载流子分布教学课件.ppt

4.14；4.22；4.34；4.51 * * 4.2掺杂原子与能级 受主杂质 掺入３价的硼原子 * 4.2掺杂原子与能级 受主杂质 以Si中掺入Ⅲ族元素硼(B)为例： 硼只有三个价电子，为与周围四个Si原子形成四个共价键，必须从附近的Si原子共价键中夺取一个电子，这样硼原子就多出一个电子，形成负电中心硼离子，同时在Si的共价键中产生了一个空穴。 这个被负电中心硼离子依靠静电引力束缚的空穴还不是自由的，不能参加导电，但这种束缚作用同样很弱，很小的能量ΔEA就使其成为可以“自由”运动的导电空穴。 而负电中心硼离子被晶格所束缚，不能运动。 * 4.2掺杂原子与能级 受主杂质 由于以硼原子为代表的Ⅲ族元素在Si、Ge中能够接受电子而产生导电空穴，称Ⅲ族元素为受主杂质或p型杂质，用Na表示。 空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离，而所需要的能量ΔEA称为受主杂质电离能。 不同半导体和不同受主杂质其ΔEA也不相同，但ΔEA通常远小于Si和Ge禁带宽度。 受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为负电中心，称为受主离化态。 Si中掺入受主杂质后，受主电离增加了导电空穴，增强了半导体导电能力，把主要依靠空穴导电的半导体称作p型半导体。p型半导体中空穴是多子，电子是少子。 * 4.2掺杂原子与能级　电离能 常见杂质的电离能 * 4.2掺杂原子与能级　III-V族半导体 GaAs的杂质电离能 双性杂质的概念＿硅替代镓做施主，替代砷做受主． * 4.2掺杂原子与能级 施主能级受主能级 掺入施主杂质的半导体，施主能级Ed上的电子获得能量ΔEd后由束缚态跃迁到导带成为导电电子，因此施主能级Ed位于比导带底Ec低ΔEd的禁带中，且ΔEdEg。 对于掺入Ⅲ族元素的半导体，被受主杂质束缚的空穴能量状态(称为受主能级Ea)位于比价带顶Ev低ΔEa的禁带中,ΔEaEg，当受主能级上的空穴得到能量ΔEa后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴。 (a) 施主能级和施主电离 (b) 受主能级和受主电离 图 杂质能级和杂质电离 * 4.2掺杂原子与能级 施主能级受主能级 如果Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族杂质浓度不太高，在包括室温的相当宽的温度范围内，杂质几乎全部离化。 通常情况下半导体中杂质浓度不是特别高，半导体中杂质分布很稀疏，因此不必考虑杂质原子间的相互作用，被杂质原子束缚的电子(空穴)就像单个原子中的电子一样，处在互相分离、能量相等的杂质能级上而不形成杂质能带——非简并半导体。 当杂质浓度很高(称为重掺杂)时，杂质能级才会交叠，形成杂质能带，当费米能级进入价带内——简并半导体。 * 4.3非本征半导体电子和空穴的平衡状态分布 * * 4.3非本征半导体电子和空穴的平衡状态分布 基于玻尔兹曼近似 简并半导体及其载流子浓度 半导体中玻耳兹曼分布函数并不总是适用， n型半导体中如果施主浓度Nd很高，杂质能级会分裂为能带，随着浓度的增加，能带逐渐展宽，当Nd增大到可以与有效状态密度相比拟时，有可能与导带底相交叠。EF就会与导带底Ec重合甚至进入导带，此时E-EFkT不再成立，必须用费米分布函数计算导带电子浓度，这种情况称为载流子的简并化。 提问：n型半导体中如果施主浓度Nd很高，玻耳兹曼分布函数是否仍然适用？ * 简并化条件 因此用Ec-EF的大小作为判断简 并与否的标准 图 不同分布函数得到的n0/Nc 与(EF-Ec)/(k0T)关系 * 简并半导体的载流子浓度 简并半导体的n0与非简并半导体计算类似，只是分布函 数要代入费米分布 因为 ，再令 ， ，上式化简为 其中积分 称为费米-狄拉克积分， 因此简并半导体的n0表达式为 * 下图是费米-狄拉克积分F1/2(ξ)与ξ的关系： 图4.10 费米-狄拉克积分F1/2(ξ)与ξ关系 * 简并时杂质未充分电离 As在Ge和Si中的ΔED分别为0.0127eV和0.049eV，简并时 Ec-EF=0，经计算得到室温下的离化率分别只有23.5%和7.1%，因此简并时杂质没有充分电离。 尽管杂质电离不充分，但由于掺杂浓度很高，多子浓度还是可以很高的。 因为简并半导体中的杂质浓度很高，杂质原子之间相距较近，相互作用不可忽略，杂质原子上的电子可能产生共有化运动，从而使杂质能级扩展为能带。 杂质能