载流子屏障杂质核心的这种效应

发布日期:2019-09-20       浏览人数:

  (若何由 Fermi 能级来判断非简并、简并、强简并和弱简并?什么是杂质能带和能带尾? 什么是禁带变窄效应?什么是载流子屏障效应?能否简并、是强简并仍是弱简并?) Xie Meng-xian. (电子科大,成都会) 简并取否是半导体的一种根基特征。简并半导体具有其奇特的性质——简并化效应。 (1)简并化的尺度: ) 简并化的尺度: 由于简并半导体中的载流子浓度很大,则其 Fermi 能级必然很接近导带底(对 n 型半导体)或者接近价带顶(对 p 型半 导体),以至还有可能进入到能带里面去。Fermi 能级进入到了能带里面的半导体,有时特称为强简并半导体。 现实上,对 n 型半导体,正在 EF 取 EC 接近、还相差 2kT 时,就曾经起头呈现简并化结果了,所以往往就把 (EC-EF) 是 否小于 2kT 的前提做为判断呈现简并化取否的尺度,即: 当然,本征半导体因其 Fermi 能级正在禁带地方,它必然简并半导体。浓度越高、温度越低,就越容易发生简并 化。 (2)简并化效应: )简并化效应: 简并半导体具有很多奇特的性质,对半导体器件工做影响较大的一些效应次要有: ①呈现杂质能带 杂质能带和杂质导电: 杂质能带 对于高的简并半导体,当其平分散的各个杂质原子的外层电子的轨道发生彼此堆叠(即杂质原子上的基态电子可正在各个杂 质原子之间做“共有化”活动) 即将呈现所谓杂质能带 时, (即杂质能级展宽为杂质能带 ,雷同于原子构成晶体时而呈现能带一样) 。 正在图中即示出了简并 n 型半导体的施从杂质能带。虽然杂质能带不必然很宽(由于杂质原子的间距比晶格大得多,则轨道 的堆叠不会太多),此中“载流子”的迁徙率不是很大,可是正在低温下(这时从能带的导电贡献将很小),杂质能带的导电感化却 往往不成轻忽,这就发生所谓低温杂质导电现象。留意:虽然说杂质能带中的电子也做“共有化”活动,但这些电子并不像晶体价 电子那样是实正的共有化电子——Bloch 态的电子,由于杂质原子的分布并犯警则,而且更谈不上具有周期性。 ②发生导带和价带的能带尾 能带尾: 能带尾 正在浓度很高时,大量杂质核心的电势即会影响到晶体的周期性势场,从而对能带发生扰动,使得正在禁带中、正在接近 导带底或价带顶的附近处呈现所谓能带尾,并取杂质能带相连(见图)。 ③禁带宽度变窄: 对于高的简并半导体,因为杂质能带和能带尾的呈现,当杂质能带跟着浓度的提高而展宽、并达到取导带底或 价带顶相毗连时,即就相当于使得禁带宽度变窄了(如图所示,禁带宽度由本来较宽的 Eg 变为了较窄的 Eg’)。正在室温下,n 型 Si 中因为高(杂质浓度为 ND)而使禁带宽度变窄的量可给出为: 禁带宽度的变窄即响应地使本征载流子浓度大大添加。因此,少数载流子的浓度也响应地大大添加。 可见,禁带宽度变窄的效应对少数载流子浓度有很大影响,从而对依托少数载流子工做的 BJT 等半导体器件会发生严沉 的影响。可是,禁带宽度变窄效应一般对大都载流子浓度没有什么影响(由于正在室温下杂质往往是全电离的,大都载流子浓度≈ 浓度)。 ④呈现载流子屏障效应: 例如,对于 n 型半导体,正在电子浓度大于施从杂质浓度时,每一个施从核心都可被良多电子所包抄,从而削弱了该施从 核心对其外层价电子的势能;当电子浓度脚够高时,就会形成施从核心完全了对价电子的感化,即就使得杂质的 电离能降到 0。对于 p 型半导体,环境雷同。尝试表白,正在 Si 中,当 ND≈2~3×1017cm–3,或 NA≈7×1018cm–3 时,响应杂质 的电离能即曾经减小到 0。 此外,正在呈现载流子屏障效应时,杂质核心散射载流子的感化也将大大削弱,这将使得载流子的迁徙率较着提高。 载流子屏障杂质核心的这种效应,正在低半导体和稀释电解质中特称为 Debye-Huckle 屏障效应 屏障效应;正在简并半导体和金 属中则往往称为 Fermi-Thomas 屏障效应 屏障效应。 总之,对于简并半导体,跟着浓度的提高,杂质电离能将下降;而且当浓度提高到必然程度后即呈现杂质能带 及其导电现象;若浓度再进一步提高时即发生杂质能带取从能带堆叠,同时能带尾伸长,导致禁带宽度变窄。 此外,处正在低温下的载流子往往需要考虑简并化效应。例如,对于 n 型 Si,正在 100K 以上时,此中的施从一般将会全数电 离(即所有施从都可以或许供给载流子);正在 100K 以下时则只要部门电离(即只要部门施从能供给载流子),这恰是载流子 冻结 载流子“冻结 载流子 冻结” 效应,便是说有一部门电子被“冻结”正在施从杂质上了,而对导电没有贡献。正在会商存正在有冻结效应的载流子浓度等问题时,就应 效应 该采用 Ferni-Dirac 统计分布。

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