半导体物理(第三章).ppt

根据在本节中得到的费米能级的公式以及它们与温度的关系的讨论,可以得出在整个温度范围内费米能级随温度的变化规律.对于N型和P型半导体,图中给出杂质浓度一定时EF随温度变化的示意图. 对于N型半导体, 当杂质浓度一定时，随着温度的升高，费米能级从施主能级以上移动到施主能级以下，最终下降到禁带中线处；对于P型半导体,当杂质浓度一定时，随着温度的升高，费米能级从受主能级以下逐渐上升到禁带中线处。 ⒉当温度一定时，费米能级随杂质浓度的变化关系 当温度一定时，费米能级的位置由杂质浓度所决定，如下图所示。 3.4.4 费米能级与杂质浓度和温度的关系 对于N型半导体,费米能级位于禁带中线以上，在同一温度下,施主浓度越大，费米能级的位置越高,由禁带中线逐渐向导带底靠近。 对于P型半导体,费米能级位于禁带中线以下，在同一温度下，受主浓度越大,费米能级的位置越低,由禁带中线逐渐向价带顶靠近。 由上可知，当温度一定时，费米能级随杂质浓度的变化的规律如下： 小结：求解含一种杂质的热平衡半导体载流子浓度的思路： 对只含一种杂质的半导体： ⒈首先判断半导体所处的温度区域（四个）—— 杂质弱电离区、饱和电离区、过渡区、本征激发区 如何判断？ ⒉写出电中性条件； ⒊利用该温度区域的载流子浓度计算公式求解。 练习: 两块n型半导体硅材料，在某一温度T时，第一块与第二块的电子密度之比为n1:n2=e。 ⑴如果第一块材料的费米能级在导带底之下3k0T，试求出第二块材料中费米能级的位置； ⑵求出两块材料中空穴密度之比p1:p2。 3.3 本征半导体的载流子浓度 当上式满足时,总的负电荷密度(-e)n同正电荷密度(+e)p大小相等,符号相反,半导体处于电中性状态, 通常称这种关系为电中性条件或电中性方程. 3.3.1 电中性条件 所谓本征半导体，就是完全没有杂质和缺陷的半导体。导带中的电子都是由价带激发得到的，（只有导带和价带，禁带中没有杂质能级）。T0k时，电子从价带激发到导带，称为本征激发。此时导带中的电子浓度等于价带中的空穴浓度，即 3.3 本征半导体的载流子浓度 3.3.2 本征费米能级 由电子和空穴浓度的表达式和电中性条件可以得到 两端取对数后,得 Ei表示本征半导体的费米能级. 当 , Ei恰好位于禁带中央. (图） Ec Ei Ev 本征半导体 3.3 本征半导体的载流子浓度 实际上NC和NV并不相等, 是1的数量级，所以 Ei在禁带中央上下约为kT的范围之内. 在室温下(300K), ,它与半导体的禁带宽度相 比还是很小的，如：Si的Eg＝1.12 eV。 例: 室温时硅(Si)的Ei就位于禁带中央之下约为0.01eV的地方. 也有少数半导体,Ei相对于禁带中央的偏离较明显.如锑化铟 , 在室温下,本征费米能级移向导带 3.3 本征半导体的载流子浓度 3.3.3 本征载流子浓度 上式表明，本征载流子浓度只与半导体本身的能带结构和温度T 有关，与所含杂质无关。在一定温度下，禁带宽度越窄的半导体，本征载流子浓度越大。对于一定的半导体，本征载流子浓度随着温度的升高而迅速增加。 * 3.3 本征半导体的载流子浓度 表中列出室温下硅、锗、砷化镓三种半导体材料的禁带宽度和本征载流子浓度的数值. 在室温下(300K),Si 、Ge 、GaAs的本征载流子浓度和禁带宽度 Si Ge GaAs ni(cm-3) Eg(eV) 1.12 0.67 1.43 我们把载流子浓度的乘积n0p0用本征载流子浓度ni表示出来,得 在热平衡情况下,若已知ni和一种载流子浓度,则可以利用上式求出另一种载流子浓度. 3.3 本征半导体的载流子浓度 3.3.4 电子和空穴浓度的另一种形式 把电子和空穴浓度公式用本征载流子浓度ni (或pi )和本征费米能级Ei可写成下面的形式: 已学过的两套求解载流子浓度的公式： 3.4 杂质半导体的载流子浓度 3.4.1 杂质能级的占据几率 ● 能带中的电子是作共有化运动的电子, 它们的运动范围延伸到整个晶体,与电子空间运动对应的每个能级,存在自旋相反的两个量子态.由于电子之间的作用很微弱,电子占据这两个量子态是相互独立的. 能带中的电子在状态中的分布是服从费米分布的. 3.4.1 杂质能级的占据几率 ● 杂质上的电子态与上述情形