半導(dǎo)體中的熱平衡載流子(共20頁).ppt

1、半導(dǎo)體中熱平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布 引言：引言： 熱平衡和熱平衡載流子：在一定溫度下，如果沒有其它外界作用半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子和空穴是依靠電子的熱激發(fā)作用而產(chǎn)生的，電子從不斷熱震動(dòng)的晶格中獲得一定的能量，就可能從低能量的量子態(tài)躍遷到高能量的量子態(tài)，例如，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶（這就是本征激發(fā)），形成導(dǎo)電電子和價(jià)帶空穴。 電子和空穴也可以通過雜質(zhì)電離方式產(chǎn)生，當(dāng)電子從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子；當(dāng)電子從價(jià)帶激發(fā)到受主能級(jí)時(shí)產(chǎn)生價(jià)帶空穴等。與此同時(shí)，還存在著相反的過程，即電子也可以從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài)，并向晶格放出一定能量，從而使導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴不斷減少，這一過程稱為載流子

2、的復(fù)合載流子的復(fù)合。 在一定溫度下，這兩個(gè)相反的過程之間將建立起動(dòng)態(tài)的平衡，稱為熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)。這時(shí)，半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子濃度和空穴濃度都保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，這種處于熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱為熱熱平衡載流子平衡載流子。當(dāng)溫度改變時(shí)，破壞了原來的平衡狀態(tài)，又重新建立起新的平衡狀態(tài)，熱平衡載流子的濃度也將發(fā)生變化，達(dá)到另一穩(wěn)定數(shù)值。問題： （1）尋找半導(dǎo)體中載流子濃度隨溫度變化規(guī)律 （2）計(jì)算熱平衡下載流子的濃度 熱平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡，載流子在各個(gè)能級(jí)之間躍遷，但它們?cè)诿總€(gè)能級(jí)上出現(xiàn)的幾率是不同的。 3.1 能量狀態(tài)密度、費(fèi)米能級(jí)和載流子分布 1、 k空間的狀態(tài)密度 假設(shè)在能帶中能量E與

3、E+dE 之間的能量間隔內(nèi)有量子態(tài)dZ 個(gè)，則定義狀態(tài)密度 : g(E)= 可以通過下述步驟計(jì)算狀態(tài)密度： 首先算出單位k空間中的量子態(tài)數(shù)，即k空間中的狀態(tài)密度； dZdE 然后算出k空間中與能量E到EdE間所對(duì)應(yīng)的k空間體積，并和k空間中的狀態(tài)密度相乘，從而求得在能量E到EdE間的量子態(tài)數(shù)dE；最后，根據(jù)前式，求得狀態(tài)密度g（E） k空間狀態(tài)分布圖 允許的能量狀態(tài)（即能級(jí)） 用波矢k標(biāo)志，每個(gè)允許的能量 狀態(tài)在k空間中與由整數(shù)組（nx，ny，nz）決定的一個(gè)代表 點(diǎn)（ kx，ky，kZ ）相對(duì)應(yīng) ( 、 、 0，1，2， ) =V 為為晶體體積，L為晶體的線度 在k空間中，體積為1V立方體中

4、由一個(gè)代表點(diǎn)，即k空間中電子的允許能量密度是V，每一個(gè)點(diǎn)實(shí)際代表自旋方向相反的兩個(gè)量子狀態(tài)，電子的允許量子態(tài)密度是2V，每一個(gè)量子狀態(tài)只能容納一個(gè)電子。 xxnkLyynkLzznkLxnynzn3L 1 半導(dǎo)體中大量電子可以看成一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，費(fèi)米能級(jí)是系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)： ：系統(tǒng)化學(xué)勢(shì)，F(xiàn)：系統(tǒng)自由能，N：電子總數(shù)上式表示：熱平衡系統(tǒng)中，增加一個(gè)電子引起系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)，也就等于系統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)。FTFEN 費(fèi)米能級(jí)的物理意義： 當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，如果量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級(jí)低，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的概率大于百分之五十； 如果量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級(jí)高，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的概率小于百分之五十。 當(dāng)絕對(duì)溫度為零時(shí)，能量比 低的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率為100，能量比 高的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率為零。FEFE波爾茲曼分布函數(shù)波爾茲曼分布函數(shù) 在半導(dǎo)體中，最常遇到的情況是費(fèi)米能級(jí)位于禁帶內(nèi)，而且與導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于 ，所以，對(duì)導(dǎo)帶中的所有量子態(tài)來說，被電子占據(jù)的幾率，一般都滿足 ，故半導(dǎo)體電子中的電