半导体物理基础(1-2)1.ppt

半导体物理基础(Elementary Semiconductor Physics) （2） Crystal structure 3 Energy Band Theory 第二章 半导体中杂质和缺陷能级 2.3 Carrier concentration and EF Calculations 例题 1 载流子浓度 2 . 4 简并半导体（degenrrated semiconductor） 对于简并半导体,导带底部的量子态基本被电子占满.电子分 布函数不再能近似为玻尔兹曼分布函数了,而要用费米分布描述 费米积分 P 76 当掺杂浓度很高时,会使 EF接近或进入了导带.—半导体简并化了. EC-EF2k0T 非简并 2 简并化条件 0EC-EF 2k0T 弱简并 EC-EF0 简并 3 杂质带导电 在重掺杂的简并半导体中,杂质浓度很高.杂质原子相互 靠近,被杂质原子束缚的电子的波函数显著重叠,这时电子作 共有化运动.那么,杂质能级扩展为杂质能带. 杂质能带中的电子,可以通过杂质原子间共有化运动参加导电---杂质带导电. 本征半导体: 是指一块没有杂质和缺陷的半导体. 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 n0 p0 =ni 2 ni ------本征载流子浓度 1. Intrinsic Semiconductor（本征半导体） *从si的共价键平面图看: P15:1S22S22P63S23P3 这种束缚比共价键的束缚弱得多,只要很少的能量就可以使它挣脱束缚,成为导带中的自由粒子.这个过程称杂质电离. Doped /extrinsic Semiconductor（掺杂/非本征半导体） (1) Donor（施主杂质 ） n型半导体 Ⅳ族元素硅、锗中掺Ⅴ族元素,如P: *从Si的电子能量图看: 结论: 磷杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心。这种杂质称施主杂质 。掺施主杂质后，导带中的导电电子增多，增强了半导体的导电能力。 主要依靠导带电子导电的半导体称n型半导体。 电离能的计算: 氢原子 （2） Acceptor (受主杂质) p型半导体 Ⅳ族元素硅、锗中掺Ⅲ族元素,如硼（B）: *从si的共价键平面图看: B13:1S22S22P63S23P1 小结：纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力。主要依靠价带空穴导电的半导体称p型半导体。 *从Si的电子能量图看: （3）杂质的补偿作用 半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，它们之间有相互抵消的作用——杂质补偿作用。 *当ND 》NA时，n= ND- NA≈ ND 半导体是n型 *当ND《NA时， p= NA- ND≈ NA 半导体是p型 *当ND ≈ NA时， 杂质的高度补偿 ND——施主杂质浓度 NA——受主杂质浓度 n——导带电子浓度 p——价带空穴浓度 第三章 半导体中载流子的统计分布  （Carrier Statistics） 载流子浓度=(∫状态密度g(E) ×分布函数f(E)dE)/V 状态密度g(E)—单位能量间隔中的量子态数（能级数） 分布函数f(E)—能量为E的量子态被一个粒子占据的几率. *状态密度(Density of states)： 金属自由电子g(E) 半导体导带电子gc(E) 1. Electorn concentration (导带中的电子浓度) 对于Si, Ge 其中: Ge: s: the number of ellipsoidal surfaces lying within the first Brillouin 导带底电子状态密度有效质量 Si: s=6 s=(1/2)8=4 *分布函数f(E) 半导体导带中的电子按能量的分布服从费米统计分布。 ——玻尔兹曼分布 fermi function 非简并半导体（nondegenerated semiconductor） 简并半导体（degenerated semiconductor） *导带电子浓度n 令 Etop→∞ 则χtop →∞ 导带的有效状态密度Nc 电子占据量子态Ec的几率 *状态密度