半导体物理：chapter 3.3-3.4 半导体中载流子的统计分布-本征半导体的载流子浓度.pptx

第三章 半导体中的载流子统计分布Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布1第三章 半导体中的载流子统计分布3.1 状态密度3.2 费米能级和载流子的统计分布3.3 本征半导体的载流子浓度3.4 杂质半导体的载流子浓度3.5 一般情况下的载流子统计分布3.6 简并半导体Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布2Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布3 所谓本征半导体，就是完全没有杂质和缺陷的半导体导带中的电子都是由价带激发得到的，（只有导带和价带，禁带中没有杂质能级） T 0 K时，电子从价带激发到导带，称为本征激发若要求电子总数不变，必须导带中的电子浓度等于价带中的空穴浓度（电中性条件），即 n = p3.3 本征半导体的载流子浓度Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布4 上式表明，本征载流子浓度只与半导体本身的能带结构和温度T 有关在一定温度下，禁带宽度越窄的半导体，本征载流子浓度越大对于一定的半导体，本征载流子浓度随着温度的升高而迅速增加q 本征载流子浓度 本征载流子浓度本征载流子浓度n ni i与禁带宽度与禁带宽度E Eg g T=300K T=300K 本征载流子浓度ni与温度T本征载流子浓度niq 注意点：1o 对于某种半导体材料，T 确定，ni 也确定室温下 Si 1.51010 cm-3 Ge 2.41013 cm-32o 斜率3o 极限工作温度Si 520 KGe 370 KGaAs 720 K “高温”半导体本征载流子浓度本征载流子浓度ni与温度Tq 本征费米能级ECEiEV 电中性条件 两端取对数后,得Ei表示本征半导体的费米能级.当, Ei恰好位于禁带中央。

实际上NC和NV并不相等,是1的数量级.所以Ei在禁带中央上下约为k0T的范围之内第三章 半导体中的载流子统计分布3.1 状态密度3.2 费米能级和载流子的统计分布3.3 本征半导体的载流子浓度3.4 杂质半导体的载流子浓度（非简并）3.5 一般情况下的载流子统计分布3.6 简并半导体Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布8Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布93.4.1 杂质能级上的电子和空穴 （非简并单一杂质）提问：电子占据杂质能级的概率能否用电子费米分布函数来描述吗？ 一个杂质能级可以接受具有任意一种自旋的一个电子(中性态)，或者不接受电子(电离态)1) 电子占据施主能级的几率：(2) 空穴占据施主能级的几率：讨论fD(E): 当ED Ef k0T 时 fD(E) 0 当Ef ED k0T时 fD(E) 1 一般情况下 0 fD(E) ND; p0 ND； n0 = p0；Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布131.低温弱电离区(T小于几K)：大部分施主杂质没有电离，导带只有少数电子 ； p0 = 0 在极限温度T趋近0K时，费米能级位于导带和施主能级间中线处。

随着温度T的增加，n0指数级迅速增加Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布142.中间电离区(几K到几十K) ：本征激发基本没有， p0 = 0说明施主杂质有1/3电离 当温度升高到使EF = ED时，则 Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布153.强电离区(几十K到数百K) ：非常少量的本征激发 p0 = 0 费米能级： 当载流子浓度： 说明施主杂质全部电离一般掺杂浓度下， NC ND在一定温度T时， ND越大，EF越向导带靠近，而在ND一定时，温度越高，EF就越向本征费米能级Ei靠近载流子浓度n0保持等于杂质浓度的这一温度范围称为饱和电离区在这一区间，半导体的载流子浓度基本与温度无关，所以说强电离区是半导体的工作温区Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布163.强电离区(几十K到数百K) ：非常少量的本征激发一般掺杂浓度下， NC ND在一定温度T时， ND越大，EF越向导带靠近，而在ND一定时，温度越高，EF就越向本征费米能级Ei靠近Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布17在饱和电离情况下，导带中的电子主要来自施主，从价带激发到导带的电子可以忽略，但其留下了空穴，利用np=ni2,可以求出空穴浓度对于型半导体，导带中的电子被称为多数载流子（多子），价带中的空穴被称为少数载流子（少子）。

对于型半导体则相反少子的数量虽然很少，但它们在器件工作中却起着极其重要的作用例：在施主浓度为 的型硅( )中,室温下施主基本上全部电离，Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布184.过渡区(数百K以上) ：温度很高，本征激发不可忽略当ND/(2ni)很小时，EF 接近Ei，半导体接近于本征情况；当ND/(2ni)增大时，则EF-Ei也增大，向饱和区方向接近Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布194.过渡区(数百K以上) ：温度很高，本征激发不可忽略当ND ni时，n0和p0数量相近，都趋于niSemiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布205.高温本征激发区(数百K) ：温度很高，本征激发不可忽略类似本征半导体情况，载流子浓度随温度升高而迅速增加 电中性方程： 费米能级：因为Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布21综上所述，杂质半导体中载流子浓度随温度变化的规律，从低温到高温大致可分为三个区域，即杂质弱电离区，杂质饱和区和本征激发区Ln（ n ）本征区饱和区杂质电离区n型半导体中电子浓度随温度的变化Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布22n型半导体中费米能级随温度的变化过渡区本征区强电离区弱电离区中间电离区Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布23ET 0费米能级随温度的变化费米能级与杂质浓度和温度的关系同理，对于只含有一种施主杂质的p型半导体来说，得到类似结果（P75）。

多数载流子（多子）少数载流子（少子）n 型半导体电子空穴p 型半导体空穴电子 半导体中的费米能级：反映了半导体的导电类型，掺杂浓度和自由电子、空穴浓度某种意义下可认为费米能级反映了电子的填充水平 费米能级越低，导带电子越少，价带电子越少；费米能级能级越高，导带的电子越多，价带的电子也多Semiconductor Physics第三章 半导体中的载流子统计分布25。