半导体物理-侯艳芳 课件3-1.ppt

1. 统计分布概念 物理统计的意义 统计规律 2.状态函数密度 热激发产生载流子：电子从价带跃迁到导带 杂质电离产生导电电子或空穴 反过程：电子和空穴减少－载流子复合 两过程达到平衡态 K空间量子态分 1.????? K空间量子态：在体积 为半导体中， ， i=x, y, z; n为整数 ＝（kxky,kz)任一组值代表一能量态； 一个量子态在k空间中占据的体积为： 考虑自旋，每一个k态代表两个量子态，在k空间中占据(2π)3/2V体积，则量子态密度为2V/ (2π)3. 3. 费米能级和载流子统计分布 费米(Fermi)统计分布 在热平衡状态下，电子按能量大小具有一定的统计分布规律性．根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电子遵循费米统计规律。对于能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率为： f(E)是电子的费米分布函数 导带中的电子浓度是NC中有电子占据的量子态数 价带中的空穴浓度是NV中有空穴占据的量子态数 4 本征半导体的载流子密度 本征半导体(intrinsic semiconductor ) 本征半导体就是一块没有杂质和缺陷的半导体。 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态都是空的，即半导体中共价键是饱和的、完整的。 半导体的温度T＞0K时，就有电子从价带激发到导带去，同时价带中产生了空穴，即本征激发。由于电子和空穴成对产生．导带中电子浓度等于价带中的空穴浓度。 本征激发情况下的电中性条件：n0=p0 本征半导体的费米能级 由n0=p0＝ni 本征半导体的载流子浓度 载流子浓度和半导体本身、禁带宽度和温度等相关。 Fermi-Level and Distribution of Carriers 在一定温度T下，产生过程与复合过程之间处于动态的平衡，这种状态就叫热平衡状态。 处于热平衡状态的载流子n0和p0称为热平衡载流子。它们保持着一定的数值。 电子 空穴 Fermi-Level and Distribution of Carriers 单位体积的电子数n0和空穴数p0： Fermi-Level and Distribution of Carriers Fermi-Level and Distribution of Carriers 前面已经得到： 导带底状态密度： Fermi-Level and Distribution of Carriers 将此二式代入（1）式中， Fermi-Level and Distribution of Carriers Fermi-Level and Distribution of Carriers 利用 Fermi-Level and Distribution of Carriers Fermi-Level and Distribution of Carriers Fermi-Level and Distribution of Carriers 可以见到：Nc∝T3/2和Nv ∝T3/2 Fermi-Level and Distribution of Carriers （1）当材料一定时，n0、p0随EF和T而变化； （2）当温度T一定时， n0×p0仅仅与本征材料相关。 Fermi-Level and Distribution of Carriers §3.3 本征半导体的载流子浓度 Carriers Density of Intrinsic Semiconductors 本征半导体：满足 n0=p0=ni 的半导体就是本征半导体 ni= ni（T） 在室温（RT=300K）下： ni （Ge）≌2.4×1013cm-3 ni （Si） ≌1.5×1010cm-3 ni （GaAs） ≌1.6×106cm-3 (a) 简单能带 （b）g(E) ( c) f(E) (d) dn0/dE, dp0/dE 一般半导体在室温下(k0T=0.026eV)费米能级在禁带中线（稍偏上）附近。除非禁带宽度小，电子空穴有效