Почему уровень Ферми n-легированного полупроводника должен быть ниже, чем у p-легированного?

В pn-переходе разница в уровне Ферми между p- и n-допированными областями вызывает появление встроенного электрического поля в равновесии. Это электрическое поле идет от n к p (поэтому, например, положительные носители больше не будут ощущать кулоновское притяжение от доноров ионизированных атомов), а это означает, что уровень Ферми n-допированной области ниже уровня p допинг, но я не вижу элементарного аргумента, объясняющего это.

Ответы (3)

До того, как p-легированные и n-легированные материалы будут соединены, можно подумать, что их зоны проводимости и валентные зоны выровнены (хотя это, вероятно, сомнительное предположение). Мы знаем, что когда они соединяются, уровни Ферми должны быть плоскими, поэтому нам нужно понизить энергию материала n-типа. Мы опускаем сторону n, потому что электроны несутся вниз по склону, то есть мы минимизируем их энергию. Или вы могли бы сказать, что мы перемещаем сторону p вверх, потому что дыра катится вверх по холму. Результат тот же: n-сторона ниже, чем p-сторона.Полупроводниковый материал с p-легированием и n-легированием

После того, как заряд уравновешивается, конечным результатом является изгиб зон, чтобы приспособиться к плоскому уровню Ферми.Формирование pn-перехода.

В равновесии уровень Ферми (или химический потенциал) не должен изменяться на переходе — это и есть термодинамическое условие равновесия.

Когда полупроводник, легированный n, входит в контакт с полупроводником, легированным p, верно, что собственное поле создается на стыке, и это именно то, что служит для выравнивания химических потенциалов. Таким образом, уровень Ферми n-легированного полупроводника должен быть точно таким же, как у p-легированного полупроводника, с которым он находится в контакте (в равновесных условиях).

Да, эту часть я понял, мой вопрос таков: уровни Ферми должны быть равны в равновесии, таким образом, появление электростатического потенциала, который выше в n-области, чем в p; подразумевая, что до достижения равновесия уровень Ферми n-области был ниже уровня Ферми p-области (как это было видно до реализации перехода), почему так?
Уровень Ферми представляет собой электрохимический потенциал электронов в твердом теле. Электрохимический потенциал является термодинамическим интенсивным свойством, которое диктует, каким путем будет течь заряженное вещество. Это похоже на то, как тепло течет по градиенту температуры, заряженное вещество течет по электрохимическому градиенту. Таким образом, перед соединением материал n-типа имеет более высокий уровень Ферми, чем материал p-типа. Во время уравновешивания электроны мигрируют (диффундируют) от n к p, обеспечивая баланс уровня Ферми, но в процессе создания электрического поля в соединении, которое предотвращает дальнейшую диффузию.
также... важно помнить, что заряженные частицы реагируют на «электро»-химический потенциал, что означает, что они реагируют как на концентрацию, так и на градиенты электрического потенциала. таким образом, изначально существует градиент концентрации (у n-типа больше электронов), но позже электрическое поле нарастает так, что комбинированный эффект химического градиента (от n до p) и электрического градиента (от p до n для электронов) представляет собой чистый равновесный баланс. . Вот что имеют в виду, когда говорят о термодинамическом равновесии на стыке

Причина в том, что n-легированный материал имеет дополнительные атомы (донорные атомы), добавленные вблизи зоны проводимости. Они обеспечивают электроны, которые могут легко перейти в зону проводимости, поскольку энергетическая щель между донорным уровнем и зоной проводимости невелика. Теперь над уровнем Ферми больше уровней, что приводит к более высокому распределению электронов. Это видно по повышению уровня Ферми.

В случае p-допирования добавляются бор или другие элементы группы 3, добавляется больше энергетических уровней ближе к валентной зоне. Они могут забрать электрон из валентной зоны, создав дырку в валентной зоне. В этом случае ниже уровня Ферми теперь больше энергетических уровней, поэтому вероятность того, что электрон находится на более низком уровне, выше. Это смещает уровень Ферми вниз, ближе к зоне проводимости.

Почему? Потому что уровень Ферми имеет 50-процентную вероятность заполнения при 0К. Это его определение. функция Ферми, ф является

ф "=" 1 1 + е ( Е − Е ф ) / к Б Т
Когда Е "=" Е ф , ф "=" 0,5 . Вероятность 0,5. Если добавить акцепторные уровни (примеси p), вы можете подумать, что уровень Ферми должен подняться, но он опускается, приближаясь к акцепторным уровням, потому что увеличивается количество СОСТОЯНИЙ, а не количество электронов.

Если добавляются донорные уровни, то добавляются и электроны. Однако в этом случае предполагается, что валентная зона заполнена, и добавление большего количества состояний/уровней энергии выше уровня Ферми сдвигает ее вверх. Для каждого добавляемого вами электрона вы добавляете два состояния, таким образом, наблюдается тот же эффект, что и в случае с акцепторными уровнями, но не такой мощный.

Небольшое замечание: уровень Ферми зависит от температуры.
Некоторые люди говорят, что это не зависит от температуры (может быть, упрощение), но есть исследования, которые также показывают температурную зависимость.
Это просто следует из распределения Ферми, в 2d оно идеально независимое, в 3d оно уменьшается, если число частиц сохраняется.
Уменьшается с повышением температуры, я имел в виду, конечно
Почему уровень Ферми n-легированного полупроводника должен быть ниже, чем у p-легированного?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v