2半导体基础理论能带与载流子解释.ppt

半导体基础理论;课程具体内容及安排;半导体材料特殊的导电性能;半导体材料特殊的导电性能;能带与载流子;电荷的定向移动形成电流，承载电荷的自由粒子称为载流子。;如何理解空穴?;导带;原子键合导致电子能级的分裂;外层先分裂（最先受到其它原子的影响） 允带和禁带;硅晶格;3s和3p轨道距离近时产生交叠, 导致3s和3p态分裂为允带和禁带;硅晶格中电子能级分裂为能带;能带图（Energy Band Diagram）;不同材料的能带结构;能带隙与材料的分类;带隙能的测量;半导体异质结的能带结构;载流子的产生：;载流子的产生;载流子的产生;本征激发与本征半导体;ni ? 1010 cm-3 at room temperature; 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为非本征半导体或杂质半导体。;Donors: P, As, Sb;（1）四价的本征半导体 Si、Ge等，掺入少量五价的杂质元素（如P、As等），出现弱束缚电子。;（1）四价的本征半导体Si、Ge 等，掺入少量三价的杂质元素（如B、Ga、In等）。在掺杂原子周围，就缺一个电子，可以看作微弱结合的空穴。;平衡载流子浓度;载流子的产生 复 合;Analogy for Thermal Equilibrium;导带内的电子：温度 T 时的热力学平衡条件下占据导带的电子的数量 (n);几率函数 f(E);费米能级;电子能量状态密度 g(E)（Density of States）;实际半导体中： EC - EF ? k0T， 所以在导带底附近 E - EF ? k0T ;（把导带中的所有状态都集中在导带底时的状态密度）;空穴大多分布在价带顶附近;Energy band diagram;一定的温度下 n0p0 一定，适用于本征半导体和杂质半导体。;本征载流子浓度与温度的关系;非本征半导体中的载流子;施主能级与受主能级的能带模型Donor / Acceptor Levels (Band Model);非本征半导体的载流子浓度; 导带的电子浓度 = 电离施主的浓度 + 价带空穴浓度 施主杂质浓度 = 电离施主的浓度 + 未电离施主的浓度 未电离施主的浓度 = 施主能级的电子浓度 = 施主杂质浓度 × 电子占据施主能级的几率 ; 以施主杂质为例，对施主电子来说，每个施主能级都有两种可能的自旋方向，每个施主???级就对应两种量子态。当把其中一个电子放入其中一个量子态上之后，就排除了将其他电子放入第二个量子态的可能，这种情况下电子占据施主能级的几率为;ED - EF ? k0T， nD+ = ND ;施主杂质中的电子需克服电离能进入导带;(2)过渡区：温度升高，施主杂质完全电离，同时本征激发不可忽视;掺杂半导体中的载流子浓度;掺杂半导体中的载流子浓度;热平衡时的能带、状态密度、费米-狄拉克分布（占据几率）和载流子浓度;小结;Dopant Ionization (Band Model);Electrons and Holes (Band Model);Dependence of EF on Temperature;n(ni, Ei) and p(ni, Ei);Dopant Ionization;Nondegenerately Doped Semiconductor;Degenerately Doped Semiconductor;Summary;Summary;;Summary;To find EF for an intrinsic semiconductor, use the fact that n = p: