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第四章习题及答案1. 300K时，Ge的本征电阻率为47Ωcm，如电子和空穴迁移率分别为3900cm2/( V.S)和1900cm2/( V.S)。
试求Ge 的载流子浓度。
解：在本征情况下，n=p=ni,由ρ=1/σ=47⨯1.602⨯10-191nqun+pqu=p1niq(un+up)cm-3知ni=ρq(un+up)=⨯(3900+1900)=2.29⨯10132. 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：300K时，un=1350cm2/(V⋅S),up=500cm2/(V⋅S)，查表3-2或图3-7可知，室温下Si的本征载流子浓度约为ni=1.0⨯1010cm-3。
本征情况下，σ=nqun+pqup=niq(un+up)=1⨯1010⨯1.602⨯1018-19⨯(1350+500)=3.0⨯1012-6S/cm金钢石结构一个原胞内的等效原子个数为8⨯+6⨯的晶格常数为0.543102nm，则其原子密度为+4=8个，查看附录B知Si。
8(0.543102⨯1011000000-7)3=5⨯1022cm-3掺入百万分之一的As,杂质的浓度为ND=5⨯1022⨯=5⨯1016cm-3，杂质全2ND>>ni，部电离后，这种情况下，查图4-14（a）可知其多子的迁移率为800 cm/( V.S)σ≈NDqun=5⨯10''16⨯1.602⨯10-19⨯800=6.4S/cm比本征情况下增大了σσ'=6.43⨯10-6=2.1⨯10倍63. 电阻率为10Ω.m的p型Si样品，试计算室温时多数载流子和少数载流子浓度。
解：查表4-15(b)可知，室温下，10Ω.m的p型Si样品的掺杂浓度NA约为1.5⨯1015cm-3,查表3-2或图3-7可知，室温下Si的本征载流子浓度约为ni=1.0⨯1010cm-3,NA>>nip≈NA=1.5⨯1015cm-3n=ni2p=(1.0⨯101015)21.5⨯10=6.7⨯10cm4-34. 0.1kg的Ge单晶，掺有3.2⨯10-9kg的Sb，设杂质全部电离，试求该材料的电阻率[μn=0.38m/( V.S),Ge的单晶密度为5.32g/cm,Sb原子量为121.8]。
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：m i n 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 ，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 = 102V/m 时，88.310t s -=⨯；当E = 107V/m 时，138.310t s -=⨯。
半导体物理学第四版答案【篇一：半导体物理学第四章答案】. 300k时，ge的本征电阻率为47?cm，如电子和空穴迁移率分别为3900cm2/( v.s)和1900cm/( v.s)。
试求ge 的载流子浓度。
解：在本征情况下，n?p?ni,由??1/??211知 ?nqun?pqupniq(un?up)ni?1113?3??2.29?10cm?19?q(un?up)47?1.602?10?(3900?1900)2. 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：300k时，un?1350cm2/(v?s),up?500cm2/(v?s)，查表3-2或图3-7可知，室温下si的本征载流子浓度约为ni?1.0?1010cm?3。
本征情况下，??nqun?pqup?niq(un?up)?1?1010?1.602?10-19?(1350+500)?3.0?10?6s/cm11金钢石结构一个原胞内的等效原子个数为8??6??4?8个，查看附录b知si的晶格常数为820.543102nm，则其原子密度为822?3。
?5?10cm?73(0.543102?10)1?5?1016cm?3，杂质全部电离后，nd??ni，1000000掺入百万分之一的as,杂质的浓度为nd?5?1022?这种情况下，查图4-14（a）可知其多子的迁移率为800 cm2/( v.s) ??ndqun?5?1016?1.602?10-19?800?6.4s/cm?6.4??2.1?106倍比本征情况下增大了?6?3?103. 电阻率为10?.m的p型si样品，试计算室温时多数载流子和少数载流子浓度。
解：查表4-15(b)可知，室温下，10?.m的p型si样品的掺杂浓度na约为1.5?1015cm?3,查表3-2或图3-7可知，室温下si的本征载流子浓度约为ni?1.0?1010cm?3,na??nip?na?1.5?1015cm?3ni(1.0?1010)24?3n???6.7?10cm15p1.5?104. 0.1kg的ge单晶，掺有3.2?10-9kg的sb，设杂质全部电离，试求该材料的电阻率??n=0.38m2/( v.s),ge的单晶密度为5.32g/cm3,sb原子量为121.8?。
第4章 半导体的导电性2.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1350cm 2/Vs 和500 cm 2/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。
掺杂后的电导率比本征Si 的电导率增大了多少倍？解：将室温下Si 的本征载流子密度 1.51010/cm 3及题设电子和空穴的迁移率代入电导率公式()i i n p n q σμμ=+即得：101961.510 1.610(1350500) 4.4410 s/cm i σ--=⨯⨯⨯⨯+=⨯；已知室温硅的原子密度为51022/cm 3，掺入1ppm 的砷，则砷浓度22616351010510 cm D N --=⨯⨯=⨯在此等掺杂情况下可忽略少子对材料电导率的贡献，只考虑多子的贡献。
这时，电子密度n 0因杂质全部电离而等于N D ；电子迁移率考虑到电离杂质的散射而有所下降，查表4-14知n-Si 中电子迁移率在施主浓度为51016/cm 3时已下降为800 cm 2/V s 。
于是得1619510 1.610800 6.4 s cm n nq σμ-==⨯⨯⨯⨯=/该掺杂硅与本征硅电导率之比866.4 1.44104.4410i σσ-==⨯⨯ 即百万分之一的砷杂质使硅的电导率增大了1.44亿倍5. 500g 的Si 单晶中掺有4.510-5g 的B ，设杂质全部电离，求其电阻率。
（硅单晶的密度为2.33g/cm 3，B 原子量为10.8）。
解：为求电阻率须先求杂质浓度。
设掺入Si 中的B 原子总数为Z ，则由1原子质量单位=1.6610-24g算得 618244.510 2.51010.8 1.6610Z --⨯==⨯⨯⨯个 500克Si 单晶的体积为3500214.6 cm 2.33V ==，于是知B 的浓度 ∴1816-32.510 1.1610 cm 214.6A Z N V ⨯===⨯室温下硅中此等浓度的B 杂质应已完全电离，查表4-14知相应的空穴迁移率为400 cm 2/V s 。
半导体物理参考习题和解答第一章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4章 半导体的导电性2.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1350cm 2/V ⋅s 和500 cm 2/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。
掺杂后的电导率比本征Si 的电导率增大了多少倍？解：将室温下Si 的本征载流子密度1.5⨯1010/cm 3及题设电子和空穴的迁移率代入电导率公式()i i n p n q σμμ=+g 算得500克Si 单晶的体积为3214.6 cm 2.33V ==，于是知B 的浓度 ∴1816-32.510 1.1610 cm 214.6A Z N V ⨯===⨯ 室温下硅中此等浓度的B 杂质应已完全电离，查表4-14知相应的空穴迁移率为400 cm 2/V ⋅s 。
故161911 1.35cm 1.1610 1.610400A p N q ρμ-===Ω⋅⨯⨯⨯⨯ 6. 设Si 中电子的迁移率为0.1 m 2/(V .s)，电导有效质量m C =0.26m 0，加以强度为104V/m 的电场，试求平均自由时间和平均自由程。
解：由迁移率的定义式*n c cq m τμ=知平均自由时间 *c c n m qμτ⋅= 代入相关数据，得3113190.269.1100.1 1.48101.610n s τ---⨯⨯⨯==⨯⨯8. 0.1A 的。
为5.3⨯10 cm 的施主。
10. 试求本征Si 在473K 时的电阻率。
解：由图4-13查出T=473K 时本征硅中电子和空穴的迁移率分别是2440 cm /V s n μ=⋅，2140 cm /V s p μ=⋅在温度变化不大时可忽略禁带宽度随温度的变化，则任意温度下的本征载流子密度可用室温下的等效态密度N C (300)和N V (300)、禁带宽度E g (300)和室温kT=0.026eV 表示为3/23(300)300()(300)(300)(exp() cm 3000.026g i C V E T n T N N T⋅=－代入相关数据，得193/2133473 1.12300(473)10()exp() =4.110 cm 30020.026473i n ⨯=-⨯⨯⨯－ 该值与图3-7中T=200℃（473K ）所对应之值低大约一个数量级，这里有忽略禁带变窄的因素，也有其他因素（参见表3-2，计算值普遍比实测值低）。
第4章半导体的导电性
2.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1350cm 2/V ?s 和500 cm 2/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。
掺杂后的电导率比本征Si 的电导率增大了多少倍？
解：将室温下Si 的本征载流子密度1.5?1010/cm 3及题设电子和空穴的迁移率代入电导率公式
即得：
101961.510 1.610(1350500) 4.4410 s/cm i σ--=⨯⨯⨯⨯+=⨯；
已知室温硅的原子密度为5?1022/cm 3，掺入1ppm 的砷，则砷浓度
在此等掺杂情况下可忽略少子对材料电导率的贡献，只考虑多子的贡献。
这时，电子密度n 0因杂质全部电
5?10165.500g
500∴A N =6.设Si 8.截面积为0.001cm 2的圆柱形纯Si 样品，长1mm ，接于10V 的电源上，室温下希望通过0.1A 的电流，问：
①样品的电阻须是多少？
②样品的电导率应是多少？
③应该掺入浓度为多少的施主？
解：⑴由欧姆定律知其电阻须是
⑵其电导率由关系1L R S
σ=⋅并代入数据得 ⑶由此知该样品的电阻率须是1??cm 。
查图4-15可知相应的施主浓度大约为5.3?1015 cm -3。
若用本征硅的电子迁移率1350cm 2/V ?s 进行计算，则
计算结果偏低，这是由于没有考虑杂质散射对的影响。
按n 0=5.3?1015 cm -3推算，其电子迁移率应为
1180cm 2/V ?s ，比本征硅的电子迁移率略低，与图4-14(a)相符。
因为硅中杂质浓度在5?1015 cm -3左右时必已完全电离，因此为获得0.1A 电流，应在此纯硅样品中掺入浓度为5.3?1015 cm -3的施主。
10.试求本征Si 在473K 时的电阻率。
解：由图4-13查出T=473K 时本征硅中电子和空穴的迁移率分别是
2440 cm /V s n μ=⋅，2140 cm /V s p μ=⋅
在温度变化不大时可忽略禁带宽度随温度的变化，则任意温度下的本征载流子密度可用室温下的等效态密度N C (300)和N V (300)、禁带宽度E g (300)和室温kT=0.026eV 表示为
代入相关数据，得
该值与图3-7中T=200℃（473K ）所对应之值低大约一个数量级，这里有忽略禁带变窄的因素，也有其他因素（参见表3-2
675 cm 2255 cm 将n μμ+置换以上电阻率计算式中的V s ⋅，得 11.的电场，求：
①②400K ⑵利用声学波散射的3
2T μ-∝规律计算T=400K 的载流子迁移率:
3
22
3001350()877 cm /V s 400
n μ=⨯⋅，322300500()325 cm /V s 400n μ=⨯⋅
于是得400K 时的电导率 相应的电流密度332
1.371010 1.37A /cm j E σ-==⨯⨯=
电流强度31.3710A I j S -=⋅=⨯ 16.分别计算掺有下列杂质的Si 在室温时的载流子浓度、迁移率和电导率：
①硼原子3?1015cm -3；
②硼原子1.3?1016cm -3，磷原子1?1016cm -3；
③磷原子1.3?1016cm -3，硼原子1?1016cm -3；
④磷原子3?1015cm -3，镓原子1?1017cm -3，砷原子1?1017cm -3。
解：∵迁移率μ与杂质总浓度有关，而载流子密度由补偿之后的净杂质浓度决定，
∴在同样掺杂情况下电导率与迁移率是不同掺杂浓度的函数。
⑴只含一种杂质且浓度不高，可认为室温下已全电离，即
由图4-14查得p 0=3?1015cm -3时,空穴作为多数载流子的迁移率
电导率151910310 1.610480 2.310/p p q s cm σμ--==⨯⨯⨯⨯=⨯
17.①300K 时Ge 解：⑴∵∴2()i n p n q n n
σμμ=+ 令0d dn
σ=，得220i n p n n μμ+=
∴n n =
又32222332()20p i n p i n d dn n
n μμσμ==>
故当n n =σ
取极小值。
这时p n =
∴1122min [()()]2p n i n p i n p
n q n μμσμμμμ=+=因为一般情况下?n ＞?p ，所以电导率最小的半导体一般是弱p 型。
⑵对
则σ
对
则18.InSb 16cm -3，
∴σ故i ρ显然19.假定10V/cm 的电场中，证明电子的平均漂移速度小于热运动速度，设电子迁移率为1500cm 2/V .s 。
如仍设迁移率为上述数值，计算电场为104V/cm 时的平均漂移速度，并与热运动速度作一比较。
这时电子的实际平均漂移速度和迁移率应为多少？
解：∵*21322n m v kT =11672283 1.3810300() 1.12410/1.089.110
cm s --⨯⨯⨯===⨯⨯⨯ 当10/E V cm =：4150010 1.510/v E cm s μ==⨯=⨯漂v >漂 当4
10/E V cm =，由图4-17可查得：68.510/d v cm s =⨯，
相应的迁移率2/850/d v E cm V s μ==⋅。
