第15章 平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體

第15章平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體15.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)15.2本征半導(dǎo)體和雜志半導(dǎo)體15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析15.4簡并半導(dǎo)體第15章平衡狀態(tài)下的半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶Eg

禁帶寬度≈2ev熱平衡狀態(tài)的定義除了熱交換之外，沒有其他能量的介入，這樣形成的半導(dǎo)體的動態(tài)平衡狀態(tài)，稱為熱平衡狀態(tài)金屬中只有一種載流子：電子半導(dǎo)體中有兩種載流子：導(dǎo)帶底的電子價帶頂?shù)目昭ㄈ菀总S遷電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)——E(K)~K只分析導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)腅~K關(guān)系E~K的泰勒展開，一階項(xiàng)因?yàn)槭菢O值而為零導(dǎo)帶底價帶頂電子有效質(zhì)量空穴有效質(zhì)量電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)——E(K)~K對于各向同性的物質(zhì)，在K=0處應(yīng)該有：同理：價帶頂導(dǎo)帶底電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)——K空間等能面等能面：在狀態(tài)空間中，能量相等的狀態(tài)構(gòu)成的曲面，叫等能面各向同性晶體極值附近的等能面討論：各項(xiàng)同性晶體導(dǎo)帶底電子的等能面為球面電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)——K空間等能面各向異性的晶體極值附近的等能面討論：各項(xiàng)異性晶體導(dǎo)帶底電子的等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)——Ge的能帶結(jié)構(gòu)有效質(zhì)量可以根據(jù)回旋共振實(shí)驗(yàn)測得，再經(jīng)過理論分析可得半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)Ge的能帶結(jié)構(gòu)1.導(dǎo)帶極小值發(fā)生在<111>的布區(qū)邊緣；共8個；2.價帶頂位于K=0（布區(qū)中心）處，有三個帶組成：重空穴帶、輕空穴帶和自旋-軌道耦合帶；等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面等能面為扭曲的球面3.Ge—間接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶底和價帶頂位于K空間的不同處；電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)——Ge的能帶結(jié)構(gòu)Ge的能帶結(jié)構(gòu)Ge的導(dǎo)帶和價帶的等能面Ge的價帶結(jié)構(gòu)電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)——Si的能帶結(jié)構(gòu)Si的能帶結(jié)構(gòu)1.導(dǎo)帶極小值發(fā)生在<100>方向布區(qū)中心到邊緣的0.85處；共6個；2.價帶最大值發(fā)生在布區(qū)中心；價帶的能帶結(jié)構(gòu)和Ge的結(jié)構(gòu)相同；等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面等能面為扭曲的球面3.Si—間接帶隙半導(dǎo)體；Si的導(dǎo)帶等面分布電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)——GaAs的能帶結(jié)構(gòu)GaAs的能帶結(jié)構(gòu)1.導(dǎo)帶極小值發(fā)生在布區(qū)中心，K=0處；（導(dǎo)帶底在外界作用下可能轉(zhuǎn)變成L方向和X方向的兩個極值上；）2.價帶的能帶結(jié)構(gòu)和Si&Ge的結(jié)構(gòu)相同；等能面為球面等能面為扭曲的球面3.GaAs—直接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶底和價帶頂位于K空間的同一位置；所以GaAs在光吸收、發(fā)射以及非平衡載流子復(fù)合方面與間接半導(dǎo)體有很大的區(qū)別電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)——Si&Ge’sEg~TEg~T關(guān)系硅：鍺：T禁帶寬度電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的定義n=p=ni

實(shí)際的半導(dǎo)體材料：有雜質(zhì)、有缺陷、雜質(zhì)缺陷決定其主要物理性質(zhì)電中性條件1、無雜質(zhì)2、無缺陷晶格完整，周期場無任何破壞電子濃度空穴濃度本征載流子濃度使半導(dǎo)體維持電中性的條件本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)電子+空穴電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體載流子的來源電子的空帶：導(dǎo)帶

電子的滿帶：價帶Eg禁帶熱運(yùn)動使得其電子從價帶跨越禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，形成導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴，并很快達(dá)到平衡本征激發(fā)T電子由價帶直接到導(dǎo)帶的躍遷過程由本征激發(fā)而產(chǎn)生的電子和空穴電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——雜質(zhì)半導(dǎo)體微量的雜質(zhì)和缺陷對半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響雜質(zhì)分類：施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)施主雜質(zhì)：雜質(zhì)向半導(dǎo)體施與電子，又叫施主，或n型雜質(zhì)受主雜質(zhì)：雜質(zhì)從半導(dǎo)體處接受電子，又叫受主，或p型雜質(zhì)半導(dǎo)體按雜質(zhì)分類：n型半導(dǎo)體（施主半導(dǎo)體）和p型半導(dǎo)體（受主半導(dǎo)體）我們以IV族元素中摻入III族和V族為例來進(jìn)行描述電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——n型半導(dǎo)體IV族晶體（Si晶體為例）摻入微量V族原子（P原子）SiSiSiSiSiSiSiP空帶：導(dǎo)帶滿帶:價帶Eg物理模型簡化能帶結(jié)構(gòu)雜質(zhì)能級電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——n型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSiPn型電子運(yùn)動過程分析1參數(shù)介紹：Eg?EDEg:禁帶寬度ECEVEDEC:導(dǎo)帶底；Ev:價帶頂；ED:施主能級，施主束縛電子的能量，為孤立能級，能量不連續(xù)，用虛線表示——更靠近導(dǎo)帶底；?ED

:雜質(zhì)（施主）電離能，束縛電子擺脫原子束縛所需克服的能量；電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——n型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSiPn型電子運(yùn)動過程分析2運(yùn)動過程介紹：Eg?EDECEVED1231、束縛態(tài)：電子被束縛在原子（施主能級上）2、雜質(zhì)（施主）電離：施主能級上的電子吸收了不小于?ED的能量后，發(fā)生電離，擺脫P(yáng)原子的束縛3、離化態(tài)：電子完全擺脫了原子的束縛，在晶體中運(yùn)動正電中心電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——n型半導(dǎo)體n型電子運(yùn)動過程分析3Eg?EDECEVED1、由于施主電離能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于禁帶寬度，所以，施主電離比本征激發(fā)更容易發(fā)生2、所以n型半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是導(dǎo)帶帶負(fù)電的電子，這也是n型半導(dǎo)體名稱的來源；電子為多數(shù)載流子；空穴為少數(shù)載流子；n型雜質(zhì)的摻入增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力3、一般來說，施主能級更靠近導(dǎo)帶底電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——p型半導(dǎo)體IV族晶體（Si晶體為例）摻入微量III族原子（B原子）物理模型簡化能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價帶EgSiSiSiSiSiSiSiB電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——p型半導(dǎo)體電子運(yùn)動過程分析1參數(shù)介紹：Eg:禁帶寬度EV?EAEgECEAEC:導(dǎo)帶底；Ev:價帶頂；EA:受主能級，受主束縛空穴的能量，為孤立能級，能量不連續(xù)，用虛線表示——更靠近價帶頂?EA

:雜質(zhì)（受主）電離能，束縛空穴擺脫原子束縛所需克服的能量；SiSiSiSiSiSiSiB電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——p型半導(dǎo)體電子運(yùn)動過程分析2SiSiSiSiSiSiSiB運(yùn)動過程介紹：1、束縛態(tài)：空穴被束縛在原子（受主能級上）2、雜質(zhì)（受主）電離：受主能級上的空穴吸收了不小于?EA的能量后，發(fā)生電離，擺脫B原子的束縛3、離化態(tài)：空穴完全擺脫了原子的束縛，在晶體中運(yùn)動EgECEA?EA123電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——p型半導(dǎo)體電子運(yùn)動過程分析31、由于受主電離能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于禁帶寬度，所以，受主電離比本征激發(fā)更容易發(fā)生2、所以p型半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是價帶帶正電的空穴，這也是p型半導(dǎo)體名稱的來源，空穴為多數(shù)載流子；電子為少數(shù)載流子；

p型雜質(zhì)的摻入增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力3、一般來說，受主能級更靠近價帶頂EgECEA?EA123電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——類氫模型硅、鍺中摻入三、五族原子形成淺能級時，在束縛態(tài)下，模型與氫模型相似氫模型與雜質(zhì)束縛態(tài)模型的異同：H原子核束縛電子雜質(zhì)電離的過程可以近似看成與氫原子束縛電子電離的過程相似1、束縛態(tài)下的正(負(fù))電中心可以等效為H原子核；二者的束縛電子夜可以做類似的等效2、氫模型中束縛電子脫離氫原子的過程（電離）可以與雜質(zhì)電離等效3、不同在于，氫原子束縛電子在自由空間中運(yùn)動，而半導(dǎo)體雜質(zhì)束縛的電子在周期場中運(yùn)動電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——類氫模型淺能級雜質(zhì)電離能——類氫模型的討論氫模型施主受主能級公式基態(tài)電離能公式雜質(zhì)電離能公式修正見表15.2.1電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——類氫模型

Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在硅、鍺晶體中的電離能(eV)晶體Ⅴ族雜質(zhì)電離能ΔED

Ⅲ族雜質(zhì)電離能ΔEA

PAsSbBAlGaInSi0.0440.0490.0390.0450.0570.0650.16Ge0.01260.01270.00960.010.010.0110.011淺能級計算Si、Ge雜質(zhì)電離能(eV)電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.2本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體——雜質(zhì)補(bǔ)償單摻雜的半導(dǎo)體，其極性取決于雜質(zhì)性質(zhì)；雜質(zhì)補(bǔ)償：施受同摻，其極性決定于濃度大者EAECEVED補(bǔ)償電離雜質(zhì)電離補(bǔ)償電離雜質(zhì)電離施主濃度受主濃度補(bǔ)償電離比雜質(zhì)電離更容易發(fā)生有效雜質(zhì)濃度不能通過雜質(zhì)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)本征半導(dǎo)體電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析本節(jié)將要討論的問題1、平衡非簡并半導(dǎo)體的載流子濃度公式2、平衡非簡并半導(dǎo)體的性質(zhì)分析n0&p0對n0、p0的討論將討論本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體n0、p0濃度隨溫度、摻雜的變化以及費(fèi)米能級EF的變化等……電子濃度空穴濃度體積電子統(tǒng)計分布導(dǎo)帶狀態(tài)密度價帶狀態(tài)密度空穴統(tǒng)計分布導(dǎo)帶頂價帶底電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析關(guān)于平衡狀態(tài)和非簡并的說明1、熱平衡狀態(tài)產(chǎn)生=復(fù)合動態(tài)平衡電子空穴對的產(chǎn)生電子空穴對的湮滅2、非簡并狀態(tài)載流子濃度不高狀態(tài)被電子占據(jù)幾率不大狀態(tài)簡并化的幾率不大電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——狀態(tài)密度導(dǎo)帶底的和價帶頂?shù)臓顟B(tài)密度：DC(E)&DV(E)從金屬能態(tài)密度到半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的狀態(tài)密度金屬半導(dǎo)體導(dǎo)帶底導(dǎo)帶底的狀態(tài)密度電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——狀態(tài)密度導(dǎo)帶底的和價帶頂?shù)臓顟B(tài)密度：DC(E)&DV(E)同理導(dǎo)帶底的狀態(tài)密度價帶頂?shù)臓顟B(tài)密度EDC(E)對電子而言EDV(E)對空穴而言電子和空穴能量相反電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——統(tǒng)計分布非簡并半導(dǎo)體服從玻爾茲曼統(tǒng)計分布非簡并半導(dǎo)體載流子濃度低同一能級被兩個電子占據(jù)的幾率低不受泡利不相容原理限制費(fèi)米分布與經(jīng)典分布統(tǒng)一選擇玻爾茲曼統(tǒng)計分布費(fèi)米分布玻爾茲曼分布電子統(tǒng)計分布空穴統(tǒng)計分布E-EF>>kBTEF-E>>kBT費(fèi)米能級位于禁帶中并且與導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于kBT簡并半導(dǎo)體必須服從費(fèi)米分布電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——統(tǒng)計分布無法區(qū)分處電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——載流子濃度公式平衡非簡并半導(dǎo)體電子濃度公式的討論：n01、我們已經(jīng)討論了狀態(tài)密度和統(tǒng)計分布的公式；2、積分限的討論：由于電子在導(dǎo)帶頂以上分布基本為0，故可以將積分上限由EC/變?yōu)椤?，不影響結(jié)果；電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——載流子濃度公式平衡非簡并半導(dǎo)體電子濃度公式的討論：n0電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——載流子濃度公式電子濃度公式的理解：n0導(dǎo)帶底的玻爾茲曼統(tǒng)計分布幾率導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度假設(shè)導(dǎo)帶中所有的量子態(tài)都集中在導(dǎo)帶底EC時的狀態(tài)密度同理可得，空穴濃度公式：p0價帶頂?shù)牟柶澛y(tǒng)計分布幾率價帶的有效狀態(tài)密度假設(shè)量子態(tài)都集中在EC,其狀態(tài)密度為NC，則NC再乘以EC處的統(tǒng)計分布就是導(dǎo)帶的電子濃度電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——載流子濃度公式從公式上看，影響載流子濃度的因素1、T2、EF3、材料電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——載流子濃度公式電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——n0p0溫度一定，材料一定，平衡非簡并半導(dǎo)體的電子濃度和空穴濃度之積為常數(shù)本征載流子濃度的平方溫度一定時為常數(shù)與摻雜無關(guān)電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——本征半導(dǎo)體討論討論步驟電中性條件EF討論n0&p0討論結(jié)論從本征半導(dǎo)體的電中性條件開始……本征費(fèi)米能級幾個數(shù)據(jù)說明硅、鍺砷化鎵常溫下（300K）對于硅鍺砷化鎵而言禁帶中央對于硅鍺砷化鎵而言，本征費(fèi)米能級Ei位于禁帶中央附近電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——本征半導(dǎo)體討論關(guān)于本征載流子的討論常溫下電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——本征半導(dǎo)體討論本征半導(dǎo)體的一些結(jié)論1、電中性方程2、對于常見半導(dǎo)體，本征費(fèi)米能級位于禁帶中央附近3、本征載流子ni的唯一來源是本征激發(fā)，其濃度隨著溫度T的增加呈指數(shù)迅速增加；常溫下，本征激發(fā)不顯著；電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論假設(shè)一個施主和受主共摻的半導(dǎo)體，其施主濃度為ND，受主濃度為NAEA→NAEC→NCEV→NVED→ND本征激發(fā)施主電離受主電離NC、NV、ND、NA分別為EC、EV、ED、EA能級上的狀態(tài)密度（或有效狀態(tài)密度）電子空穴正電中心負(fù)電中心先不考慮雜質(zhì)補(bǔ)償電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論導(dǎo)帶電子的來源：本征激發(fā)+施主電離價帶空穴的來源：本征激發(fā)+受主電離半導(dǎo)體中正電荷：價帶空穴+正點(diǎn)中心半導(dǎo)體中負(fù)電荷：導(dǎo)帶電子+負(fù)電中心電中性條件電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論類型環(huán)境條件電中性條件載流子來源本征完全來源于本征激發(fā)n型

低溫弱電離

本征激發(fā)不顯著（忽略），載流子來源于不完全電離的施主電離常溫本征激發(fā)不顯著（忽略），施主電離完全高溫本征激發(fā)非常顯著高溫過渡區(qū)本征激發(fā)不可忽略，施主電離完全電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論類型環(huán)境條件電中性條件載流子來源p型

低溫弱電離

本征激發(fā)不顯著（忽略），載流子來源于不完全電離的受主電離常溫本征激發(fā)不顯著（忽略），受主電離完全高溫本征激發(fā)非常顯著高溫過渡區(qū)本征激發(fā)不可忽略，受主電離完全電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論類型環(huán)境條件電中性條件載流子來源施受同摻

常溫完全電離的雜質(zhì)電離低溫

本征激發(fā)不顯著（忽略），載流子來源于不完全電離的雜質(zhì)電離考慮雜質(zhì)補(bǔ)償電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論關(guān)于電離施主濃度和電離受主濃度的討論施主能級上的電子濃度孤立雜質(zhì)能級上費(fèi)米分布的修正電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論受主能級上的空穴濃度孤立雜質(zhì)能級上費(fèi)米分布的修正電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論雜質(zhì)能級和雜質(zhì)電離程度費(fèi)米能級與施主能級重合，1/3電離費(fèi)米能級遠(yuǎn)在施主能級之下，完全電離費(fèi)米能級在施主能級之上，基本無電離受主電離的討論與之類同電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論n型半導(dǎo)體→低溫弱電離區(qū)弱電離兩邊取對數(shù)電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論n型半導(dǎo)體→低溫弱電離區(qū)1.絕對零度下，費(fèi)米能級在導(dǎo)帶底和施主能級之間2.n型半導(dǎo)體費(fèi)米能級的單調(diào)性：先升后降，拐點(diǎn)發(fā)生在NC=0.11ND處3.當(dāng)ND=2NC時，EF再次回歸(EC+EV)/2,然后繼續(xù)下降，向本征費(fèi)米能級靠攏電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論n型半導(dǎo)體→低溫弱電離區(qū)1.絕對零度時，無電離發(fā)生，載流子濃度為零；2.隨著溫度的增加，載流子濃度呈指數(shù)增加；3.當(dāng)溫度繼續(xù)增加，EF繼續(xù)下降至ED時，1/3雜質(zhì)電離電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論n型半導(dǎo)體→強(qiáng)電離區(qū)（飽和電離區(qū)）1.在飽和電離區(qū)，載流子濃度等于摻雜濃度2.費(fèi)米能級在施主能級之下由摻雜濃度(ND)和溫度(T)確定NDEF向?qū)У卓繑nTEF向本征費(fèi)米能級靠攏電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論n型半導(dǎo)體→強(qiáng)電離區(qū)（飽和電離區(qū)）電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論費(fèi)米能級的變化討論——隨摻雜的變化2.無論是n型還是p型半導(dǎo)體，摻雜濃度的增加會是EF向遠(yuǎn)離禁帶中央方向移動1.n型半導(dǎo)體EF在Ei之上，p型半導(dǎo)體EF在Ei之下電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論n型半導(dǎo)體→高溫過渡區(qū)電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論n型半導(dǎo)體→高溫過渡區(qū)1.如果ND<<ni,則費(fèi)米能級接近本征費(fèi)米能級，半導(dǎo)體接近高溫本征態(tài)；2.如果ND>>ni,則費(fèi)米能級遠(yuǎn)離費(fèi)米能級，半導(dǎo)體接近飽和區(qū)；電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論n型半導(dǎo)體→高溫過渡區(qū)負(fù)號去掉電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論n型半導(dǎo)體→高溫過渡區(qū)近雜質(zhì)飽和電離區(qū)若電子為多子，空穴為少子該區(qū)域內(nèi)本征激發(fā)仍不顯著，屬于近飽和強(qiáng)電離區(qū)電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論n型半導(dǎo)體→高溫過渡區(qū)近本征激發(fā)區(qū)隨著溫度的增加，高溫狀態(tài)下，電子和空穴載流子濃度和本征載流子濃度近似相等，半導(dǎo)體進(jìn)入本征激發(fā)區(qū)電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論p型半導(dǎo)體討論方法與結(jié)論與n型半導(dǎo)體類同，過程詳見教材電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論費(fèi)米能級的變化討論——隨溫度的變化EFNC=0.11ND(EC+ED)/2n型半導(dǎo)體1/3電離區(qū)EFECEVEAEiTE0(EV+EA)/2p型半導(dǎo)體飽和區(qū)本征區(qū)n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級在Ei之上p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級在Ei之下0ECEVEDEiTENC=0.5NDNV=0.5NANV=0.11NANV=0.5NA電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.3熱平衡載流子的統(tǒng)計分析——雜質(zhì)半導(dǎo)體討論載流子濃度——隨溫度的變化p型半導(dǎo)體與之類同低溫弱電離區(qū)飽和區(qū)本征區(qū)半導(dǎo)體無論極性，隨著溫度的增加，電子和空穴濃度都在增加電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院陳德軍15.4簡并半導(dǎo)體非簡并半