第三章半导体中载流子的统计分布(4)王如刚() (1)PPT课件

EF
Ev
2
EA
k0T 2
ln
NA 2Nv
1
p0
NA Nv 2
2
exp
EA 2k0T
强电离（饱和区）：EF
Ev
N
k0Tln
A
Nv
p0 NA
过渡区：
D 2NNvAexpkE0TA
pADNA
E F E i k 0 T 1 s 2 N h n A i p 0 N 2 A 1 1 4 N n A 2 i2 1 2 n 0 2 N n A i2 1 1 4 N n A 2 i2 1 2 1
exp
EF ED k0T
1
施主杂质有1/3电离
9
(3)强电离区
当温度升高至大部分杂质都电离时称为强电离。
此时， nD ND
nD N DnDN D1fDE12ex N p D ED k0 TEF
ex Ε p F k 0T ED 1 , 或 EDEFk 0T
Nc
exp
Ec EF k0T
N型半导体的费米能级和本征半导体费米能级相比如何？
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饱和区： n0=ND，此时载流子浓度与T无关
(4)过渡区 处于饱和区和完全本征激发之间时称为过渡区
此时， n0 NDp0
n0
ND 2
1 2
N
2 D
4 ni2
p0 n0 ND
n0
p0
ni2
p0
ND 2
1 2
N
2 D
4 ni2
EF
Ei
k0T
受主能级上的空穴浓度pA为：
即没有电离的受主浓度
pANAfAE112exN pA EFk0TEA
电离施主浓度为：nD N DnDN D1fDE12ex N p D ED k0 TEF
电离受主浓度为：pA N ApAN A1fAE12ex N p A EF k 0T EA
4
（1）低温弱电离区
ln
N
D
N
2 D
4 ni2
2ni
表明n0和p0数量接近，都趋于ni，过渡区内更接近本征激发情况12 。
(5)高温本征激发区
T↑，n0>>ND，p0>>ND 电中性条件：n0=p0 杂质浓度越高，达到本征激发起主要作用的温度也越高。
n型硅中电子浓度与温度关系 低温弱电离，施主杂质电离产生导带电子
ND
EF
Ec
k0T
ln
ND Nc
10
EF Ec k0TlnNNcD
EFEC 2EDk2Tln2N N (D C)
Ef由温度T和施主杂质浓度所决定，(低温弱电离的区别) 一般掺杂情况下 Nc ND
在温度一定时，施主浓度越大，费米能级向导带方面靠近。 当施主浓度一定时，温度越高，费米能级向本征费米能级靠近。
T增加，费米能级从施主能级以上下降到以下
ED－EF> k0T，饱和区
T增加，本征激发作用加强，过渡区，EF下降
电子由杂质电离和本征激发共同作用
T增加，本征激发作用为主，EF下降到禁带中线
载流子浓度急剧上升
13
硅的费米能级与温度及杂质浓度的关系 14
3.p型半导体的载流子浓度（作业）
低温弱电离区：
其，中 NCT3/2
NC0.11ND
EC ED 2
6
EFEC 2EDk2Tln2N N (D C) 代回 n0NCex pE(Ck 0TEF)
n 0 N D 2 N C 1 /2ex E C p 2 k 0 T E ( D ) N D 2 N C 1 /2ex 2 k p E 0 T D )(
n0NC1/2ex p2(kE0T D)
n0
T3/4e
xp(ED) 2k0T
ND 中间电离区
7
本节课的内容
8
(2)中间电离区
EFEc 2EDk2 0Tln2N N Dc
ND 中间电离区
T↑ 2Nc>ND
EF下降至
Ec ED 以下
2
当温度升高到EF=ED时，
nD N DnDN D1fDE12ex N p D ED k0 TEF
高温本征激发区；（同前）
15
结论：
杂质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。 ( 与本征区别)
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 杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要来源的过程，EF从 杂质能级附近→禁带中线处。
温度一定时，费米能级的位置由杂质的种类和浓度决定，费米能 级的位置反映导电类型和掺杂水平。
16
3.4 杂质半导体的载流子浓度
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
17
不同掺杂情况下的费米能级
强p型
弱p型
本征
弱n型
强n型
当温度很低时，大部分施主杂质被电子占据，只有 少数杂质电离，使少量电子进入导带，称作低温弱 电离。此时本征激发忽略不计，所以 n0=nD+
5
（1）低温弱电离区
n0=nD+<<ND
n0N Cexp E C k 0 (T E F)12ex N D p E D (E F)nD k0T
EFEC 2EDk2Tln2N N (D C)
上节课的内容
1
ห้องสมุดไป่ตู้
整体概况
概况一
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01
概况二
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02
概况三
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03
2
n0
Nc
exp
Ec EF k0T
p0
Nv
exp
Ev EF k0T
n0=p0
N cex p E ck 0T E F N vex p E F k 0T E v
电子填充水平最低，EF最低
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特征
电中性
载流子浓度
费米能级
弱电离 导带电子从施主 电离产生
中间电离 导带电子从施主 电离产生
强电离（饱和） 导带电子浓度等 于施主浓度
过渡区 导带电子来源于 全部杂质电离和 部分本征激发
p0=0
n0=
n
D
同上
nD ND
n0 NDp0
1
n0
NDNc 2
2
exp2kE0TD
取对数
EFEc 2Evk2 0TlnN Nv c
Nc、Nv代入
EFEc2Ev 3k40Tlnm mnp**
所得本征半导体的费米能级EF常用Ei表示
3
施主浓度ND和受主浓度NA就是杂质的量子态密度
电子和空穴占据杂质能级的概率分别是 fDE和 fAE
施主能即级没上有的电电离子的浓施主度浓nD度为：nDNDfDE112exN pD EDk0TEF
nD
2 3
ND, n0
1 3
ND
(EF ED)