1、第四章第四章 平衡半導(dǎo)體平衡半導(dǎo)體平衡半導(dǎo)體（The Semiconductor in Equilibrium)是指半導(dǎo)體處于平衡狀態(tài)或熱平衡狀態(tài)，是指沒有外界影響（如電壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng)或溫度梯度等）作用于半導(dǎo)體上的狀態(tài)。本征半導(dǎo)體(Intrinsic Semiconductor)是指沒有雜質(zhì)原子和晶體結(jié)構(gòu)缺陷的純凈半導(dǎo)體。非本征半導(dǎo)體(Extrinsic Semiconductor)是指進(jìn)行了定量施主(Donor)或受主(Acceptor)摻雜，從而使電子濃度或空穴濃度偏離本征載流子濃度產(chǎn)生多數(shù)載流子(Majority Carrier)電子（n-type）或多數(shù)載流子空穴（p-type）的半導(dǎo)

2、體。4.1半導(dǎo)體中的載流子4.1.1電子和空穴的平衡分布導(dǎo)帶電子分布 價(jià)帶空穴分布 4.1.2 n0方程和P0方程導(dǎo)帶電子定義導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度價(jià)帶空穴定義價(jià)帶有效狀態(tài)密度4.1.3 本征載流子濃度EFi本征費(fèi)米能級(jí)ni本征載流子濃度ni2=n0p0 4.1.3本征費(fèi)米能級(jí)位置本征半導(dǎo)體 n0=p04.1.3本征費(fèi)米能級(jí)位置4.2摻雜原子與能級(jí)摻雜半導(dǎo)體稱為非本征半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體稱為非本征半導(dǎo)體 施主施主donor雜質(zhì)雜質(zhì)施主施主donordonor雜質(zhì)原子：雜質(zhì)原子向?qū)峁┝穗娮与s質(zhì)原子：雜質(zhì)原子向?qū)峁┝穗娮?；N型半導(dǎo)體：由于型半導(dǎo)體：由于施主雜質(zhì)原子增加導(dǎo)帶電子并不產(chǎn)生價(jià)帶空穴；施主

3、雜質(zhì)原子增加導(dǎo)帶電子并不產(chǎn)生價(jià)帶空穴；由于由于N型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中電子濃度大于空穴濃度，電子稱為多數(shù)載流子，電子濃度大于空穴濃度，電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流子。空穴稱為少數(shù)載流子。受主受主acceptor雜質(zhì)雜質(zhì)受主受主acceptoracceptor雜質(zhì)原子：雜質(zhì)原子從價(jià)帶獲得電子雜質(zhì)原子：雜質(zhì)原子從價(jià)帶獲得電子 ；P型半導(dǎo)體：由于型半導(dǎo)體：由于受主雜質(zhì)原子在價(jià)帶產(chǎn)生空穴，但不在導(dǎo)帶產(chǎn)生受主雜質(zhì)原子在價(jià)帶產(chǎn)生空穴，但不在導(dǎo)帶產(chǎn)生電子；電子；由于由于P P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴濃度大于電子濃度，空穴稱為多數(shù)載流子，空穴濃度大于電子濃度，空穴稱為多數(shù)載流子，電子稱為少數(shù)載流子。電子

4、稱為少數(shù)載流子。4.2.2 電離能靜電力與離心力平衡角動(dòng)量量子化波爾半徑M*電導(dǎo)有效質(zhì)量見劉恩科第四版P95r1約為硅晶格常數(shù)四倍4.2.2 電離能4.3非本征Extrinsic半導(dǎo)體4.3.1 電子和空穴的平衡狀態(tài)分布4.3.1 電子和空穴的平衡狀態(tài)分布4.3.2 n0和p0的乘積4.3.4 簡(jiǎn)并與非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體非簡(jiǎn)并非簡(jiǎn)并Nondegenerate半導(dǎo)體半導(dǎo)體：雜質(zhì)原子在：雜質(zhì)原子在n n型半導(dǎo)體中引入分立型半導(dǎo)體中引入分立的、無相互作用的施主能級(jí)，而在的、無相互作用的施主能級(jí)，而在p p型半導(dǎo)體中引入分立的、無相型半導(dǎo)體中引入分立的、無相互作用的受主能級(jí)互作用的受主能級(jí)；n型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：型

5、簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：導(dǎo)帶中的電子濃度超過了狀態(tài)密度導(dǎo)帶中的電子濃度超過了狀態(tài)密度N Nc c時(shí)，費(fèi)米能時(shí)，費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶內(nèi)部；并不產(chǎn)生價(jià)帶空穴；級(jí)位于導(dǎo)帶內(nèi)部；并不產(chǎn)生價(jià)帶空穴；p型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：價(jià)帶中的空穴濃度超過了狀態(tài)密度價(jià)帶中的空穴濃度超過了狀態(tài)密度N Nv v時(shí)，費(fèi)米能時(shí)，費(fèi)米能級(jí)位于價(jià)帶內(nèi)部；級(jí)位于價(jià)帶內(nèi)部；4.4 施主和受主的統(tǒng)計(jì)分布施主和受主的統(tǒng)計(jì)分布電子占據(jù)施主能級(jí)的概率函數(shù)：4.4.1概率分布函數(shù)Pd空穴占據(jù)受主能級(jí)的密度， Ed受主能級(jí)的能量，g簡(jiǎn)并因子nd電子占據(jù)施主能級(jí)的密度， Ed施主能級(jí)的能量4.4.2 完全電離和束縛態(tài)（完全電離和束縛態(tài)（Complete I

6、onization and Freeze-out）導(dǎo)帶電子：4.4.2 完全電離和束縛態(tài)（完全電離和束縛態(tài)（Complete Ionization and Freeze-out）完全電離完全電離4.4.2 完全電離和束縛態(tài)（完全電離和束縛態(tài)（Complete Ionization and Freeze-out）在室溫下，施主能級(jí)基本上處于完全電離狀態(tài)在室溫下，施主能級(jí)基本上處于完全電離狀態(tài) ；受主；受主原子原子也基本上處于完全電離狀態(tài)。也基本上處于完全電離狀態(tài)。 4.4.2 完全電離和束縛態(tài)（完全電離和束縛態(tài)（Complete Ionization and Freeze-out）在在T=0KT

7、=0K下，沒有電子從施主能級(jí)熱激發(fā)到導(dǎo)帶，這種現(xiàn)象稱為下，沒有電子從施主能級(jí)熱激發(fā)到導(dǎo)帶，這種現(xiàn)象稱為束縛束縛態(tài)態(tài) ；沒有電子從價(jià)帶躍遷到?jīng)]有電子從價(jià)帶躍遷到受主受主能級(jí)，這種現(xiàn)象也稱為能級(jí)，這種現(xiàn)象也稱為束縛態(tài)束縛態(tài)。 4.5 電中性狀態(tài)電中性狀態(tài)(Charge Neutrality) 補(bǔ)償半導(dǎo)體：是指在同一區(qū)域內(nèi)同時(shí)含有施主和受主雜質(zhì)原子的半導(dǎo)體。 NdNa，n型補(bǔ)償半導(dǎo)體； Na Nd ，p型補(bǔ)償半導(dǎo)體； Na = Nd ，完全補(bǔ)償半導(dǎo)體。4.5.1補(bǔ)償半導(dǎo)體補(bǔ)償半導(dǎo)體(Compensated Semiconductors)4.5.2平衡電子和空穴濃度4.5.2平衡電子和空穴濃度平衡電子和空穴濃度 正負(fù)電荷密度相等即電中性條件： n0+N-a=p0+Nd+ n0+(Na-pa)=p0+(Nd-nd)假設(shè)完全電離： nd 和pa均為零，則 n0+