background image

 
 
 

Koncentracja nośników w półprzewodnikach

 

 

 
Prawdopodobieństwem zajmowania danego stanu energetycznego przez fermiony rządzi 
statystyka Fermiego-Diraca: 

1

1

)

(

+

=

kT

E

E

F

e

E

f

 , gdzie   jest stałą Boltzmanna, zaś 

F

E

 to energia Fermiego 

 
Przykładowo, dla metali, w temperaturze ok. 300 K: 
 

 

 
 
W przestrzeni odwrotnej poziom Fermiego tworzy kulę, znajdującą się w środku strefy Brillouina. 
Stany poniżej poziomu Fermiego (wewnątrz kuli) są obsadzone, z kolei poza kulą – praktycznie puste. Prąd 
jest przewodzony przez elektrony rozmyte na powierzchni kuli – jest ich o dwa rzędy wielkości mniej, niż 
wewnątrz, ale i tak nie wszystkie biorą udział w przewodzeniu. 
Na sferze o promieniu wyznaczanym przez wektor falowy   gęstość stanów jest jednorodna: 
 

3

4

1

)

(

π

ρ

=

k

 

 
Gęstość zależy od energii, a ta jest proporcjonalna do kwadratu wektora falowego: 
 

*

2

2

2

m

k

E

h

=

 

 
 

background image

Gęstość nośników możemy wyrazić jako stosunek ich koncentracji do objętości: 

dV

dN

k

=

)

(

ρ

 

stąd: 

dk

k

dk

k

dV

k

dN

2

2

2

3

4

4

1

)

(

π

π

π

ρ

=

=

=

 

Jednocześnie możemy napisać:  

dE

E

dN

)

(

ρ

=

 

 

 

Łącząc powyższe równości uzyskujemy:  

dE

dk

k

E

2

2

)

(

π

ρ

=

 

Korzystając z zależności 

*

2

2

2

m

k

E

h

=

 obliczamy pochodną:  

*

2

m

k

dk

dE

h

=

 

 

2

2

2

2

2

*

*

)

(

h

h

m

k

k

m

k

E

π

π

ρ

=

=

 

Z równania 

*

2

2

2

m

k

E

h

=

 mamy również wyrażenie na  :  

h

E

m

k

*

2

=

, które wstawiamy tego powyżej: 

E

m

E

3

2

2

3

2

1

*)

(

2

)

(

h

π

ρ

=

  

 -  jest to zależność prawdziwa na dnie pasma przewodnictwa, tam, gdzie nośniki przewodzą prąd 
 
Nośnikami ładunku mogą być zrówno elektrony, o rozkładzie:  

 

1

1

)

(

+

=

kT

E

E

e

F

e

e

E

f

jak i dziury, oznaczające brak elektronu:   
 

e

d

e

d

E

E

E

f

E

f

=

=

)

(

1

)

(

 , stąd: 

background image

1

1

)

(

+

=

+

kT

E

E

d

F

d

e

E

f

     

-  poziom Fermiego jest taki sam dla elektronów i dziur, znajduje się mniej więcej w połowie przerwy 

energetycznej, tam też wybieramy poziom zerowy: przeskalowujemy energię 

e

g

e

E

E

E

+

2

 

Koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa – całka po strefie Brillouina: 

=

=

=

0

)

(

)

(

)

(

)

(

e

e

e

SB

dE

E

E

f

dE

E

E

f

n

ρ

ρ

+

=

0

2

1

3

2

2

3

2

1

2

*)

(

2

1

1

e

e

kT

E

kT

E

kT

E

dE

E

m

e

e

e

F

g

e

h

π

 

Stosujemy przybliżenie: 

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

F

g

e

F

g

e

F

g

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

2

2

2

1

1

1

=

+

 

=

0

2

1

3

2

2

3

2

1

2

*)

(

2

e

e

kT

E

kT

E

kT

E

dE

E

m

e

e

e

n

F

g

e

h

π

 

 

 

 

= const 

Zamiana zmiennych: 

kT

E

x

e

=

,   

2

1

2

1

2

1

)

(

x

kT

E

e

=

,   

dx

kT

dE

e

=

 

 

dx

x

e

kT

m

e

e

n

x

kT

E

kT

E

F

g

=

0

2

1

3

2

2

3

2

3

2

1

2

)

(

*)

(

2

h

π

 

 

 

 

 

 

 

 

|| 

 

 

 

 

 

 

         

2

π

 

Ostatecznie: 

kT

E

kT

E

e

F

g

e

e

kT

m

n

2

2

3

2

*

2

2





=

h

π

   -  koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa 

 
Wykonując analogiczne obliczenia w przypadku dziur otrzymalibyśmy: 
 

kT

E

kT

E

d

F

g

e

e

kT

m

p





=

2

2

3

2

*

2

2

h

π

 -  koncentracja dziur w paśmie walencyjnym 

 
 
 
 
 
 

background image

 

 

 

Półprzewodniki samoistne 

 

Poziom Fermiego dla półprzewodnika niedomieszkowanego (samoistnego) oznaczamy symbolem 

S

F

E

W półprzewodniku takim liczba elektronów jest równa liczbie dziur: 

S

n

p

n

=

=

 

Korzystając ze wzorów: 

kT

E

kT

E

e

F

g

e

e

kT

m

n

2

2

3

2

*

2

2





=

h

π

      i       

kT

E

kT

E

d

F

g

e

e

kT

m

p





=

2

2

3

2

*

2

2

h

π

 

Otrzymujemy zależność: 

kT

E

d

kT

E

e

S

F

S

F

e

m

e

m

=

2

3

*

2

3

*

)

(

)

(

 

2

3

*

*

2





=

e

d

kT

E

m

m

e

S

F

      

*

*

ln

4

3

e

d

S

F

m

m

kT

E

=

 

 
Mając poziom Fermiego, możemy policzyć koncentrację nośników 

S

kT

E

kT

E

e

S

S

F

g

e

e

kT

m

n

2

2

3

2

*

2

2





=

h

π

 

4

3

*

*

ln

4

3

*

*





=

=

e

d

kT

m

m

kT

kT

E

m

m

e

e

e

d

S

F

 

Mnożymy ten wyraz przez 

( )

2

3

*

e

m

( )

(

)

[

]

2

3

2

1

*

*

4

3

*

*

2

3

*

d

e

e

d

e

m

m

m

m

m

=





 

Wyrażenie 

(

)

2

1

*

*

d

e

m

m

 to masa zredukowana:  

(

)

*

2

1

*

*

r

d

e

m

m

m

=

 

A więc: 

kT

E

r

S

g

e

kT

m

n

2

2

3

2

*

2

2





=

h

π

 

- koncentracja samoistna zależy tylko od masy zredukowanej, przerwy energetycznej i temperatury