3 半导体中载流子的统计分布-蓝色解读.ppt

半导体物理基础 第二章知识点回顾 1，杂质在晶体中的存在方式，替位式杂质和间隙式杂质。 2，施主杂质和施主能级的概念，形成方式，电离过程，N型半导体。类似分析受主杂质。 3，浅能级杂质和深能级杂质的概念。氢原子电离模型。 4，缺陷和位错。 第三章 半导体中载流子的统计分布 第三章 半导体中载流子的统计分布 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 简并半导体 引言 半导体的性能的决定者：电子 半导体导电性能的变化是由电子的数量的变化决定的。电子的数量是关键因素。 没有外界作用时，电子靠热激发产生。 热激发：本征激发、杂质电离 电子同时以一定的几率由高能态跃迁至低能态，与空穴中和，称为复合。 热平衡状态 在一定温度下，载流子的产生和载流子的复合建立起一动态平衡，这时的载流子称为热平衡载流子。 半导体的热平衡状态受温度影响，某一特定温度对应某一特定的热平衡状态。 半导体的导电性受温度影响剧烈。 如何得到载流子的浓度？ 态密度的概念 能带中能量 附近每单位能量间隔内的量子态数。 能带中能量为 无限小的能量间隔内有 个量子态，则状态密度 为 态密度的计算 状态密度的计算 单位 空间的量子态数 能量 在 空间中所对应的体积 前两者相乘得状态数 根据定义即可求得态密度 3.1.1 k空间中量子态的分布 实际的半导体硅、锗，具有两个不同：一是 E-K关系各向异性，二是导带底附近，等能面为旋转椭球面 EC：极值能量 可计算得 本节小结 1，K空间的态密度与E间隔内的状态密度的概念，不要混淆了。 2，E-K，K-g的状态密度计算过程。 3，球形等能面的导带底与价带顶的状态密度表达式： 4，Si和Ge的状态密度表达式： 3.2 费米能级EF和载流子的统计分布 3.2.1 费米分布函数和费米能级 费米分布的历史 3.2.2 玻尔兹曼分布函数 电子的费米分布函数 E-EF》k0T时 知识点小结 1，态密度的概念 2，状态密度的含义，和表达式 3，费米分布与玻尔兹曼分布 4，费米能级的含义及其重要性 5，简并和非简并半导体 常见半导体在室温下的本征载流子浓度： Si: ni=1.5×1010cm-3 Ge: ni=2.4×1013cm-3 GaAs: ni=1.1×107cm-3 堂课小结 3.4 杂质半导体的载流子浓度 本节知识是本章知识的重点和难点 难点1杂质电离情况随温度升高的变化 难点2其中容易混淆的离子的分类：掺杂浓度、未电离的电子和空穴浓度、电离的电子和空穴浓度、半导体内导带和价带的总的载流子浓度 3.4.1 杂质能级上的电子和空穴 能带中的能级：可以容纳自旋方向相反的两个电子 杂质能级:只能容纳某个自旋方向的电子 3.4.2 n型半导体的载流子浓度 考虑只含一种施主杂质的n型半导体 理解EF随T变化： T变化 电离的杂质浓度改变 导带电子数发生变化 EF变化。 导带电子浓度由杂质电离提供 电中性方程： 解得： 思考题： 半导体器件工作的高温极限温度？ 半导体器件正常工作时，要求电子和空穴浓度有很大差别。 本征温度Ti，超过这个温度器件降失去电学实用价值，如pn结将失去整流特性。 如何计算Ti: 实际应用中，对于宽带隙半导体，激发电子从价带到导带需要更高的能量，本征温度Ti也会更高，所以宽带隙半导体适合做高温器件。 Ti(Ge)=385K Ti(Si)=540K Ti(GaAs)=700K 总结 总结n型半导体中，费米能级随温度变化的规律？ 3.5 一般情况下的载流子统计分布（自学） 思路： 电中性条件 设半导体中存在若干种施主杂质和若干种受主杂质，电中性条件：单位体积正负电荷数相等 3.6 简并半导体（自学） 重掺杂时， n型半导体，费米能级进入导带 p型半导体，费米能级进入价带 此时， 3.6.3 低温载流子冻析效应（了解） 如右图，当温度高于 100K时，硅中施主杂质全部电离；而温度低于100K时，施主杂质只有部分电离，还有部分载流子被冻析在杂质能级上，对导电没有贡献，称为低温载流子冻析效应。 3.6.4 禁带变窄效应（了解） 定义：重掺杂时，禁带宽度将变窄。 思考题与自测题 1. 半导体处于怎样的状态才能叫处于热平衡状态？其物理意义如何。 2. 什么叫统计分布函数？费米分布和玻耳兹曼分布的函数形式有何区别？在怎样的条件下前者可以过渡到后者？为什么半