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半导体物理学习题答案(刘恩科)
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半导体物理习题解答
1-1.(P32)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(k)=+和Ev(k)= -;
m0为电子惯性质量,k1=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=+=0;可求出对应导带能量极小值Emin的k值:
kmin=,
由题中EC式可得:Emin=EC(K)|k=kmin=;
由题中EV式可看出,对应价带能量极大值Emax的k值为:kmax=0;
并且Emin=EV(k)|k=kmax=;∴Eg=Emin-Emax==
==0.64eV
②导带底电子有效质量mn
;∴ mn=
③价带顶电子有效质量m’
,∴
④准动量的改变量
△k=(kmin-kmax)= [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??的时间。
[解] 设电场强度为E,∵F=h=qE(取绝对值) ∴dt=dk
∴t==dk= 代入数据得:
t==(s)
当E=102 V/m时,t=8.3×10-8(s);E=107V/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1017cm-3,假定浓度为零,而Ec-ED=0.01eV,求锗中施主浓度ND为多少?
[解] ①室温下,T=300k(27℃),k0=1.380×10-23J/K,h=6.625×10-34J·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:
根据(3-23)式:
﹟求77k时的Nc和Nv:
同理:
﹟求300k时的ni:
求77k时的ni:
②77k时,由(3-46)式得到:
Ec-ED=0.01eV=0.01×1.6×10-19;T=77k;k0=1.38×10-23;n0=1017;Nc=1.365×1019cm-3; [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:ND=5×1015cm-3,NA=2×109cm-3:
;
;
;
;
2)T=300k时:
;
查图3-7(P61)可得:,属于过渡区,
;
。
(此题中,也可以用另外的方法得到ni:
求得ni)[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:
;
求得:
;
∴
ND=1014cm-3,99%电离,即D_=1-99%=0.01
即:
将ND=1017cm-3,D_=0.01代入得:
即:
90%时,D_=0.1
即:
ND=1017cm-3得:
即:;
50%电离不能再用上式
∵
即:
∴
即:
取对数后得:
整理得下式:
∴
即:
当ND=1014cm-3时,
得
当ND=1017cm-3时
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:ND=9×1015cm-3;NA=1.1×1016cm-3;T=300k时 ni=1.5×1010cm-3:
;
∵且
∴
∴ [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,△ED=0.044eV,依题意得:
∴
∴
∴
∵
∴
[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]由可知,EFED,∵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。
∵
即 ;故此n型Si应为弱简并情
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