2022-2023學年高二物理競賽課件：只含一種雜質的半導體

只含一種雜質的半導體

只含一種雜質的半導體

只討論含有淺能級雜質的半導體一、N型半導體

只含一種施主雜質的N型半導體(其能級分布如圖4.4所示)中，除了電子由價帶躍遷到導帶的本征激發(fā)之外，還存在施主能級上的電子激發(fā)到導帶的過程，即雜質電離.·○·○·○··○·○·圖4.4只含一種施主雜質的半導體

EC

Ed

EV本征激發(fā)：Eg雜質電離：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激發(fā)到導帶的雜質電離過程。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源.⒈雜質電離在溫度不太高的情況下，本征激發(fā)不顯著，可忽略，半導體處在雜質電離范圍內(nèi)，導帶電子主要來自電離的施主，電中性條件為：（單位體積中的）負電荷數(shù)＝正電荷數(shù)導帶電子濃度所以所以導帶中電子濃度方程為又因為能級空著的施主密度.解該方程得或改寫成把上式代入,并把兩端取對數(shù),則得出以上兩式給出電子濃度和費米能級同半導體材料的性質和溫度的關系．但形式比較復雜，下面討論兩種極端的情況:⑴雜質弱電離（溫度很低時，只有很少量施主雜質發(fā)生電離，這少量的電子進入導帶，這種情況稱為雜質弱電離）在溫度很低的情況下，滿足條件：則由此可以看出：①絕對零度（T＝0K）時,EF位于導帶底和施主能級的中央.（圖4.6）②在足夠低的溫度區(qū)（幾K時），當gdNc<Nd時，隨著溫度的增加，EF起初逐漸上升，并達到一個極大值，然后開始下降．當gdNc=Nd時，它又重新下降到絕對零度的值．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Ed之上的EF曲線就是這種情況．把得出的費米能級EF代入導帶電子濃度公式得導帶電子濃度為其中EI=EC-Ed是施主電離能．在弱電離范圍內(nèi)，利用實驗上測得的n(T)，作出半對數(shù)圖ln～1/T．由直線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，當滿足條件則在一般的摻雜濃度下NC>Nd，上式右端的第二項是正的。隨著溫度的升高，EF與導帶底EC的距離增大。在圖４.６中，施主能級Ed之下的一段EF曲線表示的就是這種情況。把上式代入導帶電子濃度公式，則有上式表明，導帶電子濃度就等于施主濃度．這就是說，施主雜質已經(jīng)全部電離，通常稱這種情況為雜質飽和電離．在飽和電離情況下，導帶中的電子主要來自施主，從價帶激發(fā)到導帶的電子可以忽略，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：在施主濃度為對于Ｎ型半導體，導帶中的電子被稱為多數(shù)載流子（多子），價帶中的空穴被稱為少數(shù)載流子（少子）．對于Ｐ型半導體則相反．少子的數(shù)量雖然很少，但它們在器件工作中卻起著極其重要的作用．⒉雜質飽和電離—本征激發(fā)在溫度超過了飽和電離范圍以后,要考慮本征激發(fā)的作用．此時電中性條件是將(4.34)、(4.35)帶入，則由此求出費米能級兩式聯(lián)立，解得在足夠高的溫度下，n>>Nd和p>>Nd．這時，電中性條件變成n=p.這種情況與未摻雜的本征半導體類似，稱為雜質半導體進入本征激發(fā)區(qū)．綜上所述，雜質半導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區(qū)域，即雜質弱電離區(qū)，雜質飽和區(qū)和本征激發(fā)區(qū)．圖４.５表示出Ｎ型半導體的電子濃度隨溫度的變化．lnn本征區(qū)飽和電離區(qū)雜質電離區(qū)圖4.5N型半導體中電子濃度隨溫度的變化！二、P型半導體

⒈雜質弱電離對于只含一種受主的P型半導體，在雜質電離的溫度范圍內(nèi)，價帶的空穴來自于電離的受主，電中性條件為則在低溫弱電離情況下,電離的受主濃度遠小于受主濃度,因此有將上式兩端取對數(shù),可以求出費米能級由此可得到空穴濃度利用,可得⒉雜質飽和電離隨著溫度的升高,電離的受主增多.當受主全部電離,而本征激發(fā)的作用可忽略時,價帶中的