2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體

當(dāng)上式滿足時,導(dǎo)帶電子的電荷密度(-e)n同價(jià)帶空穴的電荷密度(+e)p大小相等,符號相反,半導(dǎo)體處于電中性狀態(tài),通常稱這種關(guān)系為電中性條件或電中性方程.一、電中性條件

所謂本征半導(dǎo)體，就是完全沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。導(dǎo)帶中的電子都是由價(jià)帶激發(fā)得到的，（只有導(dǎo)帶和價(jià)帶，禁帶中沒有雜質(zhì)能級)，即半導(dǎo)體中共價(jià)鍵是飽和的、完整的。T>0K時，電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，稱為本征激發(fā)。若要求電子總數(shù)不變，必須導(dǎo)帶中的電子濃度等于價(jià)帶中的空穴濃度，即

在任何溫度下,要求半導(dǎo)體保持電中性條件,同保持電子總數(shù)不變的條件是一致的.(Intrinsicsemiconductor)二、本征費(fèi)米能級（intrinsicfermilevel）由電子和空穴濃度的表達(dá)式和電中性條件,得

兩端取對數(shù)后,得Ei表示本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級.,Ei恰好位于禁帶中央.實(shí)際上NC和NV并不相等,是1的數(shù)量級.所以Ei在禁帶中央上下約為kT的范圍之內(nèi).EcEiEv本征半導(dǎo)體的能帶圖當(dāng),若mdn=mdp

在室溫下(300K),,它與半導(dǎo)體的禁帶寬度相比還是很小的，如：Si的Eg＝1.12eV。例:

室溫時硅(Si)的Ei就位于禁帶中央之下約為0.01eV的地方.

也有少數(shù)半導(dǎo)體,Ei相對于禁帶中央的偏離較明顯.如,在室溫下,本征費(fèi)米能級移向?qū)?Ei移向?qū)У兹?、本征載流子濃度任何非簡并半導(dǎo)體，熱平衡條件下，皆有：本征半導(dǎo)體電中性條件：三、本征載流子濃度

上式表明，本征載流子濃度只與半導(dǎo)體本身的能帶結(jié)構(gòu)和溫度T有關(guān)。在一定溫度下，禁帶寬度越窄的半導(dǎo)體，本征載流子濃度越大。對于一定的半導(dǎo)體，本征載流子濃度隨著溫度的升高而迅速增加.

表4.3中列出室溫下硅、鍺、砷化鎵三種半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和本征載流子濃度的數(shù)值.表4.3在室溫下(300K),Si、Ge、GaAs的本征載流子濃度和禁帶寬度SiGeGaAsni(cm-3)Eg(eV)1.120.671.43

我們把載流子濃度的乘積np用本征載流子濃度ni表示出來,得

在熱平衡情況下,若已知ni和一種載流子濃度,則可以利用上式求出另一種載流子濃度.

一定溫度下，任何非簡并半導(dǎo)體的熱平衡載流子的濃度的乘積

即，與所含雜質(zhì)無關(guān)。因此，它不僅適用于本征半導(dǎo)體材料，而且也適用于非簡并的雜質(zhì)半導(dǎo)體材料。意義：可作為判斷半導(dǎo)體材料是否達(dá)到熱平衡的判據(jù)。熱平衡條件下，n0、p0均為常數(shù)，，

單位時間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)等于單位時間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的載流子數(shù)，即，產(chǎn)生率=復(fù)合率。電子和空穴濃度的另一種形式

把電子和空穴濃度公式用本征載流子濃度ni(或pi)和本征費(fèi)米能級Ei可寫成下面的形式:練習(xí)題：利用（4.22）和(4.25)式，導(dǎo)出上面兩個表達(dá)式(4.34)(4.35)一、載流子濃度導(dǎo)帶電子濃度討論載流子簡并化對載流子分布的影響：二、發(fā)生簡并的條件對于n型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)提供給導(dǎo)帶的電子密度接近導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度時，半導(dǎo)體發(fā)生簡并；對于p型半導(dǎo)體，受主雜質(zhì)提供給價(jià)帶的空穴密度接近價(jià)帶有效狀態(tài)密度時，半導(dǎo)體發(fā)生簡并；雜質(zhì)電離能小的雜質(zhì)，雜質(zhì)濃度較小時就會發(fā)生簡并。對于不同種類的半導(dǎo)體，導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度和價(jià)帶有效密度各不相同。一般規(guī)律是有效狀態(tài)密度小的材料，其發(fā)生簡并的雜質(zhì)濃度較小。載流子簡并化引起禁帶變窄（帶尾效應(yīng)）雜質(zhì)濃度高 電子相互間靠近，相互作用加劇電子波函數(shù)重疊 雜質(zhì)能級變能帶 雜質(zhì)電離能減小 雜質(zhì)能帶進(jìn)入導(dǎo)