HW1 | 手寫稿 → 中文版題目 修正稿

勾選題(中文版題號):1, 2, 6, 8, 9, 10, 11, 14, 16, 17, 18, 20, 21

問題在哪?

勾選的題號是中文版題號,但手寫稿是照英文版同樣的題號去找題目寫的。兩版題目順序不同、題數也不同(例如中文版有英文版沒有的「非拋物線有效質量」與「畫能帶圖」順序不同),從第 2 題開始同號就不是同一題,所以有些題寫的是別題。 下表是逐題對照與要做的動作:

中文題號題目內容手寫稿現況動作
1矽最近鄰距離、(100)(110)(111) 面密度英 1(內容相同)沿用 只改一處筆誤
2SC / FCC / 鑽石最大填充比寫成英 2(鑽石晶格投影,其實是中 4)重寫
6GaAs 密度、Sn 摻雜英 6(內容相同)沿用
8非拋物線能帶有效質量寫成英 8(Eq.14 推導,其實是中 9)重寫
9推導 Eq.(14)(價電帶電洞濃度)手寫的「8」改題號 8 → 9
10由 Nv 求電洞有效質量手寫的「9」改題號 9 → 10,補寫 7×10¹⁸
11Ei 位置(77K / 300K / 100℃)手寫的「10」改題號 10 → 11,補結論
1410¹⁷ 硼矽,200 K 載子與 EF寫成英 14(那是中 15)重寫
16畫 77/300/600 K 平能帶圖寫成英 16(另一題)重寫(含圖)
17EF 在 Ec 下 0.2 eV,求 n、p、摻雜寫成英 17(另一題)重寫
1810¹⁶ B + 8×10¹⁶ As 的 EF寫成英 18(Ge 題)重寫
20磷 10¹⁵/10¹⁷/10¹⁹ 的 EF 與游離檢驗英 20(內容相同)沿用 補 Nc
2177 K 中性/游離施體比英 21(內容相同)沿用

手寫稿中多出來、不在勾選範圍的題:英 2 = 中 4、英 11 = 中 12、英 14 = 中 15,放在最後「備用」;英 16、17、18 在中文版沒有對應,不用交。
數值檢查:手寫稿的沿用題(1、6、9、10、11、20、21)結果我重新算過,都正確。

第 1 題 沿用

(a) 矽中兩最鄰近原子的距離是多少?(b) 找出矽中 (100)、(110) 及 (111) 三平面上每平方公分的原子數。
操作:題號相同,直接沿用。把題目區的英文換成上面中文即可。只需改 1 處:(b) Step 2 表格第三列寫成 (110),要改成 (111)。
1(a) 手寫 1(b) 手寫

答:(a) $d=\tfrac{\sqrt3}{4}a\approx2.35\ \text{Å}$ (b) (100) $6.78\times10^{14}$、(110) $9.59\times10^{14}$、(111) $7.83\times10^{14}\ \text{cm}^{-2}$

第 2 題 重寫

找出簡單立方晶體、面心立方晶體及鑽石晶格中的單位晶胞體積內最大填充比率。
操作:手寫稿裡的「鑽石晶格投影 X、Y、Z」是中文第 4 題,這題不用交,留到最後備用。第 2 題照下面重寫。

填充比 $=\dfrac{\text{晶胞內原子數}\times\frac43\pi r^3}{a^3}$,硬球彼此相切決定 $r$ 與 $a$ 的關係。

簡單立方 (SC):每胞 1 個原子,最近鄰沿邊 $2r=a$

$$f_{SC}=\frac{1\cdot\frac43\pi\left(\frac a2\right)^3}{a^3}=\frac{\pi}{6}\approx0.52$$

面心立方 (FCC):每胞 4 個原子,相切沿面對角線 $4r=\sqrt2\,a\Rightarrow r=\frac{\sqrt2}{4}a$

$$f_{FCC}=\frac{4\cdot\frac43\pi\left(\frac{\sqrt2a}{4}\right)^3}{a^3}=\frac{\sqrt2\,\pi}{6}\approx0.74$$

鑽石晶格:每胞 8 個原子,最近鄰距離為體對角線的 1/4:$2r=\frac{\sqrt3}{4}a\Rightarrow r=\frac{\sqrt3}{8}a$

$$f_{D}=\frac{8\cdot\frac43\pi\left(\frac{\sqrt3a}{8}\right)^3}{a^3}=\frac{\sqrt3\,\pi}{16}\approx0.34$$

答:SC $=\pi/6\approx52\%$ FCC $=\sqrt2\pi/6\approx74\%$ 鑽石 $=\sqrt3\pi/16\approx34\%$

第 6 題 沿用

(a) 計算砷化鎵的密度(砷化鎵的晶格常數為 5.65 Å,且砷及鎵的原子量分別為 69.72 及 74.92 克/莫耳)。(b) 一砷化鎵樣本摻雜錫。假如錫替代了晶格中鎵的位置,將形成施體或受體?為什麼?此半導體是 n 型或 p 型?
操作:題號相同,直接沿用,截圖只含手寫解答(題目請改貼中文)。
課本中文版把原子量順序印成「砷、鎵 = 69.72、74.92」,實際是 Ga = 69.72、As = 74.92(英文版正確)。因為密度算式是兩者相加,結果不變,手寫稿照英文版寫 Ga、As 即可。
6 手寫

答:(a) $\rho=\dfrac{4(69.72+74.92)/6.022\times10^{23}}{(5.65\times10^{-8})^3}\approx5.33\ \text{g/cm}^3$ (b) Sn(IV 族)取代 Ga(III 族)多 1 個電子 → 施體,n 型

第 8 題 重寫

假設傳導帶中能量 E 表示為 $E(1+\alpha E)=p^2/(2m_0)$,其中 α 為一常數,$m_0$ 為電子靜止質量,p 為動量。找出有效質量的表示式?
操作:手寫稿的「Derive Eq.14」是中文第 9 題(見第 9 題),這題要新寫。

定義($p=\hbar k$):$\dfrac1{m^*}=\dfrac{1}{\hbar^2}\dfrac{d^2E}{dk^2}=\dfrac{d^2E}{dp^2}$

Step 1 對 $p$ 微分 $E+\alpha E^2=\dfrac{p^2}{2m_0}$:

$$(1+2\alpha E)\frac{dE}{dp}=\frac{p}{m_0}\;\Rightarrow\;\frac{dE}{dp}=\frac{p}{m_0(1+2\alpha E)}$$

Step 2 再微分一次:

$$\frac{d^2E}{dp^2}=\frac{1}{m_0(1+2\alpha E)}-\frac{p\cdot2\alpha\,\frac{dE}{dp}}{m_0(1+2\alpha E)^2} =\frac{1}{m_0(1+2\alpha E)}-\frac{2\alpha p^2}{m_0^2(1+2\alpha E)^3}$$

Step 3 代入 $p^2=2m_0E(1+\alpha E)$:

$$\frac{d^2E}{dp^2}=\frac{(1+2\alpha E)^2-4\alpha E(1+\alpha E)}{m_0(1+2\alpha E)^3}=\frac{1}{m_0(1+2\alpha E)^3}$$

答:$m^*=m_0\,(1+2\alpha E)^3$ (α→0 時 $m^*\to m_0$)

第 9 題 改題號

試導出方程式(14)。(提示:價電帶中被一電洞佔據的態位機率為 $[1-F(E)]$。)
操作:這份手寫原本標 8(英文版 Eq.14 推導)→ 把題號改成 9,題目換成中文。算式不用動。
建議順手加一行:$p=N_v e^{-(E_F-E_v)/kT}$ 即為 Eq.(14),$N_v=2\left(\frac{2\pi m_p kT}{h^2}\right)^{3/2}$。
9 手寫(原標 8)

答:$p=N_v\,e^{-(E_F-E_v)/kT}$,$N_v=2\left(\dfrac{2\pi m_pkT}{h^2}\right)^{3/2}$

第 10 題 改題號

在室溫下(300 K),矽在價電帶中的有效態位密度為 $2.66\times10^{19}\ \text{cm}^{-3}$;而砷化鎵為 $7\times10^{18}\ \text{cm}^{-3}$。找出對應的電洞有效質量。並與自由電子質量比較。
操作:原標 9 → 改成 10。另外 GaAs 那行分子寫的是 0.7,請改寫成完整的 7×10¹⁸ / 2.51×10¹⁹,避免被扣單位分。
10 手寫(原標 9)

答:Si $m_p\approx1.04\,m_0$;GaAs $m_p\approx0.43\,m_0$(兩者都與 $m_0$ 同量級,Si 略大於 $m_0$)

第 11 題 改題號

計算矽在液態氮溫度(77 K)、室溫(300 K)及 100 ℃ 下的 $E_i$ 位置(令 $m_p=1.0\,m_0$ 且 $m_n=0.19\,m_0$)。將 $E_i$ 假設在禁止能隙中央是否合理?
操作:原標 10 → 改成 11。表格結尾補一行結論(下方藍字,原稿沒回答「是否合理」)。
並補一步推導來源:$E_i=\frac{E_c+E_v}{2}+\frac{kT}{2}\ln\frac{N_v}{N_c}=\frac{E_c+E_v}{2}+\frac34kT\ln\frac{m_p}{m_n}$。
11 手寫(原標 10)

補寫的結論:偏移量 $E_i-E_{mid}=8.3,\ 32.2,\ 40.0\ \text{meV}$,皆 $\ll E_g/2\approx0.56\ \text{eV}$(最大約 7%),所以假設 $E_i$ 在能隙中央是合理的。

第 14 題 重寫

一摻雜 $10^{17}$ 硼原子/立方公分的矽晶圓。找出在 200 K 時的載子濃度與費米能階。
操作:手寫稿標 14 的是「$N_A=10^{16}$、EF 在 Ec 下 0.2 eV」,那是中文第 15 題(見備用區)。第 14 題照下面重寫。

Step 1 200 K 的參數($E_g$ 用第 7 題公式;$N_c,N_v$ 由 300 K 值乘 $(T/300)^{3/2}$):

$$kT=0.01723\ \text{eV},\quad E_g(200)=1.17-\frac{4.73\times10^{-4}(200)^2}{200+636}=1.147\ \text{eV}$$ $$N_v=2.66\times10^{19}\left(\tfrac{200}{300}\right)^{3/2}=1.45\times10^{19},\quad N_c=1.56\times10^{19}\ \text{cm}^{-3}$$

Step 2 本質載子濃度:

$$n_i=\sqrt{N_cN_v}\,e^{-E_g/2kT}=1.50\times10^{19}\,e^{-33.29}\approx5.3\times10^{4}\ \text{cm}^{-3}$$

Step 3 $N_A\gg n_i$,假設完全游離:

$$p\approx N_A=1\times10^{17}\ \text{cm}^{-3},\qquad n=\frac{n_i^2}{p}=\frac{(5.3\times10^4)^2}{10^{17}}\approx2.8\times10^{-8}\ \text{cm}^{-3}$$

Step 4 費米能階:

$$E_i-E_F=kT\ln\frac{p}{n_i}=0.01723\ln\frac{10^{17}}{5.3\times10^4}\approx0.487\ \text{eV}$$ $$E_F-E_v=kT\ln\frac{N_v}{p}=0.01723\ln\frac{1.45\times10^{19}}{10^{17}}\approx0.086\ \text{eV}$$

答:$p\approx10^{17}$,$n\approx3\times10^{-8}\ \text{cm}^{-3}$;$E_F$ 在 $E_i$ 下方 0.487 eV(在 $E_v$ 上方約 0.086 eV)

備註:200 K 時 $E_F$ 只比硼受體能階(約 $E_v+0.045$ eV)高約 2kT,實際上受體不會 100% 游離。這題在第一章以完全游離計算即可,若老師要求可再用第 20 題的游離公式檢驗。

第 16 題 重寫(含圖)

畫出在 77 K、300 K 及 600 K 時摻雜 $10^{16}$ 砷原子/立方公分的矽的簡化平能帶圖。標示出費米能階並以本質費米能階作為能量參考。
操作:手寫稿標 16 的「硼 10¹⁵」是別題,整頁不用。這題要手畫三張平帶圖,下方圖可直接照畫。

公式:n 型、$N_D\gg n_i$ 時 $E_F-E_i=kT\ln\dfrac{n}{n_i}$;600 K 的 $n_i$ 不可忽略,用 $E_F-E_i=kT\sinh^{-1}\!\dfrac{N_D}{2n_i}$。

TkT (eV)$E_g$ (eV)$n_i$ (cm⁻³)$E_F-E_i$ (eV)備註
77 K0.006641.166$2.5\times10^{-20}$≈ +0.544$E_c-E_F=kT\ln\frac{N_c}{N_D}\approx0.039$,貼近 $E_c$(此溫度其實接近凍結區)
300 K0.025851.12$9.65\times10^{9}$≈ +0.358完全游離 $n=N_D$
600 K0.051701.032$3.6\times10^{15}$≈ +0.058本質載子已與 $N_D$ 同量級:$n=1.1\times10^{16}$、$p=1.2\times10^{15}$,$E_F$ 趨近 $E_i$
77 K 300 K 600 K EcEvEi EF (+0.544) EcEvEi EF (+0.358) EcEvEi EF (+0.058) Eg=1.166 eV Eg=1.12 eV Eg=1.032 eV

圖為示意,EF 紅線高度依 $E_F-E_i$ 比例(各圖能隙高度已正規化,所以三張圖的 $E_c$、$E_v$ 畫在同高度)。

答:n 型,三個溫度下 $E_F$ 都在 $E_i$ 之上;溫度愈高 $E_F$ 愈往 $E_i$ 靠近(0.544 → 0.358 → 0.058 eV)。

第 17 題 重寫

假設一矽樣品的費米能階位在傳導帶下方 0.2 eV 處,計算:(i) 電子密度與電洞密度,與 (ii) 摻雜濃度。假設矽的能隙為 1.12 eV,溫度為 300 K,與傳導帶等效態位密度為 $2.86\times10^{19}\ \text{cm}^{-3}$。
操作:手寫稿標 17 的「$N_D=10^{17}$」是英文版別題,整頁不用,照下面重寫。

(i) 電子: $E_c-E_F=0.20$ eV,$kT=0.02585$ eV

$$n=N_c\,e^{-(E_c-E_F)/kT}=2.86\times10^{19}\,e^{-0.20/0.02585}\approx1.25\times10^{16}\ \text{cm}^{-3}$$

電洞: $E_F-E_v=E_g-0.20=0.92$ eV,用 $N_v=2.66\times10^{19}$(第 10 題)

$$p=N_v\,e^{-(E_F-E_v)/kT}=2.66\times10^{19}\,e^{-0.92/0.02585}\approx9\times10^{3}\ \text{cm}^{-3}$$

若改用 $p=n_i^2/n$、$n_i=9.65\times10^9$,得 $7.5\times10^{3}$,同量級。

(ii) 摻雜: $n\gg p$ 為 n 型,電中性 $n=N_D-N_A+p\approx N_D-N_A$,沒有補償時

$$N_D\approx n\approx1.25\times10^{16}\ \text{cm}^{-3}$$

答:$n\approx1.25\times10^{16}$,$p\approx9\times10^{3}\ \text{cm}^{-3}$;n 型,$N_D\approx1.25\times10^{16}\ \text{cm}^{-3}$

第 18 題 重寫

一摻雜 $10^{16}\ \text{cm}^{-3}$ 硼原子與 $8\times10^{16}\ \text{cm}^{-3}$ 砷原子的矽樣品。計算在 300 K 下的費米能階,假設所有的摻雜原子完全解離。$n_i=9.65\times10^{9}$,$E_i\approx E_g/2$。
操作:手寫稿標 18 的是 Ge 題,整頁不用,照下面重寫。

Step 1 補償摻雜,淨施體:

$$N_D-N_A=8\times10^{16}-1\times10^{16}=7\times10^{16}\ \text{cm}^{-3}\gg n_i\;\Rightarrow\;n\approx7\times10^{16}$$ $$p=\frac{n_i^2}{n}=\frac{(9.65\times10^9)^2}{7\times10^{16}}\approx1.3\times10^{3}\ \text{cm}^{-3}$$

Step 2 費米能階相對 $E_i$:

$$E_F-E_i=kT\ln\frac{n}{n_i}=0.02585\ln\frac{7\times10^{16}}{9.65\times10^9}\approx0.408\ \text{eV}$$

Step 3 換算到能帶邊緣($E_i=E_g/2=0.56$ eV):

$$E_F=E_v+0.56+0.408\approx E_v+0.97\ \text{eV},\qquad E_c-E_F\approx0.152\ \text{eV}$$

用 $E_c-E_F=kT\ln(N_c/n)=0.155$ eV 驗算,兩種算法差 3 meV(來自 $n_i$ 與 $E_i$ 近似)。

答:n 型,$n\approx7\times10^{16}$,$p\approx1.3\times10^3\ \text{cm}^{-3}$;$E_F$ 在 $E_i$ 上方約 0.41 eV(距 $E_c$ 約 0.15 eV)

第 20 題 沿用

假設完全游離的情形下,計算室溫下當矽中摻雜 $10^{15}$、$10^{17}$、$10^{19}$ 磷原子/立方公分情形下的費米能階。由求出的費米能階,檢驗在各種摻雜下完全游離的假設是否適當。假設游離的施體是 $n=N_D[1-F(E_D)]=\dfrac{N_D}{1+\exp[(E_F-E_D)/kT]}$。
操作:題號相同,直接沿用。請在「用 21 題的 $E_c-E_D=0.045$ eV」旁邊補寫:$N_c=2.86\times10^{19}\ \text{cm}^{-3}$、$kT=0.02585$ eV。
已驗算:0.265 / 0.146 / 0.027 eV 與 99.98% / 98% / 33% 都正確。10¹⁹ 時 $E_F$ 已高於 $E_D$ 且逼近 $E_c$,完全游離假設不成立(簡併,Boltzmann 近似也不再精確)。
20 手寫

答:$E_c-E_F=0.265,\ 0.146,\ 0.027$ eV;游離比例 $99.98\%,\ 98\%,\ 33\%$;前兩者成立,$10^{19}$ 不成立

第 21 題 沿用

對一摻雜 $10^{16}\ \text{cm}^{-3}$ 磷施體雜質且一施體能階在 $E_D=0.045$ eV 的 n 型矽樣本而言,找出在 77 K 時中性施體密度對游離施體密度的比例,此時費米能階低於導電帶底部 0.0459 eV。游離施體的表示式可見問題 20。
操作:題號相同,直接沿用,算式不用動(已驗算:0.87 正確)。
21 手寫

答:$\dfrac{N_D^0}{N_D^+}=e^{(E_F-E_D)/kT}=e^{-0.0009/0.00664}\approx0.87$

備用|手寫稿中其他題(不在勾選範圍)

這三份原本寫在英文題號下,其實剛好是中文版另外三題,之後要交可直接改題號用。

中文第 4 題(手寫原標 2)改題號 2 → 4

假如我們將鑽石晶格中的原子投影到底部,原子的高度並以晶格常數為單位表示,如下圖所示。找出圖中三原子 (X, Y, Z) 的高度。
4 手寫(原標 2)

中文第 12 題(手寫原標 11)改題號 11 → 12

求出在 300 K 時一非簡併 n 型半導體導電帶中電子的動能。
12 手寫(原標 11)

中文第 15 題(手寫原標 14)改題號 14 → 15

一矽樣本在 T = 300 K 時其受體雜質濃度 $N_A=10^{16}\ \text{cm}^{-3}$。試求出需要加入多少施體雜質原子,方可使其成為 n 型且費米能量低於導電帶邊緣 0.20 eV。
15 手寫(原標 14)