电子工程物理基础(4-1)2014.ppt

(2)中温强电离区 电中性方程 两边取对数,并整理 载流子浓度: (只含施主) (本征激发不可忽略) 电中性方程 (3)过渡区 n0---多数载流子 p0---少数载流子 (只含施主) （全电离） (4)高温本征区 (本征激发产生的载流子远多于杂质电离产生的载流子) 电中性方程 载流子浓度: (只含施主) 温 区 低温 中温 高温 费米能级 载流子浓度 以中温为例，考察EF~ND ND一定,EF~T T一定, EF~ND 低温 中温 高温 结果分析 Si 、Ge : Nc~1019/cm3 GaAs: Nc~1017/cm3 简并情况 电子和空穴的分布规律不再能用波尔兹曼分布来近似，而必须采用费米-狄拉克分布。 类似的 费米积分 例1.计算含有施主杂质浓度ND＝9×1015cm-3及受主杂质浓度为1.1×1016cm-3的硅在300k时的电子和空穴浓度以及费米能级的位置。（对于硅材料：ND=9×1015cm-3；NA＝1.1×1016cm-3；T＝300k时 ni=1.5×1010cm-3） 例2．制造晶体管一般是在高杂质浓度的n型衬底上外延一层n型的外延层，再在外延层中扩散硼、磷而成。① 设n型硅单晶衬底是掺锑的，锑的电离能为0.039eV，300k时的EF位于导带底下面0.026eV处，计算锑的浓度和硅衬底导带中电子浓度。 ②设n型外延层杂质均匀分布，杂质浓度为4.6×1015 cm?3，计算300K时的EF位置和电子空穴浓度。③在外延层中扩散硼后，硼的浓度分布随样品深度变化。设扩散层某一深度处硼的浓度为5.2×1015 cm?3，计算300K时EF位置和电子空穴浓度。④如温度升高到500，计算③中电子空穴的浓度。 （已知本征载流子浓度T=300K时，ni=7.8 ×1015 cm?3, T=500K时，ni=2 ×1015 cm?3. ） 解 （1） ，即此时为弱简并 Sb为高掺杂，未完全电离： ∵ 其中 又 （简并时的n0表达式 ） 则 （2） 非简并，全电离 （3） 非简并，补偿后全电离 （4）500K ，过渡区 补充作业： 1．掺磷的n型硅，已知磷的电离能为0.04eV，求室温下杂质一半电离时费米能级的位置和磷的浓度。 2．求室温下掺锑的n型硅，使EF＝(EC＋ED)/2时的锑的浓度。已知锑的电离能为0.039eV。已知 教材p.162，15.一块补偿硅材料，已知掺入受主杂质浓度NA=1×1015cm-3,室温下测得其费米能级位置恰好与施主能级重合，并测得热平衡时电子浓n0=5×1015cm-3 。已知室温下硅本征载流子浓度ni=1.5×1010cm-3。 试问： （1）热平衡时空穴浓度为多少？ （2）掺入材料中的施主杂质浓度为多少？ （3）电离杂质中心浓度为多少？ （4）中性杂质中心浓度为多少？ * * * *能态密度： 价带空穴浓度（Hole concentration ) p0 *分布函数fV(E） 空穴占据能态E的几率，即能态E不被电子占据的几率 *价带空穴浓度p0 价带的有效状态密度Nv 价带顶部EV态被空穴占据的几率 (a) EF 的高低反映了半导体中载流子的填充水平。 EF越靠近导带底，表明导带中的电子浓度越高; EF越靠近价带顶，表明价 带中的空穴浓度越高. (b) n0 与p0的乘积与EF无关 (c) 满足电中性关系( Charge Neutrality Relationship) 分析 Q+ 空间正电荷浓度 Q- 空间负电荷浓度 (d) 非平衡载流子与准费米能级的关系 准费米能级 电子和空穴准费米能级的差反映了半导体偏离平衡态的程度. 非平衡载流子 平衡 第4章 半导体中电子的状态 4.1 电子的分布 4.2 载流子的调节 4.3 载流子的复合 4.4 载流子的散射 4.5 载流子的漂移 4.6 载流子的扩散 4.7 载流子的完整运动 热、光、电、磁、声——外部作用 4.2 载流子的调节 载流子的调节 人为掺杂质——内部作用 平衡状态 n电子=p空穴 n电子p空穴 n电子p空穴 本征半导体 n型半导体 p型半导体 一. 本征半导体 ——没有杂质和缺陷的纯净的半导体 Intrinsic Semiconductor 本征激发: T0K时,电子从价带激发到导带,同时价带中产生空穴. n0=p0 =ni ni -本征载流子浓度 n0=p0 结论:本征半导体的费米能级Ei基本位于禁带中央. 本征半导体