2022-2023学年高二物理竞赛课件：本征半导体

本征半导体

本征半导体

当上式满足时,导带电子的电荷密度(-e)n同价带空穴的电荷密度(+e)p大小相等,符号相反,半导体处于电中性状态,通常称这种关系为电中性条件或电中性方程.一、电中性条件

所谓本征半导体，就是完全没有杂质和缺陷的半导体。导带中的电子都是由价带激发得到的，（只有导带和价带，禁带中没有杂质能级)，即半导体中共价键是饱和的、完整的。T>0K时，电子从价带激发到导带，称为本征激发。若要求电子总数不变，必须导带中的电子浓度等于价带中的空穴浓度，即

在任何温度下,要求半导体保持电中性条件,同保持电子总数不变的条件是一致的.(Intrinsicsemiconductor)二、本征费米能级（intrinsicfermilevel）由电子和空穴浓度的表达式和电中性条件,得

两端取对数后,得Ei表示本征半导体的费米能级.,Ei恰好位于禁带中央.实际上NC和NV并不相等,是1的数量级.所以Ei在禁带中央上下约为kT的范围之内.EcEiEv本征半导体的能带图当,若mdn=mdp

在室温下(300K),,它与半导体的禁带宽度相比还是很小的，如：Si的Eg＝1.12eV。例:

室温时硅(Si)的Ei就位于禁带中央之下约为0.01eV的地方.

也有少数半导体,Ei相对于禁带中央的偏离较明显.如,在室温下,本征费米能级移向导带.Ei移向导带底三、本征载流子浓度任何非简并半导体，热平衡条件下，皆有：本征半导体电中性条件：三、本征载流子浓度

上式表明，本征载流子浓度只与半导体本身的能带结构和温度T有关。在一定温度下，禁带宽度越窄的半导体，本征载流子浓度越大。对于一定的半导体，本征载流子浓度随着温度的升高而迅速增加.

表4.3中列出室温下硅、锗、砷化镓三种半导体材料的禁带宽度和本征载流子浓度的数值.表4.3在室温下(300K),Si、Ge、GaAs的本征载流子浓度和禁带宽度SiGeGaAsni(cm-3)Eg(eV)1.120.671.43

我们把载流子浓度的乘积np用本征载流子浓度ni表示出来,得

在热平衡情况下,若已知ni和一种载流子浓度,则可以利用上式求出另一种载流子浓度.

一定温度下，任何非简并半导体的热平衡载流子的浓度的乘积

即，与所含杂质无关。因此，它不仅适用于本征半导体材料，而且也适用于非简并的杂质半导体材料。意义：可作为判断半导体材料是否达到热平衡的判据。热平衡条件下，n0、p0均为常数，，

单位时间单位体积内产生的载流子数等于单位时间单位体积内复合掉的载流子数，即，产生率=复合率。电子和空穴浓度的另一种形式

把电子和空穴浓度公式用本征载流子浓度ni(或pi)和本征费米能级Ei可写成下面的形式:练习题：利用（4.22）和(4.25)式，导出上面两个表达式(4.34)(4.35)一、载流子浓度导带电子浓度讨论载流子简并化对载流子分布的影响：二、发生简并的条件对于n型半导体，施主杂质提供给导带的电子密度接近导带有效状态密度时，半导体发生简并；对于p型半导体，受主杂质提供给价带的空穴密度接近价带有效状态密度时，半导体发生简并；杂质电离能小的杂质，杂质浓度较小时就会发生简并。对于不同种类的半导体，导带有效状态密度和价带有效密度各不相同。一般规律是有效状态密度小的材料，其发生简并的杂质浓度较小。载流子简并化引起禁带变窄（带尾效应）杂质浓度高 电子相互间靠近，相互作用加剧电子波函数重叠 杂质能级变能带 杂质电离能减小 杂质能带进入导