半导体物理-侯艳芳 课件3-2.ppt

5 杂质半导体的载流子密度 杂质半导体物理意义 一般半导体器件中，载流子主要来源于杂质电离，而将本征激发忽略不计。 在本征载流子浓度没有超过杂质电离所提供的载流子浓度的温度范围，如果杂质全部电离，载流子浓度是一定的，器件就能稳定工作。 随着温度的升高，本征载流子浓度迅速地增加。当本征激发占主要地位，器件将不能正常工作，所以制造半导体器件一般均含有适当杂质的半导体材料。因此，每一种半导体材料制成的器件都有一定的极限工作温度。 空穴占据受主能级几率： 施主浓度ND和受定浓度NA就是杂质的量子态密度 施主能级上的电子浓度(即未电离的施主浓度)为 电离的施主浓度nD+为 电离的受主浓度nA+为 杂质能级与费米能级的相对位置明显反映了电子和空穴占据杂质能级的情况 当 n型半导体 对只含施主杂质的为n型半导体，电中性条件为： no＝p0十nD+ 等式左边是单位体积中的负电荷数，实际上为导带中的电子浓度；等式右边是单位体积中的正电荷数，实际上是价带中的空穴浓度与电离施主浓度之和。带入表达式 按温度分区讨论： 低温弱电离区：当温度很低时，大部分施主杂质能级仍为电子所占据、只有很少量施主杂质发生电离，少量的电子进入了导带，这种情况称为弱电离。从价带中靠本征激发跃迁至导带的电子数就更少了，可以忽略不计，导带中的电子全部由电离施主杂质所提供。 因此p0＝0, n0＝nD+ 因nD+ND，所以 故: l??费米能级位于导带和施主杂质能级中间。 l??费米能级和温度关系：存在一极值： 在NC=NDe-3/2≈0.11ND达到极值。 此式取对数，由lnn0T-3/4和T关系为一直线。通过实验测定其斜率可确定出杂质电离能，得到杂质能级的位置。 强电离区：当温度升高至大部分杂质都电离时称为 强电离 n0≈nD+≈ND， 载流子浓度与温度无关。 载流子浓度保持等于杂质浓度的这一温度范围称为饱和区。 这时EF－EDk0T，费米能级EF下降到ED以下。 过渡区: 当半导体处于饱和区和完全本征激发之间时称为过渡区。这时导带上的电子一部分来源于全部电离的杂质，另一部分则由本征激发提供，价带中产生了一定量空穴。 电中性条件：n0=p0+ND 本征激发时n0＝p0＝ni, n0×p0＝ni2的关系， 解此联立方程 高温本征激发区：温度升高到本征激发产生的本征载流子数远多于杂质电离产生的载梳子数，这种情况与未掺杂的本征半导体情形一样，杂的本征半导体情形一样，因此称为杂质半导体进入本征激发区。这时，费米能级接近禁带中线，而载流子浓度随温度升高而迅速增加。显然，杂质浓度越高达到本征激发起主要作用的温度也越高： n0，p0ND 电中性条件：n0＝p0 p型半导体 低温弱电离区： 以上讨论中看到： 掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度所决定。 对于杂质浓度一定的半导体，随温度从低到高，载流子则是从以杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要来源的过程，相应地，费米能级则从位于杂质能级附近逐渐移近禁带中线处。 杂质能级上的电子或空穴占据几率 : 杂质部分电离的情况下，在一些杂质能级上就有电子占据着。例如在未电离的施主杂质和已电离的受主杂质的杂质能级被电子所占据。 施主杂质能级只可能被一个有任意自旋方向的电子所占据 : 受主能级上的空穴浓度 (即未电离的受主浓度)为： 即当费米能级EF远在ED之下时，可以认为施主杂质几乎全部电离．反之，施主杂质基本上没有电离．当EF＝ED时，nD=1/3ND,而nD+＝1／3 ND,，即施主杂质有1／3电离，还有2／3没有电离。 同理，在费米能级EF远在EA之上时，受主杂质几乎全部电离了。反之受主杂质基本上没有电离．当EF＝EA时，受主杂质有l／3电离，还有2／3没有电离。 T→0K时， 取对数后简化得： 因为 在低温极限， 所以 温度继续升高，当2NC＞ND后，EF表达式中第二项为负值。这时EF下降到 (Ec+ED)/2以下。 当EF＝ED时， 则施主杂质1 /3电离。 中间电离区： 在强电离时：