2021-2022学年高二物理竞赛课件：半导体中的载流子.pptx

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1、半导体中的载流子半导体中的载流子半导体中的载流子半导体中的载流子杂质电离能与杂质补偿杂质电离能与杂质补偿 晶体中存在晶体中存在杂质时，在禁，在禁带中出中出现的能的能级：由于由于杂质替代母体晶体原子后改替代母体晶体原子后改变了晶体的局部了晶体的局部势场，使一部分，使一部分电子能子能级从从许可可带中分离出来。中分离出来。例如，例如，N ND D个施主的存在使得个施主的存在使得导带中有中有N ND D个能个能级下移到下移到E ED D处；N NA A个受主的存在个受主的存在则使得使得N NA A个能个能级从价从价带上移至上移至E EA A处。杂质能能级是因是因为破坏了晶格的周期性引起的。破坏了晶格的

2、周期性引起的。类氢模型 晶体中晶体中掺入与基入与基质原子只差一个价原子只差一个价电子的子的杂质原子并形成替位式原子并形成替位式杂质时，其，其影响可看作是在周期性影响可看作是在周期性结构的均匀背景下叠加了一个构的均匀背景下叠加了一个“原原子子”，这个原子只有一个正个原子只有一个正电荷和一个荷和一个负电荷荷，与与氢相似相似，可借用可借用氢原子能原子能级公式公式处理。理。引入修正：引入修正：1.1.考考虑晶格的周期性，用有效晶格的周期性，用有效质量量m m*代替代替惯性性质量量m m0 0。2.2.考考虑介介质极化的影响，用介极化的影响，用介质的介的介电常数代替真空介常数代替真空介电常数。常数。杂质

3、电离能可写离能可写为：其中，其中，为氢原子的基原子的基态电离能；离能；为母母体的相体的相对介介电常数。常数。这一数一数值与与实验结果一致。果一致。浅能浅能级：电离能很小，距能离能很小，距能带边缘（导带底或价底或价带顶）很）很近的近的杂质能能级。深能深能级：电离能离能较大，距能大，距能带边缘较远，而比价接近禁，而比价接近禁带中央。中央。杂质具有施主或受主的性具有施主或受主的性质，在禁，在禁带中引入中引入杂质能能级。除去除去杂质原子外，其他晶格原子外，其他晶格结构上的缺陷也可以引构上的缺陷也可以引进禁禁带中的能中的能级。杂质补偿 一一块半半导体中同体中同时存在两种存在两种类型的型的杂质，这时半半导

4、体的体的类型主要取决于型主要取决于掺杂浓度高的度高的杂质。例如，例如，SiSi中中P P的的浓度大于度大于B B的的浓度，度，则表表现为N N型半型半导体。体。杂质补偿作用：作用：半半导体中同体中同时存在施主存在施主杂质和受主和受主杂质，施主和受主之施主和受主之间相互抵消的作用。相互抵消的作用。常温下，半常温下，半导体的体的导电性性质主要取决于主要取决于掺杂水平；水平；高温下，本征激高温下，本征激发占主占主导地位。地位。N NP P。杂质提供的提供的载流子数基本不流子数基本不变，而本征激，而本征激发的的载流子流子浓度迅速增加。度迅速增加。载流子的流子的浓度与温度及度与温度及掺杂情况密切相关。情

5、况密切相关。固体能固体能带是由大量的、不是由大量的、不连续的能的能级组成的。每一量子成的。每一量子态都都对应于一于一定的能定的能级。在。在热平衡下，能量平衡下，能量为E E的状的状态被被电子占据的几率子占据的几率为：电子遵循子遵循费米米-狄拉克（狄拉克（Fermi-Dirac）统计分布分布规律。律。费米分布函数BB 在在绝对零度零度时：EEEE EEF F时，f(E)=0f(E)=0；E=E E=EF F时，f(E)f(E)发生突生突变。在温度很低在温度很低时：表示在表示在费米能米能级，被，被电子填充的几子填充的几率和不被率和不被电子填充的几率是相等的。子填充的几率是相等的。波尔兹曼（Bolt

6、zmann）分布函数当E-EFkBT时,BBBB 费米分布函数或玻米分布函数或玻尔兹曼函数本身并不曼函数本身并不给出某一能量的出某一能量的电子数子数，只，只给出某一出某一能能态被被电子占据的子占据的概率概率。为了确定某一能量的了确定某一能量的电子数，必子数，必须知道知道该能量能量处的能的能态数：数：定定义单位体位体积，单位能量位能量间隔的量子隔的量子态数（即数（即状状态密度密度）为g（E）。）。则在能在能带中能量中能量E与与E+dE之之间的能量的能量间隔隔dE内的内的量子量子态数数为g（E）dE。此能量范此能量范围内的内的电子数子数为：dn=g(E)f(E)dE平衡态下的导带电子浓度和价带空穴浓度 设导带具有球形等能面，具有球形等能面，导带能能带结构可表示构可表示为：则量子量子态密度：密度：由由dn=g(E)f(E)dE可得：可得：导带电子子浓度度为：其中其中ECT为导带顶。