半导体物理与器件基础-第3章.ppt

雷天民半导体物理与器件基础雷天民西Ⅱ-206leitianmin@163.com第三章半导体中载流子的统计分布状态密度费米能级和载流子的统计分布本征半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度一般情况下的载流子统计分布简并半导体Si中禁带窄化与施主浓度的关系本章小结热平衡载流子、k空间量子态、导带底电子状态密度、价带顶状态密度、状态密度有效质量费米分布、玻耳兹曼分布导带中的电子密度、价带中的空穴密度费米能级、本征半导体、本征激发电中性条件、强电离、杂质电离能、本征载流子浓度、少子浓度简并半导体、简并化条件载流子冻析效应、禁带窄化效应未电离的受主浓度4）电离的受主浓度pA-为：3）受主能级上的空穴浓度pA为：当EF-EAkBT时，即EA远在EF之下，pA≈0，pA-≈NA受主杂质几乎全部电离!EF=EA中间电离区pA+=NA/3计算费米能级，多子、少子浓度的一般方法：利用电中性条件，确定该状态下的费米能级EF；当温度T和费米能级EF确定后可以利用下面公式计算出多子浓度；二、n型半导体的载流子浓度最后根据热平衡基本关系式n0p0=ni2求出少子浓度。电中性条件：在一定温度下，虽然半导体内存在一定数量的带电粒子（包括载流子和离化杂质等），但对无其他条件作用的均匀半导体，仍是处于电中性状态。其条件为半导体内任一点附近，单位体积内的净电荷数为零（即空间电荷密度为零）。通常半导体中的空间电荷由以下4部分组成正电荷：价带空穴p0及电离施主nD+负电荷：导带电子n0及电离受主pA-热平衡时电中性条件：对于只含一种施主杂质的n型半导体，电中性条件为1）低温杂质电离区由于温度很低，施主杂质上的电子只有部分电离。而禁带宽度一般比施主杂质电离能大很多，因此本征激发可以忽略，即可忽略空穴浓度p0。所以电中性条件化简为取对数后化简可得ETEcEDNc=0.11NDlnn0T-3/41/T2）中间电离区T↑,Nc↑，当2Nc＞ND后，EF下降至(Ec+ED)/2以下；当温度升高到使EF=ED时，施主杂质有1/3电离。ETEcEDNc=0.11ND3）强电离区（温度升高至大部分杂质都电离）当ED-EFkBT时EF远在ED之下nD+≈NDnD≈0EF远在ED之下，施主杂质几乎全部电离！n0=ND，与温度无关，半导体处于饱和区！即:费米能级EF由温度T及施主杂质浓度ND所决定。在一定温度T时，ND越大，EF就越向导带方向靠近。而在ND一定时，温度越高，EF就越向本征费米能级Ei方向靠近。室温时硅中施主杂质全部电离的浓度上限当ED-EFkBT时，施主能级上的电子浓度(未电离的施主浓度)nD=NDfD(E)简化为:室温时硅中Nc=2.8x1019cm-3,ni=1.5x1010cm-3,磷的电离能为0.044eV。若认为杂质90%已电离(10%未电离)为基本全部电离的条件，则磷的浓度上限为3x1017cm-3。磷的浓度下限为1.5x1011cm-3时才可保证载流子的浓度杂质以电离为主(杂质浓度比本征载流子浓度至少高一个数量级)。D-是未电离施主占施主杂质数的百分比。D-的大小与温度、杂质浓度和杂质电离能有关。当半导体处于施主杂质几乎全部电离的饱和区和完全本征激发区之间时称为过渡区；此时,导带中的电子一部分来源于全部电离的杂质，另一部分来源于本征激发，价带中产生了一定量的空穴；电中性条件：4）过渡区当NDni时当NDni时4）高温本征激发区当本征激发产生的本征载流子数远多于杂质电离所产生的载流子数时，半导体进入本征激发区。在本征激发区：n0=p0ND电中性条件：n0=p0图中n型硅在低温时电子浓度随温度的升高而增加。温度升到100K时，杂质全部电离，温度高于500K后，本征激发开始起作用。所以温度在100K到500K间杂质全部电离，载流子浓度基本上就是杂质浓度。三、p型半导体的载流子浓度对于只含一种受主杂质的p型半导体，可得低温杂质电离区强电离（饱和）区过渡区不同掺杂情况下的费米能级掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度所决定。对于杂质浓度一定的半导体，随着温度的升高，载流子则是从以杂质电离为主来源过渡到以本征激发为主要来源的过程。相应地，费米能级