半导体物理ppt课件.ppt

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1、第三章半导体中载流子的统计分布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3.5一般情况下的载流子统计分布1第三章023.3本征半导体的载流子浓度1.本征半导体的载流子浓度2.本征半导体的费米能级所谓本征半导体就是一块没有杂质和缺陷的半导体。在热力学温度零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态都是空的，也就是说，半导体中共价键是饱和的、完整的。当半导体的温度T>0K时，就有电子从价带激发到导带去，同时价带中产生了空穴，这就是

2、所谓的本征激发。由于电子和空穴成对产生，导带中的电子浓度n0应等于价带中的空穴浓度p0，即n0=p0取对数后得到将Nc，Nv代入得到本征费米能级对于Si，Ge，GaAs，有效质量之比分别为0.55,0.56,7.0,室温下k0T=0.026eV,而它们的Eg约1ev。所以本征半导体的费米能级基本上在禁带中线处。例外InSb（锑化铟）Eg=0.17ev，而mp*/mn*=32,本征费米能级Ei已经远在中线之上。对于本征半导体n0,p0与ni?式中Eg=Ec－Ev，为禁带宽度。从上式看出，一定的半导体

3、材料，其本征载流子浓度ni随温度的升高而迅速增加;不同的半导体材料，在同一温度T时，禁带宽度越大，本征载流子浓度ni就越小。由本征费米能级的定义，本征载流子浓度可以写成在一定温度下，要使载流子主要来源于本征激发，杂质含量不能超过一定限度。如室温下，Ge低于10-9，Si低于10-12,GaAs低于10-15300K下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度各项参数Eg(eV)mn*(mdn)mp*(mdp)Nc(cm-3)Nv(cm-3)ni(cm-3)(计算值）ni(cm-3)(测量值）Ge0.670.5

4、6m00.37m01.05×10195.7×10182×10132.4×1013Si1.121.08m00.59m02.8×10191.1×10197.8×1091.5×1010GaAs1.4280.068m00.47m04.5×10178.1×10182.3×1061.1×107一般半导体器件中，载流子主要来源于杂质电离，而将本征激发忽略不计。在本征载流子浓度没有超过杂质电离所提供的载流子浓度的温度范围，如果杂质全部电离，载流子浓度是一定的，器件就能稳定工作。但是随着温度的升高，本征载流子浓度迅

5、速地增加。例如在室温附近，纯硅的温度每升高8K左右，本征载流子浓度就增加约一倍。而纯锗的温度每升高12K左右，本征载流子浓度就增加约一倍。当温度足够高时，本征激发占主要地位，器件将不能正常工作。因此，每一种半导体材料制成的器件都有一定的极限工作温度，超过这一温度后，器件就失效了。例如，一般硅平面管采用室温电阻率为1欧姆.厘米左右的原材料，它是由掺入5x1015cm-3的施主杂质锑而制成的。在保持载流子主要来源于杂质电离时，要求本征载流子浓度至少比杂质浓度低一个数量级，即不超过5x1014cm-3。

6、如果也以本征载流子浓度不超过5x1014cm-3的话，通过查得对应温度为526K，所以硅器件的极限工作温度是520K左右。锗的禁带宽度比硅小，锗器件极限工作温度比硅低，约为370K左右。砷化稼禁带宽度比硅大，极限工作温度可高达720K左右，适宜于制造大功率器件。禁带宽度越大，达到本征激发占主导的温度就越高。总之，由于本征载流子浓度随温度的迅速变化，用本征材料制作的器件性能很不稳定，所以制造半导体器件一般都用含有适当杂质的半导体材料。3.4杂质半导体的载流子浓度一、杂质能级上的电子和空穴二、n型半导

7、体的载流子浓度和费米能级三、p型半导体的载流子浓度和费米能级在非本征情形:热平衡时:n型半导体：n0大于p0p型半导体：p0大于n0多子：多数载流子n型半导体：电子p型半导体：空穴少子：少数载流子n型半导体：空穴p型半导体：电子实际应用的半导体—掺杂的非本征半导体，由于杂质的存在,载流子的来源为本征激发和杂质电离提供。n0=施主杂质电离提供的电子＋价带跃迁到导带的电子p0=受主杂质电离提供的空穴＋价带跃迁到价带的空穴一、电子和空穴在杂质能级上占据的几率决定电子在某一能级上的占有几率的费米分布是在各

8、能级相互独立的情况下适用，电子对某一能级的占据不影响另一能级的占据，在价带和导带中是如此的，每个能级能容纳自旋相反的两个电子，但在施主和受主杂质能级上则不是如此的，一个施主能级要么被自旋向上的电子占据，要么被自旋向下的电子占据，要么空的。即施主能级不用许被自旋方向相反的两个电子占据，所以不能使用电子的费米分布函数来描述。可以证明电子占据施主能级的概率是：空穴占据受主能级的概率是gD是施主能级的基态简并度，gA受主能级的基态简并度，对锗、硅、砷化镓等材料，gD=2，gA=4（1）施主