本征半导体载流子的浓度概念及影响因素解读

最新推荐文章于 2025-03-20 22:47:30 发布

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分类专栏：硬件设计文章标签：单片机嵌入式硬件物联网硬件工程人工智能

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1.本征激发

本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。

复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。

动态平衡：在一定温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，故达到动态平衡。即在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。

本征半导体载流子的浓度受环境温度影响：当环境温度升高时，热运动加剧，自由电子增多，同时空穴也增多，两者数量一定，因此导电性能增强；当环境温度降低时，热运动减弱，自由电子和空穴都减小，即载流子减少，导电性变差。

Ni表示自由电子浓度（cm-3)

Pi表示空穴浓度（cm-3）

T为热力学温度：T（K）=t（℃）+273.15

K为玻尔兹曼常数：8.63*10-5eV/K。

EGO为热力学零度时破坏共份键所需的能量，又称禁带宽度（硅为1.21eV，锗为0.785eV）

K1是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量（硅为3.87*1016cm-3*k-3/2锗为1.76*1016cm-3*k-3/2）

当T（K）=0时，自由电子与空穴的浓度为0，即为绝缘体。随温度的升高，本征半导体内部的载流子近似呈指数级增长。在实际电子产品应用中，其温度范围是-40~+85℃。

2. 名词解释

2.1玻尔兹曼常数

是一个物理常数，用于描述气体分子的平均动能与气体温度之间的关系。它定义为理想气体中一个分子的平均动能与该气体的绝对温度之比。

2.2禁带宽度（Band gap）

是指在固体材料中，导带（导电带）和价带（价电带）之间的能量间隙。这个能量间隙决定了电子在材料中的运动状态，即电子必须获得足够的能量才能从价带跃迁到导带，从而参与导电。禁带宽度的大小是半导体的一个重要特征参数，它主要取决于半导体的能带结构，与晶体结构和原子的结合性质等有关。

禁带宽度的物理意义在于，它反映了价电子被束缚的强弱程度，也就是产生本征激发所需要的最小能量。在半导体中，价带中的电子（价电子）本身不能导电，只有当这些价电子跃迁到导带，产生自由电子和自由空穴后，材料才能导电。空穴实际上是价电子跃迁后留下的价键空位，一个空穴的运动等效于一大群价电子的运动。禁带宽度对半导体器件的性能有着直接的影响，它决定了器件的耐压和最高工作温度。

例如，对于双极型晶体管（BJT），如果发射区因为高掺杂而出现禁带宽度变窄，将会导致电流增益大大降低。此外，禁带宽度还与温度和掺杂浓度等因素有关，具有负的温度系数，即随着温度的升高，禁带宽度会减小。根据不同的禁带宽度，半导体材料可以分为宽禁带半导体材料和窄禁带半导体材料。若禁带宽度Eg小于2.3eV，则称为窄禁带半导体，如锗Ge、硅Si、砷化镓GaAs以及磷化铟InP；若禁带宽度Eg大于2.3eV则称为宽禁带半导体，如碳化硅SiC、氮化镓GaN等。宽禁带半导体因其独特的电学和热学特性，在高温、高频、高功率等极端环境下运行的应用中具有明显优势。