半導體的簡并化效應.doc

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1、（如何由Fermi能級來判斷非簡并、簡并、強簡并和弱簡并？什么是雜質(zhì)能帶和能帶尾？什么是禁帶變窄效應？什么是載流子屏蔽效應？是否簡并、是強簡并還是弱簡并？）XieMeng-xian.?(電子科大，成都市)?簡并與否是半導體的一種基本特性。簡并半導體具有其獨特的性質(zhì)——簡并化效應。（1）簡并化的標準：因為簡并半導體中的載流子濃度很大，則其Fermi能級必然很靠近導帶底（對n型半導體）或者靠近價帶頂（對p型半導體），甚至還有可能進入到能帶里面去。Fermi能級進入到了能帶里面的半導體，有時特稱為強簡并半導體。實際上，對n型半導體，在EF與EC接近、還相差2kT時，就已經(jīng)開始出現(xiàn)簡

2、并化效果了，所以往往就把(EC－EF)是否小于2kT的條件作為判斷出現(xiàn)簡并化與否的標準，即：?當然，本征半導體因其Fermi能級在禁帶中央，它必然是非簡并半導體。摻雜濃度越高、溫度越低，就越容易產(chǎn)生簡并化。（2）簡并化效應：簡并半導體具有許多獨特的性質(zhì)，對半導體器件工作影響較大的一些效應主要有：???????①出現(xiàn)雜質(zhì)能帶和雜質(zhì)導電：對于高摻雜的簡并半導體，當其中分散的各個雜質(zhì)原子的外層電子的軌道發(fā)生相互重疊（即雜質(zhì)原子上的基態(tài)電子可在各個雜質(zhì)原子之間作“共有化”運動）時，即將出現(xiàn)所謂雜質(zhì)能帶（即雜質(zhì)能級展寬為雜質(zhì)能帶，類似于原子組成晶體時而出現(xiàn)能帶一樣）。在圖中即示出了簡并

3、n型半導體的施主雜質(zhì)能帶。雖然雜質(zhì)能帶不一定很寬（因為雜質(zhì)原子的間距比晶格常數(shù)大得多，則軌道的重疊不會太多），其中“載流子”的遷移率不是很大，但是在低溫下（這時主能帶的導電貢獻將很小），雜質(zhì)能帶的導電作用卻往往不可忽視，這就產(chǎn)生所謂低溫雜質(zhì)導電現(xiàn)象。注意：雖然說雜質(zhì)能帶中的電子也作“共有化”運動，但這些電子并不像晶體價電子那樣是真正的共有化電子——Bloch態(tài)的電子，因為雜質(zhì)原子的分布并不規(guī)則，并且更談不上具有周期性。?②產(chǎn)生導帶和價帶的能帶尾：在摻雜濃度很高時，大量雜質(zhì)中心的電勢即會影響到晶體的周期性勢場，從而對能帶產(chǎn)生擾動，使得在禁帶中、在靠近導帶底或價帶頂?shù)母浇幊霈F(xiàn)所

4、謂能帶尾，并與雜質(zhì)能帶相連（見圖）。③禁帶寬度變窄：對于高摻雜的簡并半導體，由于雜質(zhì)能帶和能帶尾的出現(xiàn)，當雜質(zhì)能帶隨著摻雜濃度的提高而展寬、并達到與導帶底或價帶頂相連接時，即就相當于使得禁帶寬度變窄了（如圖所示，禁帶寬度由原來較寬的Eg變?yōu)榱溯^窄的Eg’）。在室溫下，n型Si中由于高摻雜（雜質(zhì)濃度為ND）而使禁帶寬度變窄的量可給出為：?禁帶寬度的變窄即相應地使本征載流子濃度大大增加。因而，少數(shù)載流子的濃度也相應地大大增加。可見，禁帶寬度變窄的效應對少數(shù)載流子濃度有很大影響，從而對依靠少數(shù)載流子工作的BJT等半導體器件會產(chǎn)生嚴重的影響。但是，禁帶寬度變窄效應一般對多數(shù)載流子濃度

5、沒有什么影響（因為在室溫下雜質(zhì)往往是全電離的，多數(shù)載流子濃度≈摻雜濃度）。④出現(xiàn)載流子屏蔽效應：例如，對于n型半導體，在電子濃度大于施主雜質(zhì)濃度時，每一個施主中心都可被很多電子所包圍，從而減弱了該施主中心對其外層價電子的束縛勢能；當電子濃度足夠高時，就會造成施主中心完全喪失了對價電子的束縛作用，即就使得雜質(zhì)的電離能降到0。對于p型半導體，情況類似。實驗表明，在Si中，當ND≈2~3×1017cm–3，或NA≈7×1018cm–3時，相應雜質(zhì)的電離能即已經(jīng)減小到0。此外，在出現(xiàn)載流子屏蔽效應時，雜質(zhì)中心散射載流子的作用也將大大減弱，這將使得載流子的遷移率明顯提高。載流子屏蔽雜質(zhì)

6、中心的這種效應，在低摻雜半導體和稀釋電解質(zhì)中特稱為Debye-Huckle屏蔽效應；在簡并半導體和金屬中則往往稱為Fermi-Thomas屏蔽效應。總之，對于簡并半導體，隨著摻雜濃度的提高，雜質(zhì)電離能將下降；并且當摻雜濃度提高到一定程度后即出現(xiàn)雜質(zhì)能帶及其導電現(xiàn)象；若摻雜濃度再進一步提高時即發(fā)生雜質(zhì)能帶與主能帶重疊，同時能帶尾伸長，導致禁帶寬度變窄。???????此外，處在低溫下的載流子往往需要考慮簡并化效應。例如，對于n型Si，在100K以上時，其中的施主一般將會全部電離（即所有施主都能夠提供載流子）；在100K以下時則只有部分電離（即只有部分施主能提供載流子），這正是載流

7、子“凍結”效應，即是說有一部分電子被“凍結”在施主雜質(zhì)上了，而對導電沒有貢獻。在討論存在有凍結效應的載流子濃度等問題時，就應該采用Ferni-Dirac統(tǒng)計分布。