半导体芳新建物理.pptx

;§3.4 杂质半导体的载流子浓度Carriers Concentrition of Iimpurity-Doped Semiconductors;一、杂质能级上的电子和空穴;对于Ge、Si和GaAs：;ND：施主浓度NA：受主浓度（1）杂质能级上未离化的 载流子浓度nD和pA ：;（2）电离杂质的浓度;假设只含一种n型杂质。在热平衡条件下，半导体是电中性的： ;;n型Si中电子浓度n与温度T的关系：;即：;1、杂质离化区;见下图所示：;（1）低温弱电离区：特征： nD+ ND 弱电离;;讨论：EF随温度T的变化;(2)中间电??区：本征激发仍略去，随着温度T 的增加，nD+已足够大，故直接求解方程(8);;（3）强电离区：特征：杂质基本全电离 nD+≌ND电中性条件简化为 n0=ND （18）;这时，;强电离与弱电离的区分 ;决定杂质全电离(nD+≧90%ND）的因素;2、过渡区：;;;讨论：;N0p0，这时的过渡区接近于强电离区。;Carriers Concentrition of Iimpurity-Doped Semiconductors;;;杂质离化区 过渡区 本征激发区  n0=nD+ n0=ND+p0 n0=p0= ni ;5 杂质半导体的载流子密度 ;杂质能级上的电子或空穴占据几率 : 杂质部分电离的情况下，在一些杂质能级上就有电子占据着。例如在未电离的施主杂质和已电离的受主杂质的杂质能级被电子所占据。 施主杂质能级只可能被一个有任意自旋方向的电子所占据 : ;空穴占据受主能级几率： 施主浓度ND和受定浓度NA就是杂质的量子态密度 施主能级上的电子浓度(即未电离的施主浓度)为 电离的施主浓度nD+为 ;受主能级上的空穴浓度 (即未电离的受主浓度)为：;电离的受主浓度nA+为 杂质能级与费米能级的相对位置明显反映了电子和空穴占据杂质能级的情况 当; 即当费米能级EF远在ED之下时，可以认为施主杂质几乎全部电离．反之，施主杂质基本上没有电离．当EF＝ED时，nD=1/3ND,而nD+＝1／3 ND,，即施主杂质有1／3电离，还有2／3没有电离。 同理，在费米能级EF远在EA之上时，受主杂质几乎全部电离了。反之受主杂质基本上没有电离．当EF＝EA时，受主杂质有l／3电离，还有2／3没有电离。;n型半导体 对只含施主杂质的为n型半导体，电中性条件为： no＝p0十nD+ 等式左边是单位体积中的负电荷数，实际上为导带中的电子浓度；等式右边是单位体积中的正电荷数，实际上是价带中的空穴浓度与电离施主浓度之和???带入表达式 ;按温度分区讨论： 低温弱电离区：当温度很低时，大部分施主杂质能级仍为电子所占据、只有很少量施主杂质发生电离，少量的电子进入了导带，这种情况称为弱电离。从价带中靠本征激发跃迁至导带的电子数就更少了，可以忽略不计，导带中的电子全部由电离施主杂质所提供。 因此p0＝0, n0＝nD+ 因nD+ND，所以 故: ;T→0K时， ;l??费米能级位于导带和施主杂质能级中间。 l??费米能级和温度关系：存在一极值： 在NC=NDe-3/2≈0.11ND达到极值。 此式取对数，由lnn0T-3/4和T关系为一直线。通过实验测定其斜率可确定出杂质电离能，得到杂质能级的位置。 ; 温度继续升高，当2NC＞ND后，EF表达式中第二项为负值。这时EF下降到 (Ec+ED)/2以下。 当EF＝ED时， 则施主杂质1 /3电离。;强电离区：当温度升高至大部分杂质都电离时称为 强电离 n0≈nD+≈ND， 载流子浓度与温度无关。 载流子浓度保持等于杂质浓度的这一温度范围称为饱和区。 这时EF－EDk0T，费米能级EF下降到ED以下。;在强电离时： 费米能级由温度及施主杂质浓度所决定； 由于在一般掺杂浓度下NC＞ND，EF第二项是负的。在一定温度下，ND越大，EF就越向导带方面靠近。而在ND一定时、温度越高，EF就越向本征费米能级Ei方面靠近。 达到杂质全部电离，杂质浓度应有限度。如认为施主全部电离的