半导体物理习题课(一)

半导体物理习题 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN附： 半导体物理习题第一章 晶体结构1. 指出下述各种结构是不是布拉伐格子。

如果是，请给出三个原基矢量；如果不是，请找出相应的布拉伐格子和尽可能小的基元。

（1） 底心立方（在立方单胞水平表面的中心有附加点的简立方）； （2） 侧面心立方（在立方单胞垂直表面的中心有附加点的简立方）； （3） 边心立方（在最近邻连线的中点有附加点的简立方）。

2. 证明体心立方格子和面心立方格子互为正、倒格子。

3. 在如图1所示的二维布拉伐格子中，以格点O 为原点，任意选取两组原基矢量，写出格点A 和B 的晶格矢量A R 和B R 。

4. 以基矢量为坐标轴（以晶格常数a 为度量单位，如图2），在闪锌矿结构的一个立方单胞中，写出各原子的坐标。

5.石墨有许多原子层，每层是由类似于蜂巢的六角形原子环组成，使每个原子有距离为a的三个近邻原子。

试证明在最小的晶胞中有两个原子，并画出正格子和倒格子。

第二章晶格振动和晶格缺陷1.质量为m和M的两种原子组成如图3所示的一维复式格子。

假设相邻原子间的弹性力常数都是β，试求出振动频谱。

2.设有一个一维原子链，原子质量均为m，其平衡位置如图4所示。

如果只考虑相邻原子间的相互作用，试在简谐近似下，求出振动频率ω与波矢q之间的函数关系。

3.若把聚乙烯链—CH=CH—CH=CH—看作是具有全同质量m、但力常数是以1β，2β交替变换的一维链，链的重复距离为a，试证明该一维链振动的特征频率为}])(2sin41[1{2/1221221212ββββββω+-±+=qam并画出色散曲线。

第三章 半导体中的电子状态1. 设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近的能量)(k E c 为mk k m k k E c 21222)(3)(-+=（3.1）价带极大值附近的能量)(k E v 为mk m k k E v 2221236)( -=（3.2）式中m 为电子质量，14.3,/1==a a k πÅ。

半导体物理学课后习题第一章 半导体的电子状态1. [能带结构计算]设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量)(k E c 和价带极大值附近能量)(k E v 分别为()()02120223m k k m k k E c -+= ()022021236m k m k k E v -= 式中，0m 为电子惯性质量，a k /1π=，nm a 314.0=。

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先找极值点位置()023201202=-+=m k k m k dk dE c 得出，当143k k =时，0212(min)4m k E c =同理由0=dk dE v 得当0=k 时，0212(max)6m k E v = 所以禁带宽度0212(max)(min)12m k E E E v c g =-==0.636eV ②830222*m dk E d m c nc== ③60222*m dk E d m v nv-==④由①可知，准动量的变化为)(109.7834301291--⋅⋅⨯-=-=⨯-⨯=∆=-=∆s m kg ahk k P P P c v2. [能带动力学相关]晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107V/m 的电场时，试分别计算电子能带底运动到能带顶所需要的时间。

解：设晶格常数为a ，则电子从能带底到能带顶过程中准动量的变化为ak π=∆，因为dt dk qE f==，所以qEdt dk =所以所需要的时间为：E =∙∆=∆=∆qa qE k dtdk k t π，当m V /102=E 时，s t 81028.8-⨯=∆ 当m V /107=E 时，s t 131028.8-⨯=∆第二章 半导体中杂质和缺陷能级1. [半导体、杂质概念]实际半导体与理想半导体的主要区别是什么？ 解：杂质和缺陷的存在是实际半导体和理想半导体的主要区别。

复习思考题与自测题第一章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。

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()c E k 和价带极大值附近能量()v E k 分别为2222100()()3c h k k h k E k m m -=+，22221003()6v h k h k E k m m =-0m 为电子惯性质量，112k a =， 0.314a =nm 。

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g E ，根据22100()2()202c dE k h k k h k dk m m -=+=，可求出对应导带能量极小值min E 的k 值：min 134k k =， 由题目中()c E k 式可得：min 12min 3104()4c k k k h E E k k m ====； 根据20()60v dE k h k dk m =-=，可以看出，对应价带能量极大值max E 的k 值为：k max = 0；可得max 221max 00()6v k k h k E E k m ====，所以2221min max 2001248g h k h E E E m m a=-== 2) 导带底电子有效质量m n由于2222200022833c d E h h h dk m m m =+=，所以202238nc m h md E dk== 3) 价带顶电子有效质量vn m由于22206v d E h dk m =-，所以20226v nv m h m d E dk ==- 4) 准动量的改变量min max 133()48hh k h k k hk a∆=-==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。

解：设电场强度为E ，电子受到的力f 为dkf hqE dt==（E 取绝对值），可得h dt dk qE =， 所以12012ta h h t dt dk qE qE a===⎰⎰，代入数据得： 34619106.62108.310()1.6102(2.510)t s E E----⨯⨯==⨯⨯⨯⨯⨯ 当E = 102 V/m 时，88.310t s -=⨯；当E = 107 V/m 时，138.310t s -=⨯。

《半导体物理学》习题库完整第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。

半导体物理习题答案 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】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：（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：（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。

半导体物理课后习题答案(精)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：h2k2h2(k-k1)2h2k213h2k2Ec= +,EV(k)=-3m0m06m0m0m0为电子惯性质量，k1=（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：2 2k22(k-k1)由+=03m0m03k14d2Ec2 22 28 22=+=>03m0m03m0dk得：k=所以：在k=价带：dEV6 2k=-=0得k=0dkm0d2EV6 2又因为=-<0,所以k=0处，EV取极大值2m0dk2k123=0.64eV 因此：Eg=EC(k1)-EV(0)=412m02=2dECdk23m0 8πa,a=0.314nm。

试求： 3k处，Ec取极小值4 (2)m*nC=3k=k14 (3)m*nV 2=2dEVdk2=-k=01m06(4)准动量的定义：p= k所以：∆p=( k)3k=k14 3-( k)k=0= k1-0=7.95⨯10-25N/s42. 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：f=qE=h(0-∆t1=-1.6⨯10∆k ∆k 得∆t= ∆t-qEπa)⨯10)=8.27⨯10-13s2-19=8.27⨯10-8s (0-∆t2=π-1.6⨯10-19⨯107第三章习题和答案100π 21. 计算能量在E=Ec到E=EC+ 之间单位体积中的量子态数。

*22mLn31*2V（2mng(E)=(E-EC)2解 232πdZ=g(E)dEdZ 单位体积内的量子态数Z0=V22100π 100h Ec+Ec+32mnl8mnl1*2（2mn1VZ0=g(E)dE=⎰(E-EC)2dE23⎰VEC2π EC 23100h*2 =V（2mn2(E-E)Ec+8m*L2 Cn32π2 3Ecπ =10003L32. 试证明实际硅、锗中导带底附近状态密度公式为式（3-6）。

半导体物理学第一章习题(公式要正确显示，请安装字体MTextra)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：........................................................................................1...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。

...............................................3.1．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：Ec2222223k(k k)k11,E(k)V3mm6m0002km2m为电子惯性质量，k1,a0.314nm。

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1解：10k 1＝109a0.31410（1） 导带：由dE C dk 2 2 k 3m0 2 2 (k mk)1 0得： k3 4 k12 dE 2c 又因为： dk2 2 3m 0 2 2 m 0 2 8 3m0 所以：在 k 3 4 k 处，Ec 取极小值Ec 122 k 14m0 (1.054 1049.110 1031 10 ) 2 3.05 * 10 17J 价带：dEV dk6 2 km 00 得 k0 又因为 2 dE V 2 dk2 6 m0 0, 所以 k 0 处， E 取极大值 V E(k V ) 22k 1 6m 0因此： E g E C ( 3 4 k) 1 E(0) V 22 k 1 4m 0 22 k 1 6m 0 22 k 1 12m 0 (1.054 12 34 10 9.108 10 10 31 10 ) 2 1.02 * 10 17 J *(2)m nC d2 3 2E 8C m 0dk 2 k 34 k 1*(3)mnV d 2 2 EV m 0 62 dkk0 (4)pk准动量的定义：所以：p(k) k 3 4 k 1 ( k) k 0 3 4 k 1 0 3 4 6.625 2 1034 0.314109 3 41.541034 10 107.95 10 25 N /s 23.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。

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 =0220122021202236)(,)(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 ak 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 kdk 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(0,060064338232430)(2320212102220202020222101202==-==<-===-==>=+===-+ 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(1m dk E d mk k C nC===sN k k k p k p m dk E d mk k k k V nV/1095.7043)()()4(6)3(25104300222*11-===⨯=-=-=∆=-== 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 hqE f ∆∆== 得qEk t -∆=∆ sat sat 137192821911027.810106.1)0(1027.810106.1)0(----⨯=⨯⨯--=∆⨯=⨯⨯--=∆ππ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 81cos 87()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 an k π= （n=0，±1，±2…） 进一步分析an k π)12(+= ，E （k ）有极大值，214221422142822/1083.7342232212414111/1059.92422124142110/1078.6)1043.5(224141100cm atom a a a cm atom a a a cm atom a a ⨯==⨯+⨯+⨯⨯==⨯⨯+⨯+⨯=⨯==⨯+-）：（）：（）：（222)mak E MAX =（ ank π2=时，E （k ）有极小值所以布里渊区边界为an k π)12(+=(2)能带宽度为222)()ma k E k E MIN MAX =-（ (3）电子在波矢k 状态的速度)2sin 41(sin 1ka ka ma dk dE v -== （4）电子的有效质量)2cos 21(cos 222*ka ka mdkEd m n-== 能带底部 an k π2=所以m m n 2*= (5)能带顶部 an k π)12(+=， 且**n p m m -=，所以能带顶部空穴的有效质量32*mm p =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。

半导体物理导论课后习题答案第1-3章1.倒格子的实际意义是什么？一种晶体的正格矢和相应的倒格矢是否有一一对应的关系？解答：倒格子的实际意义是由倒格子组成的空间，实际上是状态空间空间，在晶体的X 射线衍射照片上的斑点实际上就是倒格子所对应的点子。

由正格子的基矢(a 1,a 2,a 3)就得到倒格子的矢量(b 1,b 2,b 3)，其中其中Ω是晶格原胞的体积。

由此可以唯一地确定相应的倒格子空间。

显然，倒格子与正格子之间有如下关系：所以一种晶体的正格矢和相应的倒格矢有一一对应的关系。

Ω⨯=Ω⨯=Ω⨯=213132321222a a b a a b a a b πππ，，ij i i πδ2=⋅b a (i,j=1,2,3)2.假设有一立方晶体，画出以下各晶面（1）（100）；（2）（110）；（3）（111）；（4）（100）；（5）（110）；（6）（111）3.已知Si的晶格常数或单胞的边长a=5.43089 Å, 求：（1）Si的原子体密度。

（2）(111)面、(110)面以及(100)面的原子面密度，比较哪个晶面的面密度最大？哪个晶面的面密度最小？解:(1)每个晶胞中有8个原子，晶胞体积为a 3，每个原子所占的空间体积为a 3/8，因此每立方厘米体积中的硅原子数为：原子体密度=8/a 3=8/(5.43×108)3=5×1022（个原子/cm 3）(2)（111）面为一个边长为的等边三角形，有效原子数为等边三角形的面积为个原子（面心原子）（顶角原子）25213313=⨯+⨯4521022212a a a S =⨯⨯=2a所以，(111)面的原子面密度为(110)面为一个边长为 的长方形，有效原子数为长方形的面积为所以，(110)面的原子面密度为22524525aa ==等边三角形面积有效原子数2a a ⨯个原子（体对角线原子）（面心原子）（顶角原子）42212414=+⨯+⨯222a a a S =⨯=222224aa ==等边三角形面积有效原子数(100)面为一个边长为 的正方形，有效原子数为正方形的面积为所以，(100)面的原子面密度为因此，(111)面的原子面密度∶(110)面的原子面密度∶(100)面的原子面密度为 ∶ ∶ = ∶ ∶1说明(111)面的原子面密度最高，(100)面的原子面密度最低。

______________________________________________________________________________________Chapter 1Problem Solutions1.1 (a)fcc: 8 corner atoms 18/1atom6 face atoms32/1atomsTotal of 4 atoms per unit cell (b)bcc: 8 corner atoms 18/1atom1 enclosed atom=1 atom Total of 2 atoms per unit cell(c)Diamond: 8 corner atoms 18/1atom6 faceatoms 32/1atoms4 enclosedatoms= 4 atomsTotal of 8 atoms per unit cell_______________________________________ 1.2 (a)Simple cubic lattice: r a 2Unit cell vol33382rra1 atom per cell, so atom vol 3413r ThenRatio%4.52%10083433rr(b)Face-centered cubic latticerd aa rd22224Unit cell vol 33321622rr a4 atoms per cell, so atom vol3443r ThenRatio%74%10021634433rr (c)Body-centered cubic latticeraa rd3434Unit cell vol 3334ra2 atoms per cell, so atom vol 3423r ThenRatio%68%1003434233r r (d)Diamond lattice Body diagonal raa rd3838Unit cell vol3338r a8 atoms per cell, so atom vol 3483r ThenRatio%34%1003834833rr _______________________________________1.3(a)oA a43.5; From Problem 1.2d,ra38Then oAa r176.18343.583Center of one silicon atom to center ofnearest neighboroAr 35.22______________________________________________________________________________________ (b)Number density22381051043.58cm 3(c)Mass density23221002.609.28105..AN W t At N 33.2grams/cm3_______________________________________1.4(a)4 Ga atoms per unit cell Number density381065.54Density of Ga atoms 221022.2cm34 As atoms per unit cell Density of As atoms 221022.2cm3(b)8 Ge atoms per unit cell Number density381065.58Density of Ge atoms221044.4cm3_______________________________________ 1.5From Figure 1.15 (a)aa d4330.0232oAd 447.265.54330.0(b)aa d7071.022oAd 995.365.57071.0_______________________________________1.674.5423232222sin a a 5.109_______________________________________ 1.7(a) Simple cubic: oAr a 9.32(b)fcc:oAr a515.524(c) bcc:oA r a 503.434(d) diamond:oAra007.9342_______________________________________ 1.8 (a)Br 2035.122035.12oBAr 4287.0(b)oAa 07.2035.12(c)A-atoms: # of atoms1818Density381007.21231013.1cm3B-atoms: # of atoms3216Density381007.23231038.3cm3_______________________________________ 1.9(a)oAr a 5.42# of atoms1818Number density38105.412210097.1cm3______________________________________________________________________________________Mass density AN W t At N ..23221002.65.12100974.1228.0gm/cm3(b)oAr a196.534# of atoms 21818Number density3810196.5222104257.1cm3Mass density23221002.65.12104257.1296.0gm/cm3_______________________________________ 1.10From Problem 1.2, percent volume of fcc atoms is 74%; Therefore after coffee is ground,Volume = 0.74 cm3_______________________________________1.11(b)oAa 8.20.18.1(c)Na: Density38108.22/1221028.2cm3Cl: Density221028.2cm3(d)Na: At. Wt. = 22.99 Cl: At. Wt. = 35.45 So, mass per unit cell23231085.41002.645.352199.2221Then mass density21.2108.21085.43823grams/cm3_______________________________________ 1.12(a)oAa 88.122.223Then oA a 62.4Density of A:22381001.11062.41cm3Density of B:22381001.11062.41cm3(b)Same as (a) (c)Same material_______________________________________ 1.13oAa619.438.122.22(a) For 1.12(a), A-atomsSurface density28210619.411a1410687.4cm2For 1.12(b), B-atoms: oAa 619.4Surface density14210687.41acm2For 1.12(a) and (b), Same material(b) For 1.12(a), A-atoms;oAa 619.4Surface density212a1410315.3cm2B-atoms;Surface density______________________________________________________________________________________14210315.321a cm 2For 1.12(b), A-atoms;oAa 619.4Surface density212a1410315.3cm2B-atoms;Surface density14210315.321acm2For 1.12(a) and (b), Same material_______________________________________ 1.14 (a)Vol. Density31oaSurface Density212oa(b)Same as (a)_______________________________________ 1.15 (i)(110) plane(see Figure 1.10(b))(ii) (111) plane(see Figure 1.10(c))(iii) (220) plane,1,1,21,21Same as (110) plane and [110]direction(iv) (321) plane6,3,211,21,31Intercepts of plane at6,3,2sq p [321] direction is perpendicular to(321) plane_______________________________________1.16(a)31311,31,11(b)12141,21,41_______________________________________ 1.17Intercepts: 2, 4, 331,41,21(634) plane_______________________________________ 1.18(a)oAa d 28.5(b)oAa d734.322(c)oAa d048.333_______________________________________ 1.19(a) Simple cubic(i) (100) plane:Surface density2821073.411a141047.4cm 2(ii) (110) plane:Surface density212a141016.3cm 2(iii) (111) plane: Area of planebh21where oAa b 689.62Now2222243222a a a hSooAh793.573.426______________________________________________________________________________________Area of plane881079304.51068923.62116103755.19cm 2Surface density16103755.19613141058.2cm2(b) bcc(i) (100) plane:Surface density 1421047.41acm2(ii) (110) plane: Surface density222a141032.6cm 2(iii) (111) plane:Surface density16103755.19613141058.2cm2(c) fcc(i) (100) plane:Surface density 1421094.82acm2(ii) (110) plane: Surface density222a141032.6cm 2(iii) (111) plane:Surface density16103755.19213613151003.1cm2_______________________________________ 1.20 (a)(100) plane: - similar to a fcc:Surface density281043.52141078.6cm 2(b)(110) plane:Surface density281043.524141059.9cm2(c)(111) plane: Surface density281043.5232141083.7cm2_______________________________________1.21oAr a703.6237.2424(a)#/cm338310703.64216818a2210328.1cm3(b)#/cm222124142a210703.62281410148.3cm2(c)oA a d74.422703.622(d)# of atoms2213613Area of plane: (see Problem 1.19)oAa b4786.92oAa h2099.826Area88102099.8104786.92121bh______________________________________________________________________________________15108909.3cm2#/cm215108909.32=141014.5cm2oAa d87.333703.633_______________________________________ 1.22Density of silicon atoms 22105cm3and4 valence electrons per atom, soDensity of valence electrons 23102cm3_______________________________________ 1.23Density of GaAs atoms22381044.41065.58cm3An average of 4 valence electrons peratom,SoDensity of valence electrons231077.1cm3_______________________________________ 1.24 (a)%10%10010510532217(b)%104%10010510262215_______________________________________ 1.25 (a)Fraction by weight7221610542.106.2810582.10102(b)Fraction by weight5221810208.206.2810598.3010_______________________________________ 1.26Volume density 1631021dcm3So610684.3dcmoAd 4.368We haveoo Aa 43.5Then85.6743.54.368oa d _______________________________________ 1.27Volume density 1531041dcm 3So61030.6dcmoAd630We have oo Aa 43.5Then11643.5630oa d _______________________________________。

半导体物理习题半导体物理习题：1第一章半导体中的电子状态例题：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。

思路与解：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。

评析：该题从晶体中作共有化运动电子的平均漂移速度与能量E的关系以及相同能量状态电子占有的机率相同出发，证明K状态和-K状态的电子速度大小相等，方向相反，以及无电场时，晶体总电流为零。

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：能带的宽度；能带底部和顶部电子的有效质量。

思路与解：（1）由E(k)关系得：＝（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：能带宽度能带底部和顶部电子的有效质量：评析：本题根据能带宽度为能带顶和能带底的能量之差，即能量最大值和最小值之差。

习题： 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：能带宽度；能带底和能带顶的有效质量。

半导体物理习题：2第二章半导体中的杂质和缺陷能级例题：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。

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 －0223m k h ；m 0为电子惯性质量，k 1＝1/2a ；a ＝。

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 ＋012)(2m k k h -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值：k min ＝143k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min =2104k 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 ＝20248a m h＝112828227106.1)1014.3(101.948)1062.6(----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＝ ②导带底电子有效质量m n0202022382322m h m h m h dkE d C =+=；∴ m n ＝022283/m dk E d h C= ③价带顶电子有效质量m ’2226m h dk E d V -=，∴0222'61/m dk E d h m Vn -== ④准动量的改变量h △k ＝h (k min -k max )= ah k h 83431=[毕]1－2．（P 33）晶格常数为的一维晶格，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 =hdtdk=q E （取绝对值） ∴dt =qE h dk∴t=⎰tdt 0=⎰a qE h 210dk =aqE h 21 代入数据得： t ＝E⨯⨯⨯⨯⨯⨯--1019-34105.2106.121062.6＝E 6103.8-⨯（s ）当E ＝102 V/m 时，t ＝×10－8（s ）；E ＝107V/m 时，t ＝×10－13（s ）。

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 －0223m 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 ＋012)(2m k k h -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值：k min ＝143k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min =2104k 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 ＝20248a m h＝112828227106.1)1014.3(101.948)1062.6(----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＝0.64eV ②导带底电子有效质量m n0202022382322m h m h m h dkE d C =+=；∴ m n ＝022283/m dk E d h C= ③价带顶电子有效质量m ’2226m h dk E d V -=，∴0222'61/m dk E d h m Vn -== ④准动量的改变量h △k ＝h (k min -k max )= ah 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 =hdtdk=q E （取绝对值） ∴dt =qE h dk∴t=⎰tdt 0=⎰a qE h 210dk =aqE h 21 代入数据得： t ＝E⨯⨯⨯⨯⨯⨯--1019-34105.2106.121062.6＝E 6103.8-⨯（s ）当E ＝102 V/m 时，t ＝8.3×10－8（s ）；E ＝107V/m 时，t ＝8.3×10－13（s ）。

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-11其中E（1）（2）1-1、中。

1-2、因此，Ge1-3、B、空穴浓度表示为p（电子浓度表示为n）；C、E P=-E nD、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。

2-3p2-42-52-62-72-12-2子配对成为共价电子，而P的第五个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自由电子。

这个过程就是施主电离。

n型半导体的能带图如图所示：其费米能级位于禁带上方2-3、解：半导体中掺入受主杂质后，受主电离后将成为带负电的离子，并同时向价带提供空穴，这种杂质就叫受主。

受主电离成为带负电的离子（中心）的过程就叫受主电离。

受主电离前带不带电，电离后带负电。

例如，在Si中掺B，B为Ⅲ族元素，而本征半导体Si为Ⅳ族元素，P掺入B中后，B的最外层三个电子与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而B倾向于接受一个由价带热激发的电子。

这个过程就是受主电离。

p型半导体的能带图如图所示：其费米能级位于禁带下方2-4、解：在纯净的半导体中掺入杂质后，可以控制半导体的导电特性。

掺杂半导体又分为n型半导体和p型半导体。

例如，在常温情况下，本征Si中的电子浓度和空穴浓度均为1.5╳1010cm-3。