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* EFEFi,电子浓度高于空穴浓度,半导体为n型,掺入的是施主杂质原子。 EFEFi,空穴浓度高于电子浓度,半导体为p型,掺入的是受主杂质原子。 半导体中的费米能级随电子浓度和空穴浓度的变化而改变,也即随着施主和受主的掺杂而改变。 4.3非本征半导体4.3.1电子和空穴的平衡状态分布 4.3非本征半导体4.3.1电子和空穴的平衡状态分布 多子与少子 * 4.3非本征半导体4.3.1-2电子和空穴的平衡状态分布 基于玻尔兹曼近似 费米能级偏近谁(指导带和价带)谁的载流子(导带中的电子,价带中的空穴)浓度就高于ni, 任何一种载流的增加均是牺牲另一种载流子的数量为代价。 4.3非本征半导体 4.3.4简并与非简并半导体 掺杂原子的浓度 电子服从的分布 判 据 费米能级位置 非简并 与晶体或半导体原子的浓度相比很小 玻尔兹曼分布 Ec-EFkT(≈2kT) 在禁带中 简并 较 大 费米分布 Ec-EF2kT 在导带内(n型)或在价带中(p型) 非简并 p型半导体 n型半导体 简 并 4.4施主和受主的统计学分布 4.4.1杂质能级上的电子和空穴的概率分布 杂质能级的分布函数:电子(或空穴)占据杂质能级的几率 能带中的能级-------可以容纳2个电子 全空 全空 杂质能级------- 可以容纳1个电子 1、电子占据施主能级的概率 空穴占据受主能级的概率 4.4施主和受主的统计学分布 4.4.1杂质能级上的电子和空穴的概率分布 2、施主浓度Nd和受主浓度Na就是杂质的量子态密度所以 施主能级上的电子浓度 受主能级上的空穴浓度 3、很多应用中,我们对电离施主杂质浓度更关心,因此: 电离施主浓度 电离受主浓度 4.4施主和受主的统计学分布 4.4.1杂质能级上的电子和空穴的概率分布 1/g g :简并因子 4.4施主和受主的统计学分布 4.4.2完全电离和束缚态 上式表明施主杂质的离化情况与杂质能级Ed和费米能级EF的相对位置有关; 如果Ed-EFkT,则未电离施主浓度nd≈0,而电离施主浓度nd+ ≈ Nd,杂质几乎全部电离。 如果费米能级EF与施主能级Ed重合时,施主杂质有1/3电离,还有2/3没有电离。 室温状态下,施主能级基本上处于完全电离状态,几乎所有施主杂质原子向导带贡献了一个电子;受主原子也基本上处于完全电离状态,几乎所有受主杂质原子向价带获得一个电子(向价带贡献了一个空穴)。 4.4施主和受主的统计学分布 4.4.2完全电离和束缚态 与室温条件相反,当T=0K时,杂质原子没有电离: 1、对n型半导体,每个施主原子都包含一个电子,nd=Nd 费米能级高于施主能级 2、对p型半导体,杂质原子不包含外来电子,na=Na,费米能级低于受主能级 没有电子从施主能态热激发到导带中, 没有电子从价带跃迁到受主能态 束缚态: * 4.5 电中性状态 热平衡条件下,半导体处于电中性状态—净电荷为零。 补偿半导体:同一区域同时含有施主和受主杂质原 子的半导体。 当NdNa,为n型补偿半导体; 当NdNa,为p型补偿半导体; 当Nd=Na,为完全补偿型半导体,具有本征半导体特性; 对于杂质补偿半导体,若Nd+和Na-分别是离化施主和 离化受主浓度,电中性条件为 如果考虑杂质强电离及其以上的温度区间, Nd+=Nd 和Na-=Na上式为 与n0p0=ni2联立求解得到 杂质强电离及其以上温度区域此式都适用。 * 4.5 电中性状态 4.5.2平衡电子和空穴浓度 n型半导体中多数载流子电子的浓度 4.5 电中性状态4.5.2平衡电子和空穴浓度 4.5 电中性状态4.5.2平衡电子和空穴浓度 n0p0=ni2联立求解得到, p型半导体材料多数载流子空穴的浓度 4.5 电中性状态 4.5.2平衡电子和空穴浓度 实验表明,当满足Si中掺杂浓度不太高并且所处的温度高于100K左右的条件时,那么杂质一般是全部离化的,这样电中性条件可以写成 与 n0p0=ni2 联立求解,杂质全部离化时的导带电子浓度n0 一般Si平面三极管中掺杂浓度不低于5×1014cm-3,而室温下Si的本征载流子浓度ni为1.5×1010cm-3,也就是说在一个相当宽的温度范围内,本征激发产生的ni与全部电离的施主浓度Nd相比是可以忽略的。这一温度范围约为100~450K,称为强电离区或饱和区,对应的电子浓度为:Nd; 杂质半导体载流子浓度(n型) * 强电离区导带电子浓度n0=Nd,与温度几乎无关。上式代入n0表达式,得到 变形 一般n型半导体的EF位于EFi之上Ec之下的禁带中。 EF既与温
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