本征半导体是不含杂质的高纯度材料。在绝对零度时,这些半导体会表现为完美的绝缘体,因为所有价电子都会被束缚,并且导带是空的且不允许电传导。费米能级是一个用来描述电子在热平衡时占据能级概率的概念。在本征半导体中,费米能级位于能隙为绝对零度时的中点。当半导体中的温度升高时,热能会将一些电子从价带激发到导带,从而产生电子-空穴对(EHP)。由于电子可以在导带中进行自由的移动,而空穴则可以像价带中的正电荷载流子一样,因此电子-空穴对的产生能够实现传导。
本征载流子浓度(表示为 n_i)是指热平衡状态下纯半导体中自由电子或空穴的数量。它是一个与温度相关的数值,可以用以下公式来进行表示:
其中,B 为材料常数,T 为温度,E_g 为带隙能,k 为玻尔兹曼常数。
在绝对零度以上的任何温度下,能够以 g_i 的速率产生电子-空穴对,并以 r_i 的速率进行重组。为了能够使半导体保持热平衡状态,这些速率必须是相等的。复合的速率与电子(n_0)和空穴(p_0)浓度的乘积成正比,可以表示为:
其中,α_r 为复合系数。
本征半导体可以通过掺杂(引入杂质以改变材料的电性能)的方式使其变为非本征半导体。在本征半导体中掺杂五价原子,便可以通过添加自由电子的方式来产生 N 型材料。相反,三价掺杂剂则会产生普遍存在空穴的 P 型材料,使得费米能级能够向价带进行移动,同时还会改变半导体中的导电性能。
来自章节 10:
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