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ch31半导体中载流子的统计分布
大 纲 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 3.1.1 k空间中量子态的分布 二 实际半导体硅、锗,导带底附近,等能面为旋转椭球面 EC:极值能量 可计算得 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 3.2.2 玻尔兹曼分布函数 电子的费米分布函数 E-EF》k0T时 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 锑化铟室温时禁带宽度Eg≈0.17eV,而 mp*/mn* 之值约为32左右,于是它的费米能级Ei已经远在禁带之上。 本征载流子浓度ni为 式中Eg=Ec-Ev为禁带宽度。 Discussion: 一定的半导体材料,本征载流子浓度ni随温度的升高而迅速增加(指数增长); 不同的半导体材料,在同一温度T时,禁带宽度Eg越大,本征载流子浓度ni就越小。 According to 得到n0p0=n2i (质量作用定律) 说明:在一定温度下,任何非简并半导体的热平衡载流子浓度的乘积n0p0等于该温度时的本征载流子浓度ni的平方,与所含杂质无关。 不仅适用于本征半导体材料,而且也适用于非简并的杂质半导体材料。 EF 半导体材料中,EF位于禁带内,一般 Ec –EF 》k0T EF –Ev 对导带中的所有量子态,E–Ec0,被电子占据的概率,一般都满足f(E)《1,半导体导带中的电子分布可以用电子的玻耳兹分布函数描写。 价带道理相同 Ec Ev E增大,f(E)减小,导带中绝大多数电子分布在导带底附近 Ec Ev 价带中的量子态,被空穴占据的概率,一般满足1-f(E)《1。 价带中的空穴分布服从空穴的玻耳兹曼他分布函数。 E增大,1-f(E)增大,价带中绝大多数空穴集中分布在价带顶附近。 EC EV EF (3-13)、(3-14)两个基本公式。 服从玻耳兹曼统计律的电子系统-----非简并性系统 服从费米统计律的电子系统-----------简并性系统 3.2.3 导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度 解决第二个问题:计算半导体中的载流子浓度。 状态密度为gc(E),E处参量E~(E+dE)之间有dZ=gc(E)dE个量子态,而电子占据能量为E的量子态的概率是f(E),则在E~(E+dE)间有 f(E)gc(E)dE个电子。 从导带底到导带顶对f(E)gc(E)dE进行积分,就得到了能带中的电子总数,再除以半导体体积V,就得到了导带中的电子浓度。 图为能带、函数f(E)、1-f(E)、gc(E)、 gv(E) 等曲线 图(e)中可看出,导带中电子的大多数是在导带底附近,而价带中大多数空穴则在价带顶附近。 图为f(E)gc(E)和[1-f(E)]gv(E)等曲线。 在非简并情况下,导带中电子浓度可计算如下。 在能量E~(E+dE)间的电子数dN为 得能量E~(E+dE)之间单位体积中的电子数为 对上式各分,得热平衡状态下非简并半导体的导带电子浓度n0为 积分上限E`c是导带顶能量。 作一变换:x=(E-Ec)/(k0T), (3-15)变为 导带宽 积分上限改为 无穷不影响结果。 导带中的电子绝大多数在导带底部附近。 数学处理上带来了很大的方便,(3-16)可改写: Nc? T3/2是一很重要的量,称为导带的有效状态密度,是温度的函数。 是电子占据能量为Ec的量子态的概率,(3-19)可理解为把导带中所有量子态都集中在导带底Ec, Ec处的状态密度为Nc。 导带中的电子浓度是Nc中有电子占据的量子态数。 同理,热平衡状态下,非简并半导体的价带中空穴浓度p0为 Nv? T3/2是一很重要的量,称为价带的有效状态密度,是温度的函数。 是空穴占据能量为Ev的量子态的概率 可理解为把价带中所有量子态都集中在导带底Ev, Ev处的状态密度为Nv,则价带中的空穴浓度是Nv中有空穴占据的量子态数。 空穴占据能量为Ev的量子态的概率 n0 、p0 与温度T有关,与EF有关。 T的影响来自两方面 : Nc、Nv正比于T3/2 指数部分随温度迅速变化。 EF, T确定,就可以计算导
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