第四章平衡半导体介绍.ppt

* 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