________禁带半导体.否则称为_________禁带半导体。（直接.间接） 12. 半导体载流子在输运过程中.会受到各种散射机构的散射.主要散射机构有_________、 _________ 、中性杂质散射、位错散射、载流子间的散射和等价能谷间散射。（电离杂质的散射.晶格振动的散射） 13. 半导体中的载流子复合可以有很多途径.主要有两大类：_________的直接复合和通过禁带内的_________进行复合。（电子和空穴.复合中心） 3－7．（P 81）①在室温下，锗的有效状态密度Nc ＝1.05×1019cm －3，Nv ＝5.7×1018cm －3 ，试求锗的载流子有效质量m n *和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。②77k ，锗的电子浓度为1017 cm －3 ，假定浓度为零，而Ec －E D ＝0.01eV,求锗中施主浓度N D 为多少？ [解] ①室温下，T=300k （27℃）,k 0=1.380×10-23J/K ，h=6.625×10-34 J·S， 对于锗：Nc ＝1.05×1019cm －3，Nv=5.7×1018cm －3 ： ﹟求300k 时的Nc 和Nv ： 根据（3－18）式： Kg T k Nc h m h T k m Nc n n 3123 32 19 234032 2*32 3 0* 100968.5300 1038.114.32)21005.1()10625.6(2)2()2(2---?=??????=?=??=ππ根据（3－23）式： Kg T k Nv h m h T k m Nv p p 3123 3 2 18 2340 32 2 *32 3 0*1039173.33001038.114.32)2107.5()10625.6(2)2()2(2---?=??????=?=??=ππ﹟求77k 时的Nc 和Nv ： 19192 3 23'233 2 30* 3 2 30*'10365.11005.1)30077()'(;)'()2(2) '2(2?=??===??=c c n n c c N T T N T T h T k m h T k m N N ππ 同理： 17182 3 23' 1041.7107.5)300 77()'(?=??==v v N T T N ﹟求300k 时的n i ： 13181902 11096.1)052 .067 .0exp()107.51005.1()2exp()(?=-???=- =T k Eg NcNv n i 求77k 时的n i ： 723 1918 1902 110094.1)77 1038.12106.176.0exp()107.51005.1()2exp()(---?=?????-???=-=T k Eg NcNv n i ②77k 时，由（3－46）式得到： Ec －E D ＝0.01eV ＝0.01×1.6×10-19；T ＝77k ；k 0＝1.38×10-23；n 0＝1017；Nc ＝1.365×1019cm -3 ； ；＝＝－1619 2231917200106.610 365.12)]771038.12106.101.0exp(10[2)]2exp([??????????-=-Nc T k E Ec n N D D [毕] 3－8．（P 82）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N D ＝5×1015cm -3，受主浓度N A ＝2×109cm -3的锗中电子及空穴浓度为多少？ [解]1) T ＝300k 时，对于锗：N D ＝5×1015cm -3，N A ＝2×109cm -3： 第一章 1.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同,原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同。答：原子中的电子是在原子核与电子库伦相互作用势的束缚作用下以电子云的形式存在，没有一个固定的轨道；而晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，在晶体周期性势场中运动。当原子互相靠近结成固体时，各个原子的内层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层,和孤立原子一样;然而，外层价电子则参与原子间的相互作用，应该把它们看成是属于整个固体的一种新的运动状态。组成晶体原子的外层电子共有化运动较强，其行为与自由电子相似，称为准自由电子，而内层电子共有化运动较弱，其行为与孤立原子的电子相似。 2.描述半导体中电子运动为什么要引入"有效质量"的概念,用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性。 答：引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用。惯性质量描述的是真空中的自由电子质量，而不能描述能带中不自由电子的运动，通常在晶体周期性势场作用下的电子惯性运动，成为有效质量 3.一般来说, 对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此，为什么？ 答：不是，能级的宽窄取决于能带的疏密程度，能级越高能带越密，也就是越窄；而禁带的宽窄取决于掺杂的浓度，掺杂浓度高，禁带就会变窄，掺杂浓度低，禁带就比较宽。 4.有效质量对能带的宽度有什么影响，有人说:"有效质量愈大,能量密度也愈大,因而能带愈窄.是否如此，为什么？答：有效质量与能量函数对于K的二次微商成反比，对宽窄不同的各个能带，1（k）随k的变化情况不同，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大，内层电子的能带窄，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小。 5.简述有效质量与能带结构的关系；答：能带越窄，有效质量越大，能带越宽，有效质量越小。 6.从能带底到能带顶,晶体中电子的有效质量将如何变化？外场对电子的作用效果有什么不同； 答：在能带底附近，电子的有效质量是正值，在能带顶附近，电子的有效质量是负值。在外电F作用下，电子的波失K不断改变，f=h(dk/dt),其变化率与外力成正比，因为电子的速度与k有关，既然k状态不断变化，则电子的速度必然不断变化。 7.以硅的本征激发为例,说明半导体能带图的物理意义及其与硅晶格结构的联系，为什么电子从其价键上挣脱出来所需的最小能量就是半导体的禁带宽度?答：沿不同的晶向，能量带隙不一样。因为电子要摆脱束缚就能从价带跃迁到导带，这个时候的能量就是最小能量，也就是禁带宽度。 1.为什么半导体满带中的少量空状态可以用具有正电荷和一定质量的空穴来描述? 答：空穴是一个假想带正电的粒子，在外加电场中，空穴在价带中的跃迁类比当水池中气泡从水池底部上升时，气泡上升相当于同体积的水随气泡的上升而下降。把气泡比作空穴，下降的水比作电子，因为在出现空穴的价带中，能量较低的电子经激发可以填充空穴，而填充了空穴的电子又留下了一个空穴。因此，空穴在电场中运动，实质是价带中多电子系统在电场中运动的另一种描述。因为人们发现，描述气泡上升比描述因气泡上升而水下降更为方便。所以在半导体的价带中，人们的注意力集中于空穴而不是电子。 2.有两块硅单晶,其中一块的重量是另一块重量的二倍.这两块晶体价带中的能级数是否相等，彼此有何联系？ 答：相等，没任何关系 3.为什么极值附近的等能面是球面的半导体,当改变磁场方向时只能观察到一个共振吸收峰。答：各向同性。 5.典型半导体的带隙。 一般把禁带宽度等于或者大于2.3ev的半导体材料归类为宽禁带半导体，主要包括金刚石，SiC，GaN,金刚石等。26族禁带较宽，46族的比较小，如碲化铅，硒化铅（0.3ev），35族的砷化镓（1.4ev）。 第二章1.说明杂质能级以及电离能的物理意义。为什么受主、施主能级分别位于价带之上或导带之下,而且电离能的数值较小？答：被杂质束缚的电子或空穴的能量状态称为杂质能级，电子脱离杂质的原子的束缚成为导电电子的过程成为杂质电离，使这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量成为杂质电离能。杂质能级离价带或导带都很近，所以电离能数值小。 2.纯锗,硅中掺入III或Ⅴ族元素后,为什么使半导体电学性能有很大的改变？杂质半导体(p型或n型)应用很广,但为什么我们很强调对半导体材料的提纯?答：因为掺入III或Ⅴ族后，杂质产生了电离，使得到导带中得电子或价带中得空穴增多，增强了半导体的导电能力。极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响，，当然，也严重影响着半导体器件的质量。 4.何谓深能级杂质，它们电离以后有什么特点？答：杂质电离能大，施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。特点：能够产生多次电离，每一次电离相应的有一个能级。 5.为什么金元素在锗或硅中电离后可以引入多个施主或受主能级？答：因为金是深能级杂质，能够产生多次电离， 第一章半导体中的电子状态 例1.证明:对于能带中的电子，K状态和-K状态的电子速度大小相等,方向相反。即：v(k)= －v(－k)，并解释为什么无外场时，晶体总电流等于零。 解：K状态电子的速度为： （1）同理，－K状态电子的速度则为： （2）从一维情况容易看出： （3）同理 有： （4） （5） 将式（3）（4）（5）代入式（2）后得： （6）利用（1）式即得：v(－k)= －v(k)因为电子占据某个状态的几率只同该状态的能量有关，即：E(k)=E(－k)故电子占有k状态和-k状态的几率相同，且v(k)=－v(－k)故这两个状态上的电子电流相互抵消，晶体中总电流为零。 例2.已知一维晶体的电子能带可写成： 式中，a为晶格常数。试求： （1）能带的宽度； （2）能带底部和顶部电子的有效质量。 解：（1）由E(k)关 系 （1） （2） 令得： 当时，代入（2）得： 对应E(k)的极小值。 当时，代入（2）得： 对应E(k)的极大值。 根据上述结果，求得和即可求得能带宽度。 故：能带宽度 （3）能带底部和顶部电子的有效质量： 习题与思考题： 1 什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？试定性说明之。 2 试定性说明Ge、Si的禁带宽度具有负温度系数的原因。 3 试指出空穴的主要特征。 4 简述Ge、Si和GaAs的能带结构的主要特征。 5 某一维晶体的电子能带为 其中E0=3eV，晶格常数a=5×10-11m。求： （1）能带宽度； （2）能带底和能带顶的有效质量。 6原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同？原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同？ 7晶体体积的大小对能级和能带有什么影响？ 8描述半导体中电子运动为什么要引入“有效质量”的概念？用电子的惯性质量 描述能带中电子运动有何局限性？ 9 一般来说，对应于高能级的能带较宽，而禁带较窄，是否如此？为什么？ 10有效质量对能带的宽度有什么影响？有人说：“有效质量愈大，能量密度也愈大，因而能带愈窄。”是否如此？为什么？ 11简述有效质量与能带结构的关系？ 12对于自由电子，加速反向与外力作用反向一致，这个结论是否适用于布洛赫电子？ 13从能带底到能带顶，晶体中电子的有效质量将如何变化？外场对电子的作用效果有什么不同？ 14试述在周期性势场中运动的电子具有哪些一般属性？以硅的本征激发为例，说明半导体能带图的物理意义及其与硅晶格结构的联系？ 15为什么电子从其价键上挣脱出来所需的最小能量就是半导体的禁带宽度？16为什么半导体满带中的少量空状态可以用具有正电荷和一定质量的空穴来描述？ 17有两块硅单晶，其中一块的重量是另一块重量的二倍。这两块晶体价带中的能级数是否相等？彼此有何联系？ 18说明布里渊区和k空间等能面这两个物理概念的不同。 19为什么极值附近的等能面是球面的半导体，当改变存储反向时只能观察到一个共振吸收峰？ 第二章半导体中的杂质与缺陷能级 例1.半导体硅单晶的介电常数＝11.8，电子和空穴的有效质量各为＝ 0.97， ＝0.19和＝0.16，＝0.53，利用类氢模型估计： （1）施主和受主电离能; （2）基态电子轨道半径 解：（1）利用下式求得和。 第五章习题 1. 在一个n 型半导体样品中，过剩空穴浓度为1013cm -3, 空穴的寿命为100us 。计算空穴的复合率。 2. 用强光照射n 型样品，假定光被均匀地吸收，产生过剩载流子，产生率为,空穴寿命为。 （1）写出光照下过剩载流子所满足的方程； （2）求出光照下达到稳定状态时的过载流子浓度。 3. 有一块n 型硅样品，寿命是1us ，无光照时电阻率是10cm 。今用光照射该样品，光被半导体均 匀的吸收，电子-空穴对的产生率是1022cm -3s-1 ,试计算光照下样品的电阻率，并求电导中少数在流子 的贡献占多大比例？ 4. 一块半导体材料的寿命=10us ，光照在材料中会产生非平衡载流子，试求光照突然停止20us 后， s cm p U s cm p U p 31710 10010 313/10U 100,/10613 ==?= ====?-??-τ τμτ得：解：根据？求：已知：τ τ τ ττ g p g p dt p d g Ae t p g p dt p d L L t L =?∴=+?-∴=?+=?+?-=?∴-. 00 )2()(达到稳定状态时，方程的通解：梯度，无飘移。 解：均匀吸收，无浓度cm s pq nq q p q n pq np cm q p q n cm g n p g p p n p n p n p n L /06.396.21.0500106.1101350106.11010.0:101 :1010100 .19 16191600'000316622=+=???+???+=?+?++=+=Ω=+==?==?=?=+?-----μμμμμμσμμρττ光照后光照前光照达到稳定态后% 2606.38.006.3500106.1109. ,.. 32.0119 161 0' '==???=?∴?>?Ω==-σσ ρp u p p p p cm 的贡献主要是所以少子对电导的贡献献 少数载流子对电导的贡 第三章习题和答案 1. 计算能量在E=E c 到2 *n 2 C L 2m 100E E 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）。 3 22 23 3*28100E 21 23 3 *22100E 002 1 233*231000L 8100)(3 222)(22)(1Z V Z Z )(Z )(22)(23 22 C 22 C L E m h E E E m V dE E E m V dE E g V d dE E g d E E m V E g c n c C n l m h E C n l m E C n n c n c ）（） （单位体积内的量子态数） （) (21)(,)"(2)()(,)(,)()(2~.2'2 1 3'' ''''2'21'21'21' 2 2222 22C a a l t t z y x a c c z l a z y t a y x t a x z t y x C C e E E m h k V m m m m k g k k k k k m h E k E k m m k k m m k k m m k ml k m k k h E k E K IC E G si ? 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 1 23 2212 32' 2123 2 31'2 '''')()2(4)()(111100)()(24)(4)()(~l t n c n c l t t z m m s m V E E h m E sg E g si V E E h m m m dE dz E g dk k k g Vk k g d k dE E E ?? ? ? ）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 1．固体材料可以分为 晶体 和 非晶体 两大类，它们之间的主要区别是 。 2．纯净半导体Si 中掺V 族元素的杂质，当杂质电离时释放 电子 。这种杂质称 施主 杂质；相应的半 导体称 N 型半导体。 3．半导体中的载流子主要受到两种散射，它们分别是 电离杂质散射 和 晶格振动散射 。前者在 电离施 主或电离受主形成的库伦势场 下起主要作用，后者在 温度高 下起主要作用。 4．当半导体中载流子浓度的分布不均匀时，载流子将做 扩散 运动；在半导体存在外加电压情况下，载 流子将做 漂移 运动。 5．对n 型半导体，如果以E F 和E C 的相对位置作为衡量简并化与非简并化的标准，那末， 为非 简并条件； 为弱简并条件； 简并条件。 6．空穴是半导体物理学中一个特有的概念，它是指： ； 7．施主杂质电离后向 带释放 ，在材料中形成局域的 电中心；受主杂质电离后 带释放 ， 在材料中形成 电中心； 8．半导体中浅能级杂质的主要作用是 ；深能级杂质所起的主要作用 。 9. 半导体的禁带宽度随温度的升高而__________；本征载流子浓度随禁带宽度的增大而__________。 10.施主杂质电离后向半导体提供 ，受主杂质电离后向半导体提供 ，本征激发后向半导体提 供 。 11.对于一定的n 型半导体材料，温度一定时，较少掺杂浓度，将导致 靠近Ei 。 12.热平衡时，半导体中电子浓度与空穴浓度之积为常数，它只与 和 有关，而与 、 无关。 A. 杂质浓度 B. 杂质类型 C. 禁带宽度 D. 温度 12. 指出下图各表示的是什么类型半导体？ 13．n o p o =n i 2标志着半导体处于 平衡 状态，当半导体掺入的杂质含量改变时，乘积n o p o 改变否？ 不 变 ；当温度变化时，n o p o 改变否？ 改变 。 14．非平衡载流子通过 复合作用 而消失， 非平衡载流子的平均生存时间 叫做寿命τ，寿命 τ与 复合中心 在 禁带 中的位置密切相关，对于强p 型和 强n 型材料，小注入时寿命τn 为 ，寿命τp 为 . 15． 迁移率 是反映载流子在电场作用下运动难易程度的物理量， 扩散系数 是反映有浓度梯度时载流子 运动难易程度的物理量，联系两者的关系式是 q n n 0=μ ，称为 爱因斯坦 关系式。 16．半导体中的载流子主要受到两种散射，它们分别是电离杂质散射 和 晶格振动散射 。前者在 电离施主或电离受主形成的库伦势场 下起主要作用，后者在 温度高 下起主要作用。 17．半导体中浅能级杂质的主要作用是 影响半导体中载流子浓度和导电类型 ；深能级杂质所起的主 要作用 对载流子进行复合作用 。 第一篇习题半导体中的电子状态 1-1、什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？试定性说明之。 1-2、试定性说明Ge、Si的禁带宽度具有负温度系数的原因。 1-3、试指出空穴的主要特征。 1-4、简述 Ge、Si 和 GaAS的能带结构的主要特征。 1-5、某一维晶体的电子能带为 E(k ) E0 1 0.1cos(ka) 0.3sin(ka) 其中 E0 ，晶格常数х -11 。求： =3eV a=5 10 m （1）能带宽度； （2）能带底和能带顶的有效质量。 第一篇题解 刘诺半导体中的电子状态编 1-1、解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。其结果是在半导体中出现成对的电子 -空穴 对。 如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的 电子被激发到导带中。 1-2、解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允 带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。反之，温度降低，将导致禁带变宽。 因此， Ge、Si 的禁带宽度具有负温度系数。 1-3、解：空穴是未被电子占据的空量子态，被用来描述半满带中的大量电子的集体运动状态，是准粒子。主要特征如下： A、荷正电： +q； B、空穴浓度表示为p（电子浓度表示为n）； C、 E P=-E n D、m P*=-m n* 。 1-4、解： （1） Ge、Si: a）Eg (Si： 0K) = 1.21eV；Eg (Ge： 0K) = 1.170eV； b）间接能隙结构 c）禁带宽度 E g随温度增加而减小； （2） GaAs： a）E g（ 300K） 第二篇习题-半导体中的杂质和缺陷能级 刘诺编 2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？ 2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出n 型半导体。 2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出p 型半导体。 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E c (k)与价带极大值附近 能量E V (k)分别为: E c =0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V -=-+ 0m 。试求： 为电子惯性质量，nm a a k 314.0,1==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) eV m k E k E E E k m dk E d k m k dk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43(0,060064 30382324 30)(2320212102 2 20 202 02022210 1202==-==<-===-== >=+== =-+ηηηηηηηη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： 04 3222* 83)2(1m dk E d m k k C nC ===η s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.704 3)()()4(6 )3(25104300222* 11-===?=-=-=?=-==ηηηηη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,107 V/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:t k h qE f ??== 得qE k t -?=?η s a t s a t 13719282 1911027.810106.1) 0(1027.810106.1) 0(----?=??--= ??=??-- =?π πηη 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与分布图) Si 在(100),(110)与(111)面上的原子分布如图1所示: (a)(100)晶面 (b)(110)晶面 半导体物理习题解答 1－1．（P 32）设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c （k ）和价带极大值附近能量E v （k ）分别为： E c (k)=0223m k h +022)1(m k k h -和E v (k)= 0226m k h －0 2 23m k h ； m 0为电子惯性质量，k 1＝1/2a ；a ＝0.314nm 。试求： 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禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝0232m k h ＋0 12)(2m k k h -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝ 14 3 k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min = 2 10 4k m h ； 由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0； 并且E min ＝E V (k)|k=k max ＝02126m k h ；∴Eg ＝E min －E max ＝021212m k h ＝2 02 48a m h ＝11 28282 2710 6.1)1014.3(101.948)1062.6(----???????＝0.64eV ②导带底电子有效质量m n 0202022382322 m h m h m h dk E d C =+=；∴ m n ＝022 283/m dk E d h C = ③价带顶电子有效质量m ’ 022 26m h dk E d V -=，∴022 2'61/m dk E d h m V n -== ④准动量的改变量 h △k ＝h (k min -k max )= a h k h 83431= [毕] 1－2．（P 33）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] 设电场强度为E ，∵F =h dt dk =q E （取绝对值） ∴dt =qE h dk 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E c (k)和价带极大值附近能量 E V (k)分别为： E c =0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V - =-+ 0m 。试求： 为电子惯性质量，nm a a k 314.0,1== 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） eV m k E k E E E k m dk E d k m k dk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43 (0,060064 3 382324 3 0)(2320 212102220 202 02022210 1202==-==<-===-==>=+===-+ 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： 04 32 2 2*8 3)2(1 m dk E d m k k C nC === s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.704 3 )() ()4(6 )3(25104 3002 2 2*1 1 -===?=-=-=?=- == 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 ，107 V/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：t k h qE f ??== 得qE k t -?=? s a t s a t 137 19 282 1911027.810 10 6.1)0(102 7.810106.1) 0(----?=??-- =??=??-- = ?π π 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 第1章思考题和习题 1. 300K时硅的晶格常数a=5.43?，求每个晶胞所含的完整原子数和原子密度为多少？ 2. 综述半导体材料的基本特性及Si、GaAs的晶格结构和特征。 3. 画出绝缘体、半导体、导体的简化能带图，并对它们的导电性能作出定性解释。 4. 以硅为例，简述半导体能带的形成过程。 5. 证明本征半导体的本征费米能级E i位于禁带中央。 6. 简述迁移率、扩散长度的物理意义。 7. 室温下硅的有效态密度Nc=2.8×1019cm-3,κT=0.026eV,禁带宽度Eg=1.12eV，如果忽略禁带宽度随温度的变化，求： （a）计算77K、300K、473K 3个温度下的本征载流子浓度。 （b） 300K本征硅电子和空穴的迁移率分别为1450cm2/V·s和500cm2/V·s，计算本征硅的电阻率是多少？ 8. 某硅棒掺有浓度分别为1016/cm3和1018/cm3的磷，求室温下的载流子浓度及费米能级E FN的位置（分别从导带底和本征费米能级算起）。 9. 某硅棒掺有浓度分别为1015/cm3和1017/cm3的硼，求室温下的载流子浓度及费米能级E FP的位置（分别从价带顶和本征费米能级算起）。 10. 求室温下掺磷为1017/cm3的N+型硅的电阻率与电导率。 11. 掺有浓度为3×1016cm-3的硼原子的硅，室温下计算： （a）光注入△n=△p=3×1012cm-3的非平衡载流子，是否为小注入？为什么？ （b）附加光电导率△σ为多少？ （c）画出光注入下的准费米能级E’FN和E’FP(E i为参考)的位置示意图。 （d）画出平衡下的能带图，标出E C、E V、E FP、E i能级的位置，在此基础上再画出光注入时，E FP’和E FN’，并说明偏离E FP的程度是不同的。 12. 室温下施主杂质浓度N D=4×1015 cm-3的N型半导体，测得载流子迁移率μn=1050cm2/V·s，μp=400 cm2/V·s, κT/q=0.026V,求相应的扩散系数和扩散长度为多少？ 第2章思考题和习题 1．简述ＰＮ结空间电荷区的形成过程和动态平衡过程。 2．画出平衡ＰＮ结，正向ＰＮ结与反向ＰＮ结的能带图，并进行比较。 3．如图２-６９所示，试分析正向小注入时，电子与空穴在５个区域中的运动情况。 4．仍如图２-６９为例试分析PN结加反向偏压时，电子与空穴在５个区域中的运动情况。 5试画出正、反向PN结少子浓度分布示意图，写出边界少子浓度及 半导体物理学第七版完 整答案修订版 IBMT standardization office【IBMT5AB-IBMT08-IBMT2C-ZZT18】 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E c (k)和价带极大值附近能量E V (k) 分别为： E C （K ）=0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V - =-+ （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） 2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107 V/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：t k h qE f ??== 得qE k t -?=? 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)2cos 81 cos 8 7()22ka ka ma k E +-= （， 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* n m ； （5）能带顶部空穴的有效质量*p m 解：（1）由 0)(=dk k dE 得 a n k π = （n=0，?1，?2…） 进一步分析a n k π ) 12(+= ，E （k ）有极大值， a n k π 2=时，E （k ）有极小值 半导体物理学试题及答案 半导体物理学试题及答案(一) 一、选择题 1、如果半导体中电子浓度等于空穴浓度，则该半导体以( A )导电为主;如果半导体中电子浓度大于空穴浓度，则该半导体以( E )导电为主;如果半导体中电子浓度小于空穴浓度，则该半导体以( C )导电为主。 A、本征 B、受主 C、空穴 D、施主 E、电子 2、受主杂质电离后向半导体提供( B )，施主杂质电离后向半导体提供( C )，本征激发向半导体提供( A )。 A、电子和空穴 B、空穴 C、电子 3、电子是带( B )电的( E );空穴是带( A )电的( D )粒子。 A、正 B、负 C、零 D、准粒子 E、粒子 4、当Au掺入Si中时，它是( B )能级，在半导体中起的是( D )的作用;当B掺入Si中时，它是( C )能级，在半导体中起的是( A )的作用。 A、受主 B、深 C、浅 D、复合中心 E、陷阱 5、 MIS结构发生多子积累时，表面的导电类型与体材料的类型( A )。 A、相同 B、不同 C、无关 6、杂质半导体中的载流子输运过程的散射机构中，当温度升高时，电离杂质散射的概率和晶格振动声子的散射概率的变化分别是( B )。 A、变大，变小 ; B、变小，变大; C、变小，变小; D、变大，变大。 7、砷有效的陷阱中心位置(B ) A、靠近禁带中央 B、靠近费米能级 8、在热力学温度零度时，能量比EF小的量子态被电子占据的概率为( D )，当温度大于热力学温度零度时，能量比EF小的量子态被电子占据的概率为( A )。 A、大于1/2 B、小于1/2 C、等于1/2 D、等于1 E、等于0 9、如图所示的P型半导体MIS结构的C-V特性图中，AB段代表( A)，CD段代表( B )。 A、多子积累 B、多子耗尽 C、少子反型 D、平带状态 10、金属和半导体接触分为：( B )。 A、整流的肖特基接触和整流的欧姆接触 B、整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触 C、非整流的肖特基接触和整流的欧姆接触 D、非整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触 11、一块半导体材料，光照在材料中会产生非平衡载 6 第1章 半导体中的电子状态 1?设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量 EJk)和价带极大值附近能量 E v (k) 3h 2k 2 mb m 0为电子惯性质量， k 1 12a ， a 0.314nm 。试求： 2 2 分别为E c (k) 3m o h 2(k k 1)2，E v (k) h%2 mb 6m ° 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)禁带宽度E g ， 根据dEc(k) 埜 dk 2g 2h 2 (k k) 1 0，可求出对应导带能量极小值 E m in 的k 值： m b k min k 1， 4 由题目中E c (k)式可得: E min E c (k) 3 k kmin 4k1 M ； 4m 0 根据dE\k ) 泌 dk g 0,可以看出，对应价带能量极大值 E max 的 k 值为：k max = 0 ； 可得 E max E v (k)k k max h 2ki 6g ，所以E g E m . E m ax h 2k 2 12m ° h 2 48m 0a 2 2)导带底电子有效质量 m n 禹工 d 2E c 2h 2 2h 2 由于 扌 dk 3m 0 mt 8h 2 3g 所以 3m o 8 3)价带顶电子有效质量 v m n 由于驾 dk 2 m o 型，所以咗 m o 4)准动量的改变量 2 E v dk 2 3 k max ) hk 1 4 2. 晶格常数为0.25 nm 的一维晶格，当外加 102 V/m 、107 V/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。 t 丄 h h 1 所以t dt 2a —dk — 1，代入数据得: 0 c 匚 c 匚Oa 0 0 qE qE 2a 丄 6.62 10 34 8.3 10 （、 t (s) 19 一 2 (2.5 ―10、 1.6 10 E 10 ) E 当 E = 102 V/m 时， t 8.3 10 8s ； i 当E = A O =107 V/m 时，t 8.3 10 s 。 第2章 半导体中的杂质和缺陷能级 1. 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？ 答：（1）实际半导体中原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平 衡位置附近振动； （2） 实际半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质，即在半导体晶格中存在着与组成半 导体材料的元素不同的其他化学元素的原子； （3） 实际半导体晶格结构并不是完整无缺的， 而存在着各种形式的缺陷， 如点缺陷、线缺陷、 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。 答：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 3h 8a 解：设电场强度为E ,电子受到的力f 为f dk 咕qE （E 取绝对值），可得dt h qE dk ， 一、半导体物理学期末复习试题及答案一 1.与绝缘体相比,半导体的价带电子激发到导带所需要的能量 （ B ）。 A. 比绝缘体的大 B.比绝缘体的小 C. 和绝缘体的相同 2.受主杂质电离后向半导体提供（ B ）,施主杂质电离后向半 导体提供（ C ）,本征激发向半导体提供（ A ）。 A. 电子和空穴 B.空穴 C. 电子 3.对于一定的N型半导体材料,在温度一定时,减小掺杂浓度,费米能 级会（ B ）。 A.上移 B.下移 C.不变 4.在热平衡状态时,P型半导体中的电子浓度和空穴浓度的乘积为 常数,它和（ B ）有关 A.杂质浓度和温度 B.温度和禁带宽度 C.杂质浓度和禁带宽度 D.杂质类型和温度 5.MIS结构发生多子积累时,表面的导电类型与体材料的类型 （ B ）。 A.相同 B.不同 C.无关 6.空穴是( B )。 A.带正电的质量为正的粒子 B.带正电的质量为正的准粒子 C.带正电的质量为负的准粒子 D.带负电的质量为负的准粒子 7.砷化稼的能带结构是（ A ）能隙结构。 A. 直接 B.间接 8. 将Si 掺杂入GaAs 中,若Si 取代Ga 则起（ A ）杂质作用, 若Si 取代As 则起（ B ）杂质作用。 A. 施主 B. 受主 C. 陷阱 D. 复合中心 9. 在热力学温度零度时,能量比F E 小的量子态被电子占据的概率为 （ D ）,当温度大于热力学温度零度时,能量比F E 小的量子 态被电子占据的概率为（ A ）。 A. 大于1/2 B. 小于1/2 C. 等于1/2 D. 等于1 E. 等于0 10. 如图所示的P 型半导体MIS 结构 的C-V 特性图中,AB 段代表 （ A ）,CD 段代表（B ）。 A. 多子积累 B. 多子耗尽 C. 少子反型 D. 平带状态 11. P 型半导体发生强反型的条件（ B ）。 A. ???? ??=i A S n N q T k V ln 0 B. ??? ? ??≥i A S n N q T k V ln 20 C. ???? ??= i D S n N q T k V ln 0 D. ???? ??≥i D S n N q T k V ln 20 12. 金属和半导体接触分为：（ B ）。 A. 整流的肖特基接触和整流的欧姆接触 B. 整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触 C. 非整流的肖特基接触和整流的欧姆接触 D. 非整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触 半导体物理学(刘恩科第七版)课后习题解第 1章习题解 半导体物理学 第一章习题 (公式要正确显示，请安装字体MT extra) 1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E V (k)分别为： ................ 2 2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102 V/m ，107 V/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。 (4) 1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E V (k)分别为： 2 20122021202236)(,)(3Ec m k m k k E m k k m k V - =-+= 0m 。试求： 为电子惯性质量，nm a a k 314.0,1== 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：109 11010 314.0＝-?= =π πa k （1） J m k m k m k E k E E m k k E E k m dk E d k m k dk dE J m k Ec k k m m m dk E d k k m k k m k dk dE V C g V V V V c C 1731 2 10340212012202 1210 12202220 21731 2 103402 12102 02022210120210*02.110 108.912)1010054.1(1264)0()43(6)(0,0600610*05.310108.94)1010054.1(4Ec 430 382324 3 0)(232------=????==-=-== =<-===-==????===>=+== =-+= 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： 04 32 2 2* 8 3)2(1 m dk E d m k k C nC === s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.71010054.14 3 10314.0210625.643043)()()4(6)3(2510349 3410 4 3 222 * 1 ----===?=???= ?? ??=-=-=?=-==ππ 所以：准动量的定义：半导体物理学试题库完整
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