Собственный полупроводник
Уравнение электронейтральности в этом случае (рис. 8.6 а):
Nd = Na = nd =pa = 0
no = po (8.29)
В собственном полупроводнике отсутствуют примеси и уровень Ферми близок к середине зоны, т.е. выполняется условие невырожденного полупроводника:
(8.30)
(8.31)
Рассмотрим частные случаи.
1. T = 0,
2. , EF не меняется с ростом температуры
3. , EF идет в сторону меньшей эффективной массы с ростом температуры (Рис. 8.6 б)
Рис. 8.6. Собственный полупроводник (а) и температурная зависимость уровня Ферми (б)
Собственная концентрация носителей заряда
(8.32)
При 300 К:
Si ni = 1,9×1010 см–3 DЕ = 1,11 эВ
Ge ni = 2,0×1013 см–3 DЕ = 0,67 эВ
InSb ni = 2,0×1016 см–3 DЕ = 0,18 эВ
Из температурной зависимости (рис. 8.7) можно определить ширину запрещенной зоны полупроводника. С ростом температурыDЕ обычно уменьшается:
DЕg = (0,26 – 2,7×10–4Т) эВ (для InSb)
DЕg = (DЕgo – aT)
Полупроводник с примесью одного типа
Пусть Na = 0, т.е. донорный полупроводник (рис. 8.4):
no + nd – po = Nd (8.33)
Рис. 8.7. Определение ширины запрещенной зоны из температурной зависимости концентрации электронов
1. Низкие температуры (po = 0), до начала собственной проводимости
no + nd = Nd
no = Nd – nd = pd (8.34)
(8.35)
Обозначим :
(8.36)
(8.37)
(8.38)
Оставим плюс, так как x > 0.
(8.39)
Проанализируем (8.39).
1. , температуры вблизи 0 К.
Тогда можно пренебречь в (8.39) единицей под радикалом и в квадратных скобках:
(8.40)
Если T = 0, то
С ростом Т уровень Ферми поднимается, так как Nd > 2Nc, a Nc ~ , и проходит через максимум, а затем понижается, пересекая
при 2Nc = Nd (рис. 8.8). В этом интервале температур, где работает формула (8.40), концентрация электронов:
(8.41)
Рис. 8.8. Температурная зависимость положения уровня Ферми
Таким образом, из температурной зависимости можно найти энергию активации донорного уровня:
(рис. 8.9(1)).
Рис. 8.9. Температурная зависимость концентрации носителей заряда в донорном полупроводнике
2. Более высокие Т: , также Nc>>8Nd.
Разлагая радикал в (8.39) в ряд и ограничиваясь первым членом разложения:
, (8.42)
так как Nc > Nd:
(8.43)
С ростом Т уровень Ферми удаляется (опускается) от Ес. Концентрация электронов:
, (8.44)
т.е. n ¹ f(T) и равна концентрации примеси – все примесные уровни ионизованы. Это истощение (рис. 8.8(2)).
В этой области можно определить концентрацию примесных атомов (рис. 8.9(2)). В области истощения резко возрастает концентрация неосновных носителей заряда:
(8.45)
3. Высокие температуры
Дырок много, а донорный уровень истощен . Исходное уравнение:
(8.46)
Так как , то
(8.47)
(8.48)
Оставим плюс, учтем и
, получаем
(8.49)
1. Не очень высокие Т: , т.е.
Так как n = Nd, то .
Из (8.49):
, (8.50)
что совпадает с (8.43), т.е. область истощения примеси.
2. Очень высокие Т: , т.е.
Из (17): n = ni, из (18):
, (8.51)
т.е. аналогично собственному полупроводнику (рис. 8.8(3)).
Из зависимости можно определить DЕg и Еi (рис. 8.9).