资源描述
,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,积分上限，可用导带顶 代替, ,能量有限宽；引入变量,得：,令,:, (3,12),：,导带底有效状态密度,特点：,1. 2.,与温度关系,3.,几个,kT,导带电子浓度等于导带中有电子占据的量子态数目,二,.,价带中空穴浓度：,价带中空穴数：,1,此处以电子能量为尺度来计算的，积分区间：应为价带下限,价带底部；仿前可得：,：,价带顶有效状态密度,成立条件：非简并，且,（实际数个,kT,即可）,若重穴带和轻穴带在价带顶简并，则空穴总浓度应等于两个空穴带中空穴的总和,而 且,对,Si,：,重空穴带中的空穴占价带空穴总数的,80,以上,2,三,.,载流子浓度乘积：,由（,3,12,）（,3,13,）可见：,E,F,决定,n,，,p,；但对同一半导体，给定,T,，,杂质含量、种类不同,E,F,位置会变化,n,，,p,位置随之改变,但载流子浓度的积与,n,，,p,，,E,F,等无关，即：,(3-14,E,F,应为,E,v,),即非简并情况下，对给定半导体，,在,T,一定时，载流子浓度乘积为常数,成立条件：在热平衡条件下，对非简并的本征、杂质半导体都成立,特点与,E,F,无关,*但对简并的本征半导体，有非平衡载流子（,3,14,）不再成立,3,3.3,本征半导体载流子浓度,1,本征半导体：无杂质、低缺陷,E,F,n,o,n,p,主要由材料自身性质决定；本征激发： （热激发）,2,本征费米能级,E,i,：本征半导体的,E,F,由电中性条件可得,由 得：,第二项,本征激发,掺杂得载流子浓度,例：对,Si,含 杂质，,RT,300K,几乎全部电离,所以，若要 ，要求杂质 不可能！,4,电子或空穴的另一种表达方式：前节用,N,c,N,c,E,F,表示,n,，,p,，也可用,n,i,p,i,E,i,来表示：,6,意义：,1,掺杂,E,F,偏离,E,i,；,N,型掺杂,E,F,偏向导带,P,型掺杂,E,F,偏向价带,2,掺杂,E,F,偏离,E,i,； ,3,给定,T,：热平衡载流子浓度积,等于本征载流子浓度,n,i,的平方，且与所含杂质无关,对本征和非简并半导体都成立,4T,很高时，本征载流子浓度,杂质载流子浓度,性能随,T,变，不稳定 器件极限工作温度,7,3.4,（非本征）杂质半导体的载流子浓度：,一,.,杂质能级占据几率：,1,杂质能级上电子占据情况：,1,晶体能带：,a,，电子在整个晶体中做共有化运动,b,，每个电子运动能级有两个反自旋量子态,c,，电子间相互作应很弱，两个态相互独立,即一个态被占据，不影响另一态被反自旋电子占据,d,，服从费米运动,2,杂质能级：,a,，电子被杂质束缚的局域态,b,，未被占据的态可能被两种不同自旋的电子占据,c,，两自旋态是相关的；即当一个电子以任一自旋方式占据某杂质,能级后，即不可能有第二个电子占据该能级的另一自旋态,以类氢施主为例：施主俘获一个电子后，静电斥力将使另一自旋态能量,显著提高,引起简并,8,*,注意：此简并与半导体简并不同,半导体简并使费米能级接近带边（甚至进入带边）产生简并,d,，不能用费米分布确定电子占据杂质能级的几率,例一，施主能级：,a,，可接受具有任意自旋的电子,b,，不接受任何电子,IV,掺杂,V,族,引入施主能级：,a,，接受一个任意自旋电子（中性态）,b,，没有电子（电离态）,例二，,受主能级：,a,，接受任意自旋的电子,b,，有两个成对的电子成共价键,族本征,族掺杂,受主能级：,a,，一个任意自旋的电子（中性态）,b,，两个成键电子（电离态）,或用空穴表述为：受主能级：,a,，可接受任意自旋的空穴（中性态）,b,，没有空穴（电离态）,2,电子和空穴占据杂质能级的几率：用化学势法可标出,9,1,电子占据施主能级,ED,的几率：,施主能级被空穴占据的几率：,2,空穴占据受主能级的几率：,受主能级被电子占据的几率：,10,二，杂质能级上的电子和空穴浓度：,N,D,施主浓度，,N,A,受主浓度,杂质量子态密度,1,，施主能级：,1,电子占据施主能级,未电离,(,电中性,),不提供电子载流子,施主能级上的电子浓度：,2,电离施主浓度,施主能级空 ,提供载流子的数目,2,，受主能级：,1,空穴占据受主能级,未电离,(,电中性,),不提供空穴载流子,11,2,电离受主浓度：,3,，重要公式（,3,21,）（,3,22,）（,3,23,）（,3,24,）的意义：,1,， 远在 之上，是电子高能态,2 ,远在 之下，电子杂质能级是低能态，则,3,当,远在 上,受主未电离，因杂质能级上空,穴能量低，所以,4,反之当 ，即 远在 之下,受主全电离，因杂质,能级上空穴能量高，所以,12,三，杂质半导体的载流子浓度：,电中性条件：热平衡下，半导体处于不带电状态,1,，一般电中性条件：,单位体积内：,n,个导带电子，,ne,电荷；,P,个空穴，,+,P,e,电荷,个电离施主（给出电子带正电）： 电荷,个电离受主（接受电子带负电）：,所以空间电荷密度,如杂质分布均匀,空间电荷处处为,0,（,3,25,）,即导带电子数,n, 受主浓度,N,A,施主能级电子浓度,n,D,=,价带空穴,P,施主浓度 受主空穴浓度,2,，仅一种杂质时，以,N,型半导体为例：,（,3,25,） 或,n,= P + (,N,D,n,D,),（,3,26,）,N,D,n,D,：电离施主，提供导带电子数,13,1,弱电离区（低温）：多数施主未电离，仍被电子占据,相当于 ，,本征电离 更少，忽略不计,故空穴浓度： （,3,27,应为,p,）,此时，因 可用类似波尔兹曼分布，将 代入可得：,（,3,28,）,代入（,3,12,）可得 ：,（,3,29,）,a,，对（,3,29,）取对数可得 ，由斜率可求得,b,，对（,3,28,）有,T,时， 先；到 时，达到极大,14,随后,； ，,如,P63 Fig3,9,仿此对,P,型半导体得受主能级杂质有： 时,（,3,30,）,（,3,31,）,2,中等电离区： ，,1/3,施主电离，由电中性条件：,可解得：,（,3,32,）,（,3,33,）,（,3,34,）,15,解法：,，代入上式得：,解此,n,的二次方程得,(,E,F,-Ec,均应为,Ec-E,D,),：,令 （施主电离能）；,即得（,3,33,）,16,3,强电离区： ， （饱和电离，杂质全部电离）,由（,3,33,）和,1,， 远在 之下,（,3,36,）在第二项,的情况称为非本征情况,20,3.,多数载流子小结：以,N,型为例说明,P.63,F.3-9, P.65,F.3-10,和,P.67,F.3-11,也影响,即,载流子浓度,n(,或,P),和费米能级,由杂质浓度和,T,共同决定,按,T,分为：低温区,( 500K ) ;,本征区,电中性条件： ； 或 ； ；,杂质能级,:,低能态,所以可由电中性条件，利用,f,D,与,n,的关系, 求,E,F,再求,n,（或,P,）,21,意义：,T,变 变,反映电子填充情况,a.,低温： 在 之上,此时 先随,T,后随,T,b.,中温： 变到 之下,n,是高能态,空的几率大,电离,c.,高温：,杂质全部电离本征跃迁，且本征为主,d.,的意义：,1,位置反映了半导体导电类型 ；,2,位置反映掺杂水平,e.,杂质浓度与本征 关系：,如,P.70, F.3,14,，当杂质浓度 时：,1,多数载流子随掺杂浓度的增加而,22,2,少数载流子则随掺杂,而,3,两者的积仍保持 的关系。,4.,少数载流子浓度：少子包括,n,型中的空穴，,P,型中的电子，强电离时：,1N,型中有：多子浓度 ，所以由,即为少子浓度 （,3,49,）,2P,型：多子浓度 少子浓度 （,3,50,）,讨论：,1,少子浓度与本征浓度 成正比，而和多子浓度成反比,2,在饱和区内，多子浓度不变，而,T,少子,23,
展开阅读全文