02.3-第三节-半导体中的载流子
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1
E n(E) = f (E) gc(E)
Ec n(E) & p(E)
Ev
p(E) = ( 1 - f (E) )gv(E)
本征半导体费米能级位置：在禁带中央附近
6
7
本征载流子浓度
本征半导体中电子与空穴浓度的关系？ 本征电子浓度： ni 本征空穴浓度： pi
平衡态下本征载流子浓度与温度的关系？（定性）
11
施主杂质和能级
IV族元素半导体
P
V族元素为施主
P
多余的第五个电子——施主能级
低温下的施主
Ec
施主杂质的电离——空间电荷
施主电离能 EI = Ec -Ed
在室温下施主全部电离 原因？
Ev
施主只提供电子，成为多数载流子
n 型半导体
导带 Ed
Eg
价带
12
受主杂质和能级
IV族元素半导体
III族元素为受主
中很靠近导带底或价带顶。
➢ 对载流子浓度的贡献起决定作用
施主 受主
杂质 P As
B Al
电离能 （eV）
Si
Ge
0.045
0.012
0.05
0.0127
0.045 0.06
0.0104 0.0102
深能级杂质： 其杂质能级位于禁带中央附近，电离能很大。
对载流子浓度的贡献很小。 起复合中心作用，可以改变非平衡载流子的寿命
2
本征半导体
本征半导体的定义
Sand particles
Dish Vibrating Table
• 热激发过程 (温度相关) • 遵守相应的统计规律 • 动态平衡 • 细致平衡
振动沙盘中的沙粒
3
3.1 半导体中的载流子浓度
电子和空穴的平衡分布
导带中某一能级E中所含电子浓度
nE gc E fF E
14
两种类型杂质同时存在? 杂质补偿
补偿半导体：在同一区域内同时含有施主和受主杂质的半导体。
Ec 杂质补偿
Ev
施主提供电子的能力和受主提供空穴的能力，由于补 偿作用而相互抵消。
补偿半导体的导电类型
由占优杂质决定。
15
例题
Si晶体中分别掺有两种浅能级杂质，分 别是Al和As，它们的浓度分别是1e16cm-3 和5e15cm-3，已知在室温下杂质全部电离， 试求该半导体在室温下的导电类型。
19
思考题
某一块半导体的费米能级在导带中央附 近，请问是否可以说该半导体为本征半导体？
20
3.5 电中性状态
在平衡态条件下，半导体处于电中性状态。由于
电子处于不同的能量状态中，产生了正负电荷， 但是净电荷密度为零。
可能存在的电荷：
① 可自由移动的电荷：电子和空穴 ② 固定不动的空间电荷：电离杂质
价带中某一能级E中所含空穴浓度
pE gv E1 fF E
关键问题：费米能级在哪里？
4
本征半导体费米能级的位置
源自文库
绝对零度时（T=0K） 费米能级位于禁带内
T>0K时——本征激发 费米能级近似位于禁带中央
5
本征半导体费米能级位置 （T>0K）
E gc(E)
gv(E) 0
1 - f (E)
E F f (E)
8
半导体中的载流子浓度
平衡态下
电子浓度：
n0
N
c
exp
Ec EF kT
空穴浓度：
p0
Nv
exp
EF Ev kT
• Nc 、Nv为导带和价带的有效状态密度，与半导体能带结构相关
• 载流子浓度与费米能级位置相关，e指数关系。
本征电子浓度： ni
本征空穴浓度： pi
n0 p0 ni2
9
三种半导体本征载流子浓度 随温度的变化曲线
p(E) = ( 1 - f (E) )gv(E)
18
p 型半导体费米能级的位置
空穴是多数载流子，费米能级必须位于中线之下
E gc(E)
gv(E) 0
1 - f (E) E
F
E n(E) = f (E) gc(E)
Ec
n(E) & p(E) Ev
f (E) 1
p(E) = ( 1 - f (E) )gv(E)
第二章 微电子学的物理基础
1. 晶体结构 2. 半导体中的电子运动规律 3. 半导体中的载流子 4. 载流子的输运现象 5. 非平衡态半导体 6. PN结物理基础 7. 半导体接触现象
第三节：半导体中的载流子
3.1 本征半导体中的载流子 3.2 杂质与能级 3.3 非本征半导体 3.4 半导体费米能级的位置 3.5 电中性状态
16
3.3 非本征半导体
定义： 含有杂质缺陷或杂质的半导体。
17
3.4 非本征半导体中费米能级位置
• n 型半导体中电子和空穴的平衡态分布
电子是多数载流子，费米能级必须位于中线之上
E gc(E)
gv(E) 0
1 - f (E)
E F f (E)
1
E
n(E) = f (E) gc(E) Ec
n(E) & p(E) Ev
B
B
第四个共价键缺少一个电子——受主能级
低温下的受主
受主杂质的电离
Ec
受主电离能 EI = Ea -Ev 在室温下受主全部电离 原因？
电子和空穴行为之间的对称性
Ev
受主只提供空穴，成为多数载流子
p 型半导体
导带
Eg Ea
价带
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浅能级杂质和深能级杂质
浅能级杂质：➢ 其杂质电离能与禁带宽度相比很小，在禁带
电中性条件： 正电荷总浓度 =负电荷总浓度
n0
N
A
p0
N
D
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电中性条件
n0
N
A
p0
N
D
热电子 Ec
施主电子
未电离施主 杂质补偿
未电离受主
ND+ NA-
n0 施主电子 热电子 p0 受主空穴 热空穴
Ev
热空穴
受主空穴
22
ni
Nc Nv
exp
Eg 2kT
10
3.2 杂质与能级
半导体的导电类型 n型半导体、p型半导体
半导体器件的关键是在一块半导体的不同区域上 可以形成不同的导电类型 有杂质和缺陷存在的半导体内部，其势场的周期 性被破坏，当电子被束缚在杂质和缺陷周围时就 会形成局部化量子态, 与之相应的在禁带中形成能 级。 杂质分类：施主、受主
E n(E) = f (E) gc(E)
Ec n(E) & p(E)
Ev
p(E) = ( 1 - f (E) )gv(E)
本征半导体费米能级位置：在禁带中央附近
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本征载流子浓度
本征半导体中电子与空穴浓度的关系？ 本征电子浓度： ni 本征空穴浓度： pi
平衡态下本征载流子浓度与温度的关系？（定性）
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施主杂质和能级
IV族元素半导体
P
V族元素为施主
P
多余的第五个电子——施主能级
低温下的施主
Ec
施主杂质的电离——空间电荷
施主电离能 EI = Ec -Ed
在室温下施主全部电离 原因？
Ev
施主只提供电子，成为多数载流子
n 型半导体
导带 Ed
Eg
价带
12
受主杂质和能级
IV族元素半导体
III族元素为受主
中很靠近导带底或价带顶。
➢ 对载流子浓度的贡献起决定作用
施主 受主
杂质 P As
B Al
电离能 （eV）
Si
Ge
0.045
0.012
0.05
0.0127
0.045 0.06
0.0104 0.0102
深能级杂质： 其杂质能级位于禁带中央附近，电离能很大。
对载流子浓度的贡献很小。 起复合中心作用，可以改变非平衡载流子的寿命
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本征半导体
本征半导体的定义
Sand particles
Dish Vibrating Table
• 热激发过程 (温度相关) • 遵守相应的统计规律 • 动态平衡 • 细致平衡
振动沙盘中的沙粒
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3.1 半导体中的载流子浓度
电子和空穴的平衡分布
导带中某一能级E中所含电子浓度
nE gc E fF E
14
两种类型杂质同时存在? 杂质补偿
补偿半导体：在同一区域内同时含有施主和受主杂质的半导体。
Ec 杂质补偿
Ev
施主提供电子的能力和受主提供空穴的能力，由于补 偿作用而相互抵消。
补偿半导体的导电类型
由占优杂质决定。
15
例题
Si晶体中分别掺有两种浅能级杂质，分 别是Al和As，它们的浓度分别是1e16cm-3 和5e15cm-3，已知在室温下杂质全部电离， 试求该半导体在室温下的导电类型。
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思考题
某一块半导体的费米能级在导带中央附 近，请问是否可以说该半导体为本征半导体？
20
3.5 电中性状态
在平衡态条件下，半导体处于电中性状态。由于
电子处于不同的能量状态中，产生了正负电荷， 但是净电荷密度为零。
可能存在的电荷：
① 可自由移动的电荷：电子和空穴 ② 固定不动的空间电荷：电离杂质
价带中某一能级E中所含空穴浓度
pE gv E1 fF E
关键问题：费米能级在哪里？
4
本征半导体费米能级的位置
源自文库
绝对零度时（T=0K） 费米能级位于禁带内
T>0K时——本征激发 费米能级近似位于禁带中央
5
本征半导体费米能级位置 （T>0K）
E gc(E)
gv(E) 0
1 - f (E)
E F f (E)
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半导体中的载流子浓度
平衡态下
电子浓度：
n0
N
c
exp
Ec EF kT
空穴浓度：
p0
Nv
exp
EF Ev kT
• Nc 、Nv为导带和价带的有效状态密度，与半导体能带结构相关
• 载流子浓度与费米能级位置相关，e指数关系。
本征电子浓度： ni
本征空穴浓度： pi
n0 p0 ni2
9
三种半导体本征载流子浓度 随温度的变化曲线
p(E) = ( 1 - f (E) )gv(E)
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p 型半导体费米能级的位置
空穴是多数载流子，费米能级必须位于中线之下
E gc(E)
gv(E) 0
1 - f (E) E
F
E n(E) = f (E) gc(E)
Ec
n(E) & p(E) Ev
f (E) 1
p(E) = ( 1 - f (E) )gv(E)
第二章 微电子学的物理基础
1. 晶体结构 2. 半导体中的电子运动规律 3. 半导体中的载流子 4. 载流子的输运现象 5. 非平衡态半导体 6. PN结物理基础 7. 半导体接触现象
第三节：半导体中的载流子
3.1 本征半导体中的载流子 3.2 杂质与能级 3.3 非本征半导体 3.4 半导体费米能级的位置 3.5 电中性状态
16
3.3 非本征半导体
定义： 含有杂质缺陷或杂质的半导体。
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3.4 非本征半导体中费米能级位置
• n 型半导体中电子和空穴的平衡态分布
电子是多数载流子，费米能级必须位于中线之上
E gc(E)
gv(E) 0
1 - f (E)
E F f (E)
1
E
n(E) = f (E) gc(E) Ec
n(E) & p(E) Ev
B
B
第四个共价键缺少一个电子——受主能级
低温下的受主
受主杂质的电离
Ec
受主电离能 EI = Ea -Ev 在室温下受主全部电离 原因？
电子和空穴行为之间的对称性
Ev
受主只提供空穴，成为多数载流子
p 型半导体
导带
Eg Ea
价带
13
浅能级杂质和深能级杂质
浅能级杂质：➢ 其杂质电离能与禁带宽度相比很小，在禁带
电中性条件： 正电荷总浓度 =负电荷总浓度
n0
N
A
p0
N
D
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电中性条件
n0
N
A
p0
N
D
热电子 Ec
施主电子
未电离施主 杂质补偿
未电离受主
ND+ NA-
n0 施主电子 热电子 p0 受主空穴 热空穴
Ev
热空穴
受主空穴
22
ni
Nc Nv
exp
Eg 2kT
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3.2 杂质与能级
半导体的导电类型 n型半导体、p型半导体
半导体器件的关键是在一块半导体的不同区域上 可以形成不同的导电类型 有杂质和缺陷存在的半导体内部，其势场的周期 性被破坏，当电子被束缚在杂质和缺陷周围时就 会形成局部化量子态, 与之相应的在禁带中形成能 级。 杂质分类：施主、受主