第5章 非平衡载流子
1. 一个n 型半导体样品的额外空穴密度为1013cm -3，已知空穴寿命为100s ，计
算空穴的复合率。
解：复合率为单位时间单位体积内因复合而消失的电子-空穴对数，因此
13
17306
101010010
U cm s ρτ--===?? 2. 用强光照射n 型样品，假定光被均匀吸收，产生额外载流子，产生率为g p ，
空穴寿命为，请
①写出光照开始阶段额外载流子密度随时间变化所满足的方程； ②求出光照下达到稳定状态时的额外载流子密度。
解：⑴光照下，额外载流子密度n =p ，其值在光照的开始阶段随时间的变化决定于产生和复合两种过程，因此，额外载流子密度随时间变化所满足的方程由产生率g p 和复合率U 的代数和构成，即
()p d p p
g dt τ
=-
⑵稳定时额外载流子密度不再随时间变化，即()
0d p dt
=，于是由上式得
0p p p p g τ?=-=
3. 有一块n 型硅样品，额外载流子寿命是1s ，无光照时的电阻率是10cm 。今用光照射该样品，光被半导体均匀吸收，电子-空穴对的产生率是1022/cm 3s ，试计算光照下样品的电阻率，并求电导中少数载流子的贡献占多大比例？
解：光照被均匀吸收后产生的稳定额外载流子密度
226163101010 cm p p n g τ-?=?==?=－
取21350/()n cm V s μ=?，2
500/()p cm V s μ=?，则额外载流子对电导率的贡献
1619()10 1.610(1350500) 2.96 s/cm n p pq σμμ-=?+=???+=
无光照时00
1
0.1/s cm σρ=
=，因而光照下的电导率
0 2.960.1 3.06/s cm
σσσ=+=+=
相应的电阻率 1
1
0.333.06
cm ρσ
=
=
=Ω? 少数载流子对电导的贡献为：p p p p q p pq pq g σμμτμ=≈=
代入数据：16190()10 1.6105000.8/p p p p p q pq s cm σμμ-=+?≈?=???=
∴
00.8
0.26263.06
p σσσ
=
==+﹪ 即光电导中少数载流子的贡献为26﹪
4.一块半导体样品的额外载流子寿命 =10s ，今用光照在其中产生非平衡载流子，问光照突然停止后的20s 时刻其额外载流子密度衰减到原来的百分之几？
解：已知光照停止后额外载流子密度的衰减规律为
0()t
P t p e τ
-
=
因此光照停止后任意时刻额外载流子密度与光照停止时的初始密度之比即为
()t P t e P τ-= 当5
20210t s s μ-==?时
20210
(20)0.13513.5P e e P --====﹪ 5. 光照在掺杂浓度为1016cm -3的n 型硅中产生的额外载流子密度为n=p=
1016cm -3。计算无光照和有光照时的电导率。
解：根据新版教材图4-14（a ）查得N D =1016cm -3
的n 型硅中多子迁移率
21100/()n cm V s μ=?
少子迁移率
2500/()p cm V s μ=?
设施主杂质全部电离，则无光照时的电导率
16190010 1.6101100 1.76 s/cm n n q σμ-==???=
有光照时的电导率
14190() 1.7610 1.610(1100400) 1.784 s/cm n p nq σσμμ-=+?+=+???+=
6.画出p 型半导体在光照（小注入）前后的能带图，标出原来的费米能级和光照时的准费米能级。
光照前能带图 光照后（小注入）能带图
注意细节：
① p 型半导体的费米能级靠近价带；
② 因为是小注入，p <
③ 即便是小注入，p 型半导体中也必是n >>n 0，故E Fn 要远比E F 更接近导带，但因为是小注入，n <
7. 光照在施主浓度N D =1015cm -3的n 型硅中产生额外载流子n=p=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作比较。
解：设杂质全部电离，则无光照时0D n N = 由0i F E E kT
i n n e
--=得光照前
15
010
10ln 0.026ln 0.2891.510
F i i i i n E E kT E E n =+=+=+?eV 光照后153
0 1.110n n n cm -=+=?,这种情况下的电子准费米能级
15
10
1.110ln 0.026ln 0.291 eV 1.510
Fn i i i i n E E kT E E n ?=+=+=+? 空穴准费米能级
14
10
10ln 0.026ln 0.229 eV 1.510F p
i i i i p E E kT E E n ==-=-?-
与E F 相比，电子准费米能级之差0.002 eV Fn F E E -=，相差甚微；而空穴准费米能级之差
E V
E F E Fn
E Fp
E C
0.518 eV F Fp E E -=，即空穴准费米能级比平衡费米能级下降了0.52eV 。由此可见，
对n 型半导体，小注入条件下电子准费米能级相对于热平衡费米能级的变化很小，但空穴准费米能级变化很大。
8. 在一块p 型半导体中，有一种复合－产生中心，小注入时，被这些中心俘获的电子发射回导带的过程和它与空穴复合的过程具有相同的几率。试求这种复合－产生中心的能级位置，并说明它能否成为有效的复合中心？
解：用E T 表示该中心的能级位置，参照参考书的讨论，知单位时间单位体积中由E T 能级发射回导带的电子数应等于E T 上俘获的电子数n T 与电子的发射几率S －之积（S －＝r n n 1），与价带空穴相复合的电子数则为r p pn T ；式中，r p p 可视为E T 能级上的电子与价带空穴相复合的几率。由题设条件知二者相等，即
1n p r n r p =
式中1C T E E kT
C n N e
--=。对于一般复合中心，n p r r ≈或相差甚小，因而可认为 n 1＝p ；再由小
注入条件p =(p 0+p )≈p 0，即得
1
0n p
即
C T F V E E E E kT
kT
C V N e
N e
---
-
=
由此知
ln C
T C V F V
N E E E E kT N =+-- ∵本征费米能级01
(ln )2c i c v v
N E E E k T N =
+- ∴上式可写成2T i F E E E =-，或写成
T i i F E E E E -=-
室温下， p 型半导体F E 一般远在i E 之下，所以T E 远在i E 之上，故不是有效复合中心。
10.一块n 型硅内掺有1016cm -3的金原子，试求它在小注入时的寿命。若一块p 型硅内也掺有1016cm -3的金原子，它在小注入时的寿命又是多少？
解：n 型Si 中金能级作为受主能级而带负电成为Au －
，其空穴俘获率
731.1510/p r cm s -=?
因而n 型Si 中的少子寿命
10716
11
8.710 1.151010
p p T s r N τ--=
=≈??? p 型Si 中金能级作为施主能级而带正电成为Au ＋
，其电子俘获率
836.310/n r cm s -=?
因而p 型Si 中的少子寿命
9816
11
1.59106.31010
n n T s r N τ--=
=≈???
11．在下述条件下，是否有载流子的净复合或者净产生：
① 载流子完全耗尽（即n ，p 都大大小于n i ）的半导体区域。
② 在只有少数载流子被耗尽（例如p n <
>n i 。
解：⑴载流子完全耗尽即意味着i n
n ，i p n ，2i np
n ，因而额外载流子的复合率
002
0()()
i c i t i E E E E k T
k T
p i n i np n U n n e
p n e
ττ---=
<+++ 即该区域产生大于复合，故有载流子净产生。
⑵若0n n n n =，0n
n p p ，则002n n
n n i n p n p n =，即2i np
n
按上列复合率公式知该区域复合率U <0，故有载流子净产生。 ⑶若n p =且i n n ，则必有2i np
n ，按上列复合率公式知该区域U >0，即该区域有
载流子的净复合。
12、对掺杂浓度N D =1016cm -3、少数载流子寿命p =10s 的n 型硅，求少数载流
子全部被外界清除时电子-空穴对的产生率。（设E T =E i ）
解：在少数载流子全部被清除（耗尽）、即n 型硅中p=0的情况下，通过单一复合中心进行的复合过程的复合率公式 (5-42) 变成
2
()i p i n i
n U n n n ττ-=
++ 式中已按题设E T =E i 代入了n 1=p 1=n i 。由于n =N D =1016
cm -3
，而室温硅的n i 只有1010
cm -3
量级，因而n +n i >>n i ，上式分母中的第二项可略去，于是得
2102931
61610
(1.510)U 2.2510 cm s ()1010(10 1.510)
i p i n n n τ----?===-??+??+?- 复合率为负值表示此时产生大于复合，电子-空穴对的产生率
931
2.2510 cm s G U --=-=??
另解：若非平衡态是载流子被耗尽，则恢复平衡态的驰豫过程将由载流子的复合变为热激发产生，产生率与少子寿命的乘积应等于热平衡状态下的少数载流子密度，因此得
2
20
01i i p p p D p n n G n N τττ==?=102931616
(1.510) 2.2510 cm s 101010
---?==???? 注意：严格说，上式（产生率公式）中的少子寿命应是额外载流子的产生寿命而非小注入复合寿命。产生寿命 sc 与小注入复合寿命n 和p 的关系为（见陈治明、王建农合著《半导体器件的材料物理学基础》p.111）：
T i i T E E E E kT
kT
sc p n e
e
τττ--=+
13. 室温下，p 型锗中电子的寿命为n
=350s ，电子迁移率
n
=3600cm 2/V s ，
试求电子的扩散长度。
解：由爱因斯坦关系知室温下半导体中电子的扩散系数
140
n n n kT D q μμ=
= 相应地，扩散长度
40
n
n n n n L D μττ==
代入数据得室温下p 型Ge 中电子的扩散长度
6223600
350103151017.710 cm 1.77 mm 40
n L ---=
??=?=?= 14. 某半导体样品具有线性分布的空穴密度，其3m 内的密度差为1015cm -3，
p =400cm 2
/V
s 。试计算该样品室温下的空穴扩散电流密度。 解：按菲克第一定律，空穴扩散电流密度可表示为
()()
()p p p kT d p d p J D q
q dx q dx
μ==?扩 式中，空穴密度梯度
()d p p dx x ≈，室温10.02640
kT ev ev ==，因此
1519
24
110()400 1.610 5.3A /cm 40310
p J --=????=?扩
15. 在电阻率为1cm 的p 型硅中，掺金浓度N T =1015cm -3，由边界稳定注入的
电子密度 n =1010cm -3，试求边界处的电子扩散电流。
解：在存在额外载流子（少子）一维密度梯度的半导体中，坐标为x 处的少子扩散电流可表
示为（对p 型材料）
()n
n n
D J qS q
n x L =-=-n 式中D n 和L n 分别为电子的扩散系数和扩散长度。为求其值，须知题设硅样品的电子迁移率和寿命。由于迁移率是掺杂浓度的函数，因而需要了解该样品的电离杂质总浓度的大小。于是，首先对=1cm 的p 型硅由图4-15查得其受主浓度N A =1.61016
cm -3
，考虑电离杂质对载流子迁移率的影响，杂质浓度取受主杂质浓度与金浓度之和，即
1631.710 cm i A T N N N -=+=?
由图4-14(a)中的n
少子曲线，知该样品的
n
约为1100cm 2
/V
s 。因而由爱因斯坦关系
得
21
110027.5 cm /s 40
n n kT D q μ=
=?= 下面再根据掺金浓度N T 计算少子寿命和扩散长度： 将r n =6.310-8
cm 3
/V
s 代入小注入寿命式，得
8158
T 11 1.591010 6.310
n s N r τ--=
==??? 8427.5 1.5910 6.610 cm n n n L D τ--==??=?
已知表面处注入电子密度n =1010
cm -3
，于是得电子扩散电流密度
191052
4
27.51.61010 6.6710A /cm 6.610
n J ---=-??
?=?? 16.一块电阻率为3cm 的n 型硅样品，空穴寿命p =5s ，若在其平面形表面稳定注入空穴，表面空穴密度p (0)=1013cm -3。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：参照上题的思路，首先由图4-15查得=3cm 的n 型硅的施主浓度N D =1.61015
cm -3
，
再由图4-14(a)中的p 少子曲线知其p 约为500cm 2
/V s 。于是知扩散系数
21
50012.5 cm /s 40
p p kT D q μ=
=?= 扩散长度 631255107.910 cm p p p L D τ--=
=??=?.
从表面进入样品的空穴扩散电流密度
1913
323
12 1.610100 2.5310A /cm 7.910
p
p p D J q p L ---???=?=??.5（）= 再根据注入空穴在样品表面以内的一维分布
()0p
x
L p x p e
-=（）
可以算出空穴密度衰减到1012
cm -3
的位置距表面的距离为
123
213()10ln 7.910ln 1.810 cm 010
p p x x L p --=-=-??=?（）
17.光照一个1cm 的n 型硅样品，均匀产生额外载流子对，产生率为
1017/cm 3
s 。设样品的少子寿命为10s ，表面复合速度为100cm/s 。计算： ①单位时间在单位面积表面复合的空穴数。
②单位时间单位表面积下离表面三个扩散长度的体积内复合的空穴数。
解：⑴ 按式(5-48)，单位时间在单位面积表面复合掉的空穴数（即表面复合率U S ）应为
(0)S p U S p =?
式中p S 为表面复合速度。按式(5-162)，均匀光照样品中考虑表面复合的额外载流子分布
0()[1]p
x L p p p p p p p
S p x p g e
L S τττ-
=+-
+
因而表面（x=0）处的额外空穴密度
0(0)(0)[1]p p p p p p p
S p p p g L S τττ?=-=-
+
对电阻率为1cm 的n-Si ，查表知其N D =5
1015
cm -3
，相应的空穴迁移率p
约为
500cm 2
/V s 。于是算得空穴扩散长度：
6215001010 1.110 cm 40
p p p kT L q μτ--=
=???=? 表面的额外空穴密度：
66
17
113
26
1001010(0)101010(1)9.210 cm 1.1101001010
P ----???=???-=??+??－ 单位时间在单位面积表面复合掉的空穴数即为
111321S U (0)9.1101009.110p S p cm s --=??=??=??
⑵为求在单位时间单位表面积下离表面三个扩散长度的体积内复合掉的空穴数，须先求该体积中的额外空穴数目p(3L p )。因该体积内的额外空穴密度随距离变化，因而空穴总数必须通过积分求解，即
300
(3)(())p
L p p L p x p dx ?=-?
式中 0()[1]p
x L p p p p p p p
S p x p g e
L S τττ-
=+-
+
因此 32
30
(3)[1]3p p
p
p
L x x L L L p p p p p p p p p p p p p p p
p p p
S g S L p L g e
dx g L e
L S L S ττττττ-
-
=
-
=+
++?
代入数据得： 102p 3L 310 cm P -?=?（）
故单位时间位表面积下离表面三个扩散长度的体积内复合掉的空穴数为
101521
5310310 cm s 10p
τ---?==?? 18、一块施主浓度为2′1016cm －3的硅片，含均匀分布的金，浓度为3′1015cm －3，
表面复合中心密度为1010cm －2，已知硅中金的r p =1.15′10－7cm 3/s ，表面复合中心的r s =2 ′10－6cm 3/s ，求：
1）小注入条件下的少子寿命，扩散长度和表面复合速度；
2）在产生率g=1017/s.cm 3的均匀光照下的表面空穴密度和空穴流密度.
解：1) 小注入条件下的少子寿命
1p t r N τ=
9715
1
8.7101.151010
s --==??? 由总杂质浓度1615163
T 21010 2.110 cm i D N N N -=+=?+=?查图4-14(a)知该硅片
中少数载流子的迁移率3
500/p cm V s μ=?，因而扩散系数
21
50012.5 cm /s 40
P p kT D q μ=
=?= 扩散长度 9412.58.710 3.310 cm p p p L D τ--=
=??=?
表面复合速度：7
10
3
1.151010 1.1510/p p st S r N cm s -==??=? 2）按式(5-162)，均匀光照下考虑表面复合的空穴密度分布
0()[1]p
x
L p p p p p p p
S p x p g e
L S τττ-
=+-
+
因而表面（x=0）处的空穴密度
0(0)[1]p p p p p p p
S p p g L S τττ=+-
+
式中p 0=n i 2
/n 0，考虑到金在n 型Si 中起受主作用，n 0=N D －N T =1.91016
/cm 3
，故
210243
01616
(1.1510) 1.18101.910 1.910i n p cm -?===???
代入数据得表面空穴密度
39
4
9
17
439
1.15108.710(0) 1.18108.71010(1)
2.7610 1.15108.710p ----???=?+???-
?+???
838.410cm -=?
因为p 0<
S U (0)p S p ?＝3841121.1510(8.410 1.1810)9.6610 /cm s =???-?=??
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
半导体物理学第五章 习题答案
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10 cm 。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1022 cm -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？ 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g p L 0 .=+?-τ 光照达到稳定态后
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，其中非平衡载流子将衰减到原来的百分之几？ 5. n 型硅中，掺杂浓度N D =1016 cm -3 , 光注入的非平衡载流子浓度 n=p=1014cm -3 。计算无光照和有光照的电导率。 % 2606 .38 .006.3500106.1109.,.. 32.0119161 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 。 后，减为原来的光照停止%5.1320%5.13) 0() 20()0()(1020 s e p p e p t p t μτ ==???=?-- cm s q n qu p q n p p p n n n cm p cm n cm p n cm n K T n p n i /16.21350106.110:,/1025.2,10/10.105.1,30019160000003403160314310=???=≈+=?+=?+=?===?=??==---μμσ无光照则设本征 空穴的迁移率近似等于的半导体中电子、注：掺杂有光照131619140010(/19.20296.016.2)5001350(106.11016.2)(: --=+=+???+≈+?++=+=cm cm s nq q p q n pq nq p n p n p n μμμμμμσ
可修改 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？ s cm p U s cm p U p 3171010010313/10U 100,/10613==?=====?-??-τ τμτ得：解：根据？求：已知：τ ττττg 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 /06.396.21.0500 106.1101350106.11010.0:101:1010100.1916191600'0003 16622=+=???+???+=?+?++=+=Ω=+==?==?=?=+?-----μμμμμμσμμρττ光照后光照前光照达到稳定态后
可修改 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，其中非平衡载流子将衰减到原来的百分之几？ 5. n 型硅中，掺杂浓度N D =1016cm -3, 光注入的非平衡载流子浓度n=p=1014cm -3。计算无光照和有光照的电导率。 %2606.38.006.3500106.1109. ,..32.0119161 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Θ。后，减为原来的光照停止%5.1320%5.13)0()20()0()(1020s e p p e p t p t μτ==???=?--cm s q n qu p q n p p p n n n cm p cm n cm p n cm n K T n p n i /16.21350106.110:,/1025.2,10/10.105.1,30019160000003403160314310=???=≈+=?+=?+=?===?=??==---μμσ无光照则设半导体的迁移率） 本征空穴的迁移率近似等于的半导体中电子、注：掺杂有光照131619140010(/19.20296.016.2) 5001350(106.11016.2) (:--=+=+???+≈+?++=+=cm cm s nq q p q n pq nq p n p n p n μμμμμμσ
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10??cm 。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 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
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，其中非平衡载流子将衰减到原来的百分之几 5. n 型硅中，掺杂浓度N D =1016cm -3, 光注入的非平衡载流子浓度n=p=1014cm -3。计算无光照和有光照的电导率。 6. 画出p 型半导体在光照（小注入）前后的能带图，标出原来的的费米能级和光照时的准费米能级。 % 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Θ。 后，减为原来的光照停止%5.1320%5.13) 0() 20()0()(1020 s e p p e p t p t μτ ==???=?--cm s q n qu p q n p p p n n n cm p cm n cm p n cm n K T n p n i /16.21350106.110:,/1025.2,10/10.105.1,30019160000003403160314310=???=≈+=?+=?+=?===?=??==---μμσ无光照则设半导体的迁移率） 本征 空穴的迁移率近似等于的半导体中电子、 注：掺杂有光照131619140010(/19.20296.016.2)5001350(106.11016.2)(: --=+=+???+≈+?++=+=cm cm s nq q p q n pq nq p n p n p n μμμμμμσ
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
第7章 金属－半导体接触 本章讨论与pn 结特性有很多相似之处的金－半肖特基势垒接触。金－半肖特基势垒接触的整流效应是半导体物理效应的早期发现之一： §7.1金属半导体接触及其能级图 一、金属和半导体的功函数 1、金属的功函数 在绝对零度，金属中的电子填满了费米能级E F 以下的所有能级，而高于E F 的能级则全部是空着的。在一定温度下，只有E F 附近的少数电子受到热激发，由低于E F 的能级跃迁到高于E F 的能级上去，但仍不能脱离金属而逸出体外。要使电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的能量。所以，金属中的电子是在一个势阱中运动，如图7-1所示。若用E 0表示真空静 止电子的能量，金属的功函数定义为E 0与E F 能量之差，用W m 表示： FM M E E W -=0 它表示从金属向真空发射一个电子所需要的最小能量。W M 越大，电子越不容易离开金属。 金属的功函数一般为几个电子伏特，其中，铯的最低，为1.93eV ；铂的最高，为5.36 eV 。图7-2给出了表面清洁的金属的功函数。图中可见，功函数随着原子序数的递增而周期性变化。 2、半导体的功函数 和金属类似，也把E 0与费米能级之差称为半导体的功函数，用W S 表示，即 FS S E E W -=0 因为E FS 随杂质浓度变化，所以W S 是杂质浓度的函数。 与金属不同，半导体中费米能级一般并不是电子的最高能量状态。如图7-3所示，非简并半导体中电子的最高能级是导带底E C 。E C 与E 0之间的能量间隔 C E E -=0χ 被称为电子亲合能。它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。 利用电子亲合能，半导体的功函数又可表示为 )(FS C S E E W -+=χ 式中，E n =E C －E FS 是费米能级与导带底的能量差。 图7-1 金属中的电子势阱 图7－2 一些元素的功函数及其原子序数 图7-3 半导体功函数和电子亲合能
第五篇 题解-非平衡载流子 刘诺 编 5-1、何谓非平衡载流子？非平衡状态与平衡状态的差异何在？ 解：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度，额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。通常所指的非平衡载流子是指非平衡少子。 热平衡状态下半导体的载流子浓度是一定的，产生与复合处于动态平衡状态 ，跃迁引起的产生、复合不会产生宏观效应。在非平衡状态下，额外的产生、复合效应会在宏观现象中体现出来。 5-2、漂移运动和扩散运动有什么不同？ 解：漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动，而扩散运动是由于浓度分布不均匀导致载流子从浓度高的地方向浓度底的方向的定向运动。前者的推动力是外电场，后者的推动力则是载流子的分布引起的。 5-3、漂移运动与扩散运动之间有什么联系？非简并半导体的迁移率与扩散系数之间有什么联系？ 解：漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系。而非简并半导体的迁移率与扩散系数则通过爱因斯坦关系相联系，二者的比值与温度成反比关系。即 T k q D 0= μ 5-4、平均自由程与扩散长度有何不同？平均自由时间与非平衡载流子的寿命又有何不同？ 答：平均自由程是在连续两次散射之间载流子自由运动的平均路程。而扩散长度则是非平衡载流子深入样品的平均距离。它们的不同之处在于平均自由程由散射决定，而扩散长度由扩散系数和材料的寿命来决定。 平均自由时间是载流子连续两次散射平均所需的自由时间，非平衡载流子的寿命是指非平衡载流子的平均生存时间。前者与散射有关，散射越弱，平均自由时间越长；后者由复合几率决定，它与复合几率成反比关系。 5-5、证明非平衡载流子的寿命满足()τ t e p t p -?=?0，并说明式中各项的物理意义。 证明： ()[]p p dt t p d τ?=?- =非平衡载流子数 而在单位时间内复合的 子的减少数单位时间内非平衡载流 时刻撤除光照 如果在0=t
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
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 2121022 20 202 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
第七章 一、基本概念 1.半导体功函数: 半导体的费米能级E F 与真空中静止电子的能量E 0的能量之差。 金属功函数：金属的费米能级E F 与真空中静止电子的能量E 0的能量之差 2.电子亲和能: 要使半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。 3. 金属-半导体功函数差o: (E F )s-(E F )m=Wm-Ws 4. 半导体与金属平衡接触平衡电势差: q W W V s m D -= 5.半导体表面空间电荷区 : 由于半导体中自由电荷密度的限制，正电荷分布在表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。表面空间电荷区=阻挡层=势垒层 6.电子阻挡层：金属功函数大于N 型半导体功函数（Wm>Ws ）的MS 接触中，电子从半导体表面逸出到金属，分布在金属表层，金属表面带负电。半导体表面出现电离施主，分布在一定厚度表面层内，半导体表面带正电。电场从半导体指向金属。取半导体内电位为参考，从半导体内到表面，能带向上弯曲，即形成表面势垒，在势垒区，空间电荷主要有带正电的施主离子组成，电子浓度比体内小得多，因此是是一个高阻区域，称为阻挡层。 【电子从功函数小的地方流向功函数大的地方】 7.电子反阻挡层：金属功函数小于N 型半导体功函数（Wm 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 §5.5 电流连续性方程及其应用 一、电流连续性方程 如果电流在进出一个具有单位截面积的微小体积元?x 时发生电流密度的变化，则该体积元内必有载流子密度随时间的变化；如果再考虑到体积元内额外载流子的产生和复合，则电流所经之处x 的载流子密度随时间的变化率（单位时间载流子密度的改变），对n 型半导体中的空穴可表示为 p p p p p p g p x J q g p x x x J x J q t p +?-??-=+?-??+-=??ττ1)()(1 (5-127) 式中右边第一项表示单位时间内电流进出该体积元引起的空穴积累，第二项表示单位时间内因复合而减少的空穴数目，g p 表示其他产生复合因素引起的单位时间单位体积中空穴的变化。若?p /τp 表示净复合率，则g p 可略去。 式中，空穴电流由扩散电流和漂移电流两部分组成，即 dx p d qD E qp J J J p p pD pS p ?-=+=μ 因此， x E p q x p qD x p E q x J p p p p ??+???-??=??μμ22 (5-128) 代入式（5－127）即得漂移和扩散同时存在并考虑产生与复合对载流子密度的改变时，少数载流子所遵守的瞬态方程，即电流连续性方程： p p p p g p x E p x p E x p D t p +?-??-??-???=??τ μμ22 (5-129) 二、稳态连续性方程及其解 在上述情况下，若额外载流子的注入恒定不变，且g p =0，则p 不随时间变化，即?p /?t ＝0。这时的连续性方程称为稳态连续性方程。为了简化讨论，假定材料是均匀的，因而平衡空穴密度p 0与x 无关；电场是均匀的，因而?│E │/?x ＝0。则式(5-129)变为 02 2=?-??-?p p p p x p d E dx p d D τμ (5-130) 令)(E E p p p =τμ，将该微分方程改写为 0)(2 22 =?-?-?p dx p d E dx p d L p p 其普遍解为 x x Be Ae p 21λλ+=? (5-131) 其中λ1和λ2是算子方程 第5章 非平衡载流子 1. 一个n 型半导体样品的额外空穴密度为1013cm -3，已知空穴寿命为100μs ，计算空穴的复合率。 解：复合率为单位时间单位体积内因复合而消失的电子-空穴对数，因此 13 17306 101010010 U cm s ρτ--===?? 2. 用强光照射n 型样品，假定光被均匀吸收，产生额外载流子，产生率为g p ， 空穴寿命为τ，请 ①写出光照开始阶段额外载流子密度随时间变化所满足的方程； ②求出光照下达到稳定状态时的额外载流子密度。 解：⑴光照下，额外载流子密度?n =?p ，其值在光照的开始阶段随时间的变化决定于产生和复合两种过程，因此，额外载流子密度随时间变化所满足的方程由产生率g p 和复合率U 的代数和构成，即 ()p d p p g dt τ =- ⑵稳定时额外载流子密度不再随时间变化，即() 0d p dt =，于是由上式得 0p p p p g τ?=-= 3. 有一块n 型硅样品，额外载流子寿命是1μs ，无光照时的电阻率是10Ω?cm 。今用光照射该样品，光被半导体均匀吸收，电子-空穴对的产生率是1022/cm 3?s ，试计算光照下样品的电阻率，并求电导中少数载流子的贡献占多大比例？ 解：光照被均匀吸收后产生的稳定额外载流子密度 226163101010 cm p p n g τ-?=?==?=－ 取21350/()n cm V s μ=?，2 500/()p cm V s μ=?，则额外载流子对电导率的贡献 1619()10 1.610(1350500) 2.96 s/cm n p pq σμμ-=?+=???+= 无光照时00 1 0.1/s cm σρ= =，因而光照下的电导率 0 2.960.1 3.06/s cm σσσ=+=+= 相应的电阻率 1 1 0.333.06 cm ρσ = = =Ω? 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 2121022 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 32 2 2*8 3)2(1 m 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(25104 3002 2 2*1 1 -===?=-=-=?=- ==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 半导体物理第五章习题 答案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN 第5章 非平衡载流子 1. 一个n 型半导体样品的额外空穴密度为1013cm -3，已知空穴寿命为100s ，计算空穴的复合率。 解：复合率为单位时间单位体积内因复合而消失的电子-空穴对数，因此 13 17306 101010010 U cm s ρτ--===?? 2. 用强光照射n 型样品，假定光被均匀吸收，产生额外载流子，产生率为g p ， 空穴寿命为，请 ①写出光照开始阶段额外载流子密度随时间变化所满足的方程； ②求出光照下达到稳定状态时的额外载流子密度。 解：⑴光照下，额外载流子密度n =p ，其值在光照的开始阶段随时间的变化决定于产生和复合两种过程，因此，额外载流子密度随时间变化所满足的方程由产生率g p 和复合率U 的代数和构成，即 ()p d p p g dt τ =- ⑵稳定时额外载流子密度不再随时间变化，即() 0d p dt =，于是由上式得 0p p p p g τ?=-= 3. 有一块n 型硅样品，额外载流子寿命是1μs ，无光照时的电阻率是10Ω?cm 。今用光照射该样品，光被半导体均匀吸收，电子-空穴对的产生率是 1022/cm 3?s ，试计算光照下样品的电阻率，并求电导中少数载流子的贡献占多大比例？ 解：光照被均匀吸收后产生的稳定额外载流子密度 226163101010 cm p p n g τ-?=?==?=－ 取21350/()n cm V s μ=?，2500/()p cm V s μ=?，则额外载流子对电导率的贡献 1619()10 1.610(1350500) 2.96 s/cm n p pq σμμ-=?+=???+= 无光照时00 1 0.1/s cm σρ= =，因而光照下的电导率 半导体物理 SEMICONDUCTOR PHYSICS 编写：刘诺独立制作：刘诺电子科技大学微电子与固体电子学院微电子科学与工程系刘诺 第五篇非平衡载流子 §5.1 非平衡载流子的注入与复合一、非平衡载流子及其产生非平衡态：系统对平衡态的偏离。相应的：n=n0+ ⊿n p=p0+ ⊿p 且⊿n= ⊿p 非平衡载流子：⊿n 和⊿p（过剩载流子）刘诺 当非平衡载流子的浓度△n和△p《多子浓度时，这就是小注入条件。结论?小注入条件下非平衡少子?p对平衡少子p0的影响大非平衡载流子?非平衡少子刘诺 二、产生过剩载流子的方法光注入电注入高能粒子辐照… 刘诺 注入的结果产生附加光电导σ = nq μ n + pq μ p = (n0 qμn + p0 qμ p + (?nqμn + ?pqμ p = (n0 + ?n qμn + ( p0 + ?p qμ p = σ 0 + ?σ 故附加光电导?σ 0 = ?nqμ n + ?pqμ p = ?nq (μ n + μ p 刘诺 三、非平衡载流子的复合光照停止，即停止注入，系统从非平衡态回到平衡态，电子空穴对逐渐消失的过程。即：△n=△p 0 刘诺 §5.2 非平衡载流子的寿命 1、非平衡载流子的寿命寿命τ ?非平衡载流子的平均生存时间1 τ ?单位时间内非平衡载流子的复合几率?1 ?→ ?τ ?单位时间内非平衡电子的复合几率? n ? 1 ??单位时间内非平衡空穴的复合几率?→?τ p 刘诺?例如 d [?p (t ] 则在单位时间内非平衡载流子的减少数= ? dt ?p 而在单位时间内复合的非平衡载流子数= τp 如果在t = 0时刻撤除光照在小注入条件下，τ为常数.解方程(1得到则d [?p (t ] ?p ? = ? (1 ?→ dt τp ? t ?p(t = ?p(0 e ? t τp ? (2 ?→ 同理也有?n(t = ?n(0 e 刘诺τn ? (3 ?→ 对 (2 式求导 2、寿命的意义?p (t d [? p (t ] = ? τp ∞ dt ?衰减过程中从 t到 t + dt 内复合掉的过剩空穴因此?(?p 0 个过剩载流子的平均可生存时间为∫ td [?p(t ] (完整word版)半导体物理学(刘恩科)第七版课后答案分解 亲爱的读者： 本文内容由我和我的同事精心收集整理后编辑发布到 文库，发布之前我们对文中内容进行详细的校对，但 难免会有错误的地方，如果有错误的地方请您评论区 留言，我们予以纠正，如果本文档对您有帮助，请您 下载收藏以便随时调用。下面是本文详细内容。 最后最您生活愉快 ~O(∩_∩)O ~ 第一章 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 2121022 20 202 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： 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： ........................................................................................... 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。 (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： 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 π a 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 17 31 210340212012202 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： 麦拉福https://www.doczj.com/doc/cf6806938.html,/view/757c39bff121dd36a32d825c.html 半导体物理学第5章习题及答案 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τ。 （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10Ω?cm 。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 -3?s-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？ 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 半导体物理学简答题及答案(精) 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。半导体物理学第七版完整答案修订版
半导体物理第五章5
半导体物理第五章习题答案
半导体物理学 (第七版) 习题答案
半导体物理学(刘恩科)第七版-完整课后题答案
半导体物理第五章习题答案
半导体物理第5章_图文(精)
半导体物理学第七版课后答案分解
半导体物理学刘恩科第七版课后习题解第1章习题解
刘恩科 半导体物理学(第七版)第五章
半导体物理学简答题及答案(精)
相关主题
文本预览