半导体物理习题答案

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＝，电子和空穴的有效质量各为＝，＝和＝，＝，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。

因此，施主和受主杂质电离能各为：

（2）基态电子轨道半径各为：

式中, 是波尔半径。

习题与思考题：

1 什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？

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。

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。

4掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响。

5两性杂质和其它杂质有何异同？

6深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？

7何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？

8 说明杂质能级以及电离能的物理意义。8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？

9纯锗、硅中掺入Ⅲ族或Ⅴ族元素后，为什么使半导体电性能有很大的改变？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？

10把不同种类的施主杂质掺入同一种半导体材料中，杂质的电离能和轨道半径是否不同？把同一种杂质掺入到不同的半导体材料中（例如锗和硅），杂质的电离能和轨道半径又是否都相同？

11何谓深能级杂质？它们电离以后有说明特点？

12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？13说明掺杂对半导体导电性能的影响。

14说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质的作用有何不同？

15什么叫杂质补偿？什么叫高度补偿的半导体？杂质补偿有何实际应用？

第三章半导体中载流子的统计分布

例1.有一硅样品，施主浓度为，受主浓度为，已知施主电离能，试求的施主杂质电离时的温度。

解：令和表示电离施主和电离受主的浓度，则电中性方程为：

略去价带空穴的贡献，则得：（受主杂质全部电离）

式中：

对硅材料

由题意可知 ,则

（1）当施主有99%的N电离时，说明只有1%的施主有电子占据，即＝。

＝198

，代入式（1）得：

去对数并加以整理即得到下面的方程：

用相关数值解的方法或作图求得解为： T=101.

例2.现有三块半导体硅材料，已知室温下（300K）它们的空穴浓度分别为：，，。

分别计算这三块材料的电子浓度，，；

判断这三块材料的导电类型；

分别计算这三块材料的费米能级的位置。

解：（1）室温时硅的，

根据载流子浓度积公式：

可求出