简并半导体

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索

简并半导体英语degenerate semiconductor)是杂质半导体的一种,它具有较高的掺杂浓度,因而它表现得更接近金属

以N型半导体为例,当掺杂杂质原子之前,在它的能带图中,费米能级E_F位于价带E_V导带E_C的中线处。如果逐渐添加施主杂质,在轻度掺杂的情况下,杂质原子会形成杂质能级,并通过受热激发的形式成对地向导带提供电子、向价带提供空穴,费米能级将逐渐向导带靠拢。继续增加施主杂质掺杂浓度,当费米能级接近导带底,使得0 < E_C - E_F < 2k_{0}T(其中k_0波尔兹曼常数T为半导体的热力学温标),这时半导体为弱简并状态;如果费米能级进入导带,即E_C - E_F<0,则半导体处于简并状态。[1]分析处于简并状态下半导体的载流子浓度必须应用严格的费米–狄拉克统计,而不能采用数学计算相对简单的麦克斯韦-玻尔兹曼统计,这是由于导带底附近的量子态基本上都被电子占据(价带顶附近的量子态也基本上都被空穴占据),微观粒子之间的情况必须考虑泡利不相容原理[2]研究发现,当N型半导体处于简并状态下时,其施主杂质并未完全电离,在室温下硅半导体中只有8.4%的施主杂质电离。[3]

在掺杂程度足够高、进入简并状态的情况下,不同原子的电子会形成共有化运动,即这些原子的电子运动波函数相互重叠,从而使杂质能级形成连续的能带。这个杂质能带填充了原来价带、导带之间的能隙,这样,简并半导体的能隙宽度就减小了,[4]从而显示出一些不同寻常的性质。例如,当温度升高,简并半导体的导电性能不会显著增加。另一方面,简并半导体的载流子浓度尽管比非简并半导体高,但还是远低于金属,因此它们会显示出介于半导体和金属的性质。

许多铜的硫化物都是简并的P型半导体,它们的价带中空穴浓度相对较高。掺杂的LaCuOS1-xSex就是这样的一个例子。它是一种宽能隙的P型简并半导体。其空穴浓度基本不随温度改变,这是简并半导体的特征之一。[5]另一个典型的例子是氧化铟锡,由于它的等离子体振荡频率在红外范围[6]因此它是相当好的导体,而且它在可见光频域为透明的。

重掺杂的简并半导体应用较为广泛。1958年研制成功隧道二极管就是利用这样的重掺杂简并半导体制成的,其中N型半导体的费米能级进入导带,而P型半导体的费米能级进入价带。[7]这项发明使其发明者江崎玲于奈在1973年被授予诺贝尔物理学奖[8]

参考文献[编辑]

  1. ^ 刘恩科,朱秉升,罗晋生. 半导体物理学(第4版). 国防工业出版社. 2011. 81-82. ISBN 978-7-118-06562-6. 
  2. ^ 刘恩科,朱秉升,罗晋生. 半导体物理学(第4版). 国防工业出版社. 2011. 80. ISBN 978-7-118-06562-6. 
  3. ^ 刘恩科,朱秉升,罗晋生. 半导体物理学(第4版). 国防工业出版社. 2011. 84. ISBN 978-7-118-06562-6. 
  4. ^ 刘恩科,朱秉升,罗晋生. 半导体物理学(第4版). 国防工业出版社. 2011. 84. ISBN 978-7-118-06562-6. 
  5. ^ Hidenori Hiramatsu, Kazushige Ueda, Hiromichi Ohta, Masahiro Hirano, Toshio Kamiya, and Hideo Hosono. Wide gap p-type degenerate semiconductor: Mg-doped LaCuOSe, Thin Solid Films, Proceedings of the 3rd International Symposium on Transparent Oxide Thin films for Electronics and Optics. 15 December 2003. 
  6. ^ Scott H. Brewer and Stefan Franzen. Indium Tin Oxide Plasma Frequency Dependence on Sheet Resistance and Surface Adlayers Determined by Reflectance FTIR Spectroscopy. J. Phys. Chem. B. 2002, 106 (50): 12986–12992. doi:10.1021/jp026600x. 
  7. ^ 刘恩科,朱秉升,罗晋生. 半导体物理学(第4版). 国防工业出版社. 2011. 85. ISBN 978-7-118-06562-6. 
  8. ^ The Nobel Prize in Physics 1973: Leo Esaki, Ivar Giaever, Brian D. Josephson. Nobelprize.org. [2012-05-01]. 

相关条目[编辑]