半導(dǎo)體物理分章答案第三章-資料下載頁(yè)
2025-01-13 12:26本頁(yè)面
【正文】 。具體情況可用本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)表達(dá)式分析 。 **0 ln432 npvci mmTkEEE ???1如何理解半導(dǎo)體的器件的極限工作溫度 半導(dǎo)體材料制成的器件都有一定的極限工作溫度，這個(gè)工作溫度受本征載流子濃度制約：一般半導(dǎo)體器件中，載流子主要來(lái)源于雜質(zhì)電離，而將本征激發(fā)忽略不計(jì)。在本征載流子濃度沒(méi)有超過(guò)雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度的溫度范圍，如果雜質(zhì)全部電離，載流子濃度是一定的，器件就能穩(wěn)定工作。但是隨著溫度的升高，本征載流子濃度迅速地增加。例如在室溫附近，純硅的溫度每升高 8K左右，本征載流子的濃度就增加約一倍。而純鍺的溫度每升高12K左右，本征載流子的濃度就增加約一倍。當(dāng)溫度足夠高時(shí)，本征激發(fā)占主要地位，器件將不能正常工作。因此，每一種半導(dǎo)體材料制成的器件都有一定的極限工作溫度，超過(guò)這一溫度后，器件就失效了。 例如，一般硅平面管采用室溫電阻率為 1cm左右的原材料，它是由摻入的施主雜質(zhì)銻而制成的。在保持載流子主要來(lái)源于雜質(zhì)電離時(shí)，要求本征載流子濃度至少比雜質(zhì)濃度低一個(gè)數(shù)量級(jí)，即不超過(guò)。如果也以本征載流子濃度不超過(guò)的話，對(duì)應(yīng)溫度為 526K，所以硅器件的極限工作溫度是 520K左右。鍺的禁帶寬度比硅小，鍺的器件工作溫度比硅低，約為 370K左右。砷化鎵禁帶寬度比硅大，極限工作溫度可高達(dá)720K左右，適宜于制造大功率器件。 1半導(dǎo)體雜質(zhì)能級(jí)被電子占據(jù)的幾率函數(shù)與費(fèi)米分布函數(shù)的不同 因?yàn)殡s質(zhì)能級(jí)和能帶中的能級(jí)是有區(qū)別的，在能帶中的能級(jí)可以容納自旋相反的兩個(gè)電子；而施主能級(jí)只能或者被一個(gè)任意自旋方向的電子占據(jù)，或者不接受電子（空的）這兩種情況中的一種，即施主能級(jí)不允許同時(shí)被自旋方向相反的兩個(gè)電子所占據(jù)。所以不能用費(fèi)米分布函數(shù)表示電子占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的幾率。 1多數(shù)載流子和少數(shù)載流子（多子和少子） 半導(dǎo)體中載流子為電子和空穴， n型半導(dǎo)體以電子導(dǎo)電為主，電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度，故稱電子為 n型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子；空穴為 n型半導(dǎo)體的少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子；對(duì)于 p型半導(dǎo)體，空穴為多子，電子為少子。 1根據(jù)電中性方程導(dǎo)出各個(gè)溫度區(qū)域的費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度表達(dá)式（以摻一種施主為例） （ 1）非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體載流子濃度基本公式： )e x p ()e x p (0000TkEENpTkEENnFvvFcc????? 為了求出在某溫度和雜質(zhì)濃度下載流子濃度的具體表達(dá)式，通常采用如下過(guò)程：寫(xiě)出電中性條件，列出電中性方程，解出 EF，代入上面給出的基本公式中求出其載流了濃度。 （ 2）雜質(zhì)半導(dǎo)體的電中性方程與下列物理量有關(guān)： 施主能級(jí)上的電子濃度： 受主能級(jí)上的空穴濃度： 電離施主濃度： 電離受主濃度： ???????? ??????????? ???????????? ??????????? ?????TkEENpTkEENnTkEENpTkEENnFAAAFDDDAFAAFDDD0000e x p21e x p21e x p211e x p211中性 中性 帶正電 帶負(fù)電 （ 3）平衡態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體處于電中性，即總的正電荷和負(fù)電荷必須相等，其電中性條件一般可寫(xiě)為： ?? ??? AD pnnp 00（ 4）非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體各種情況下的 EF， n0， p0的計(jì)算公式為： ① 本征半導(dǎo)體： 電中性條件 電中性方程 費(fèi)米能級(jí) 載流子濃度 )2e x p ()(ln22)e x p ()e x p (02/10000000TkENNpnnNNTkEEEETkEENTkEENpngvcicvvcFiFvvFcc?????????????② 雜質(zhì)半導(dǎo)體： 電中性條件 電中性方程 )e x p (21)e x p ()e x p (000000TkEENTkEENTkEENnpnFDDFvvFcc ???????????（ A）在雜質(zhì)電離起作用的溫度范圍內(nèi)，上式中的 p0可以忽略，即， )e x p (21)e x p (00TkEENTkEENFDDFcc ??????解得： 020220220210000,2424lne x p811241e x p81lnnnpnNNnnnNNTkEETkENNNnnTkENNTkEEiiDDiiDDiFDcDDDDcDDF?????????????????????? ???????????????????????????? ?????（ B）在本征激發(fā)起作用的溫度范圍內(nèi)， 可以將上述兩個(gè)溫度范圍細(xì)分為五個(gè)溫度區(qū)域： cvvcFiiDDiFcDcFDcDDFcDDcFNNTkEEEnnNNTkEENNTkEETkENNTkEENNTkEEEln2224lnln41e x p81ln2ln2)(21022002/1000???????????????????????????????????????? ???????低溫弱電離區(qū)： 中間電離區(qū)： 飽和電離區(qū)： 過(guò)渡區(qū)： 高溫本征激發(fā)區(qū)： iiiDDiDDcDDDDcnpnnnpnNNnnnpNnTkENNNnTkENNn?????????????? ???????????? ?????????00020220020021000210,24,e x p81122e x p2低溫弱電離區(qū)： 中間電離區(qū)： 飽和電離區(qū)： 過(guò)渡區(qū)： 高溫本征激發(fā)區(qū)：
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