半导体物理3_semiconductor_ch3_2010-11.pdf

第三章 第三章 半导体中载流子的统计分布 半导体中载流子的统计分布 Fermi-Level and Distribution of Carriers Fermi-Level and Distribution of Carriers 本章主要解决问题： 1. 半导体为什么导电？ 2. 影响导电的因素？ 1 ）导电因素 1 ）导电因素 本征激发  在一定温度下，如果没有其它外界作用，半导体中的 导电电子和空穴是依靠电子的热激发作用而产生的，  电子从不断热振动的晶格中获得一定的能量，就可能 从低能量的量子态跃迁到高能量的量子态，  例如，电子从价带跃迁到导带，形成导电电子和价带 空穴。 2）载流子的复合：  电子和空穴也可以通过杂质电离方式产生，当电 子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电 子从价带激发到受主能级时产生价带空穴等。  与此同时，还存在着相反的过程，即电子也可以 从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向 晶格放出一定能量，从而使导带中的电子和价带 中的空穴不断减少，这一过程称为载流子的复 合。 3 ）热平衡状态与热平衡载流子  在一定温度下，这两个相反的过程之间将建立 起动态的平衡，称为热平衡状态。  这时，半导体中的导电电子浓度和空穴浓度都 保持一个稳定的数值，这种处于热平衡状态下 的导电电子和空穴称为热平衡载流子。  当温度改变时，破坏了原来的平衡状态，又重 新建立起新的平衡状态，热平衡载流子的浓度 也将发生变化，达到另一稳定数值。 需要解决的问题: 需要解决的问题: 半导体中载流子浓度随温度的变化规律！ 半导体中载流子浓度随温度的变化规律！ 方法： 方法： 为了计算电子和空穴的浓度，必须对一个能带内的所 为了计算电子和空穴的浓度，必须对一个能带内的所 有能量进行积分，而不是对布里渊区体积积分， 为 有能量进行积分，而不是对布里渊区体积积分， 为 此， 必须知道： 此， 必须知道： ① 量子态按照能量的分布。（引入状态密度概 ① 量子态按照能量的分布。（引入状态密度概 念） 念） ② 载流子在量子态上的分布。（引入费米分布 ② 载流子在量子态上的分布。（引入费米分布 函数） 函数） 3.1 状态密度 3.1 状态密度 状态密度：能带中能量E 附近单位能量间隔、单位体 积的量子态数。 近似认为能量是连续的 在能带中能量E EdE 之间有dZ个量子态， dZ g(E)则状态密度g(E) 为 dE 3.1.1 K空间中的量子态分布 3.1.1 K空间中的量子态分布 件的限 半导体中的量子状态用波矢k表示，k的取值受周期性边界条 制