2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：只含一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體

只含一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體

只含一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體

只討論含有淺能級(jí)雜質(zhì)的半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體

只含一種施主雜質(zhì)的N型半導(dǎo)體(其能級(jí)分布如圖4.4所示)中，除了電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的本征激發(fā)之外，還存在施主能級(jí)上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶的過(guò)程，即雜質(zhì)電離.·○·○·○··○·○·圖4.4只含一種施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體

EC

Ed

EV本征激發(fā)：Eg雜質(zhì)電離：EI不同溫度范圍，主要作用不同多子：電子少子：空穴

雜質(zhì)電離和本征激發(fā)是發(fā)生在不同的溫度范圍。在低溫下，主要是電子由施主能級(jí)激發(fā)到導(dǎo)帶的雜質(zhì)電離過(guò)程。只有在足夠高的溫度下，本征激發(fā)才成為載流子的主要來(lái)源.⒈雜質(zhì)電離在溫度不太高的情況下，本征激發(fā)不顯著，可忽略，半導(dǎo)體處在雜質(zhì)電離范圍內(nèi)，導(dǎo)帶電子主要來(lái)自電離的施主，電中性條件為：（單位體積中的）負(fù)電荷數(shù)＝正電荷數(shù)導(dǎo)帶電子濃度所以所以導(dǎo)帶中電子濃度方程為又因?yàn)槟芗?jí)空著的施主密度.解該方程得或改寫(xiě)成把上式代入,并把兩端取對(duì)數(shù),則得出以上兩式給出電子濃度和費(fèi)米能級(jí)同半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和溫度的關(guān)系．但形式比較復(fù)雜，下面討論兩種極端的情況:⑴雜質(zhì)弱電離（溫度很低時(shí)，只有很少量施主雜質(zhì)發(fā)生電離，這少量的電子進(jìn)入導(dǎo)帶，這種情況稱(chēng)為雜質(zhì)弱電離）在溫度很低的情況下，滿(mǎn)足條件：則由此可以看出：①絕對(duì)零度（T＝0K）時(shí),EF位于導(dǎo)帶底和施主能級(jí)的中央.（圖4.6）②在足夠低的溫度區(qū)（幾K時(shí)），當(dāng)gdNc<Nd時(shí)，隨著溫度的增加，EF起初逐漸上升，并達(dá)到一個(gè)極大值，然后開(kāi)始下降．當(dāng)gdNc=Nd時(shí)，它又重新下降到絕對(duì)零度的值．③溫度繼續(xù)升高，在gdNc>Nd的溫度區(qū)，EF繼續(xù)下降．如圖４.６中，施主能級(jí)Ed之上的EF曲線(xiàn)就是這種情況．把得出的費(fèi)米能級(jí)EF代入導(dǎo)帶電子濃度公式得導(dǎo)帶電子濃度為其中EI=EC-Ed是施主電離能．在弱電離范圍內(nèi)，利用實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的n(T)，作出半對(duì)數(shù)圖ln～1/T．由直線(xiàn)的斜率可以確定施主電離能EI．⑵飽和電離溫度繼續(xù)升高，當(dāng)滿(mǎn)足條件則在一般的摻雜濃度下NC>Nd，上式右端的第二項(xiàng)是正的。隨著溫度的升高，EF與導(dǎo)帶底EC的距離增大。在圖４.６中，施主能級(jí)Ed之下的一段EF曲線(xiàn)表示的就是這種情況。把上式代入導(dǎo)帶電子濃度公式，則有上式表明，導(dǎo)帶電子濃度就等于施主濃度．這就是說(shuō)，施主雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，通常稱(chēng)這種情況為雜質(zhì)飽和電離．在飽和電離情況下，導(dǎo)帶中的電子主要來(lái)自施主，從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的電子可以忽略，但其留下了空穴，利用np=ni2,可以求出空穴濃度

的Ｎ型硅()中,室溫下施主基本上全部電離，例：在施主濃度為對(duì)于Ｎ型半導(dǎo)體，導(dǎo)帶中的電子被稱(chēng)為多數(shù)載流子（多子），價(jià)帶中的空穴被稱(chēng)為少數(shù)載流子（少子）．對(duì)于Ｐ型半導(dǎo)體則相反．少子的數(shù)量雖然很少，但它們?cè)谄骷ぷ髦袇s起著極其重要的作用．⒉雜質(zhì)飽和電離—本征激發(fā)在溫度超過(guò)了飽和電離范圍以后,要考慮本征激發(fā)的作用．此時(shí)電中性條件是將(4.34)、(4.35)帶入，則由此求出費(fèi)米能級(jí)兩式聯(lián)立，解得在足夠高的溫度下，n>>Nd和p>>Nd．這時(shí)，電中性條件變成n=p.這種情況與未摻雜的本征半導(dǎo)體類(lèi)似，稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體進(jìn)入本征激發(fā)區(qū)．綜上所述，雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流子濃度隨溫度變化的規(guī)律：從低溫到高溫大致可分為三個(gè)區(qū)域，即雜質(zhì)弱電離區(qū)，雜質(zhì)飽和區(qū)和本征激發(fā)區(qū)．圖４.５表示出Ｎ型半導(dǎo)體的電子濃度隨溫度的變化．lnn本征區(qū)飽和電離區(qū)雜質(zhì)電離區(qū)圖4.5N型半導(dǎo)體中電子濃度隨溫度的變化！二、P型半導(dǎo)體

⒈雜質(zhì)弱電離對(duì)于只含一種受主的P型半導(dǎo)體，在雜質(zhì)電離的溫度范圍內(nèi)，價(jià)帶的空穴來(lái)自于電離的受主，電中性條件為則在低溫弱電離情況下,電離的受主濃度遠(yuǎn)小于受主濃度,因此有將上式兩端取對(duì)數(shù),可以求出費(fèi)米能級(jí)由此可得到空穴濃度利用,可得⒉雜質(zhì)飽和電離隨著溫度的升高,電離的受主增多.當(dāng)受主全部電離,而本征激發(fā)的作用可忽略時(shí),價(jià)帶中的