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1、第四章 平衡半导体,平衡半导体（The Semiconductor in Equilibrium)是指半导体处于平衡状态或热平衡状态，是指没有外界影响（如电压、电场、磁场或温度梯度等）作用于半导体上的状态。本征半导体(Intrinsic Semiconductor)是指没有杂质原子和晶体结构缺陷的纯净半导体。非本征半导体(Extrinsic Semiconductor)是指进行了定量施主(Donor)或受主(Acceptor)掺杂，从而使电子浓度或空穴浓度偏离本征载流子浓度产生多数载流子(Majority Carrier)电子（n-type）或多数载流子空穴（p-type）的半导体。,4.1半
2、导体中的载流子,4.1.1电子和空穴的平衡分布,导带电子分布,价带空穴分布,4.1.2 n0方程和P0方程,导带电子,定义导带有效状态密度,价带空穴,定义价带有效状态密度,4.1.3 本征载流子浓度,EFi本征费米能级ni本征载流子浓度ni2=n0p0,4.1.3本征费米能级位置,本征半导体 n0=p0,4.1.3本征费米能级位置,4.2掺杂原子与能级,掺杂半导体称为非本征半导体,施主donor杂质,施主donor杂质原子：杂质原子向导带提供了电子 ；N型半导体：由于施主杂质原子增加导带电子并不产生价带空穴；由于N型半导体中电子浓度大于空穴浓度，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。,受主a
3、cceptor杂质,受主acceptor杂质原子：杂质原子从价带获得电子 ；P型半导体：由于受主杂质原子在价带产生空穴，但不在导带产生电子；由于P型半导体中空穴浓度大于电子浓度，空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子。,4.2.2 电离能,静电力与离心力平衡,角动量量子化,波尔半径,M*电导有效质量见刘恩科第四版P95,r1约为硅晶格常数四倍,4.2.2 电离能,4.3非本征Extrinsic半导体,4.3.1 电子和空穴的平衡状态分布,4.3.1 电子和空穴的平衡状态分布,4.3.2 n0和p0的乘积,4.3.4 简并与非简并半导体,非简并Nondegenerate半导体：杂质原子在n型半导
4、体中引入分立的、无相互作用的施主能级，而在p型半导体中引入分立的、无相互作用的受主能级；n型简并半导体：导带中的电子浓度超过了状态密度Nc时，费米能级位于导带内部；并不产生价带空穴；p型简并半导体：价带中的空穴浓度超过了状态密度Nv时，费米能级位于价带内部；,4.4 施主和受主的统计分布,电子占据施主能级的概率函数：,4.4.1概率分布函数,Pd空穴占据受主能级的密度， Ed受主能级的能量，g简并因子,nd电子占据施主能级的密度， Ed施主能级的能量,4.4.2 完全电离和束缚态（Complete Ionization and Freeze-out）,导带电子：,4.4.2 完全电离和束缚态（
5、Complete Ionization and Freeze-out）,完全电离,4.4.2 完全电离和束缚态（Complete Ionization and Freeze-out）,在室温下，施主能级基本上处于完全电离状态 ；受主原子也基本上处于完全电离状态。,4.4.2 完全电离和束缚态（Complete Ionization and Freeze-out）,在T=0K下，没有电子从施主能级热激发到导带，这种现象称为束缚态 ；没有电子从价带跃迁到受主能级，这种现象也称为束缚态。,4.5 电中性状态(Charge Neutrality),补偿半导体：是指在同一区域内同时含有施主和受主杂质原子
6、的半导体。NdNa，n型补偿半导体；Na Nd ，p型补偿半导体；Na = Nd ，完全补偿半导体。,4.5.1补偿半导体(Compensated Semiconductors),4.5.2平衡电子和空穴浓度,4.5.2平衡电子和空穴浓度,正负电荷密度相等即电中性条件： n0+N-a=p0+Nd+ n0+(Na-pa)=p0+(Nd-nd)假设完全电离： nd 和pa均为零，则 n0+Na=p0+Nd,4.6 费米能级的位置,4.6.1数学推导,4.6.2 EF随掺杂浓度和温度的变化,4.6.2 费米能级的应用,作业,P106 4.4P107 4.21P108 4.33P109 4.51, 4.56,
