準(zhǔn)費(fèi)米能級，準(zhǔn)費(fèi)米能級存在的物理基礎(chǔ)是什么

來源：整理時(shí)間：2023-09-03 14:39:10 編輯：智能門戶手機(jī)版

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1，準(zhǔn)費(fèi)米能級存在的物理基礎(chǔ)是什么
2，準(zhǔn)費(fèi)米能級的介紹
3，對本征的半導(dǎo)體加光照準(zhǔn)費(fèi)米能級是不是對稱的
4，準(zhǔn)費(fèi)米能級的應(yīng)用
5，準(zhǔn)費(fèi)米能級的特點(diǎn)簡答

1，準(zhǔn)費(fèi)米能級存在的物理基礎(chǔ)是什么

非平衡載流子對于其他情況不成立

電子

準(zhǔn)費(fèi)米能級存在的物理基礎(chǔ)是什么

2，準(zhǔn)費(fèi)米能級的介紹

準(zhǔn)Fermi能級這個(gè)概念是為了方便討論非平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布以及載流子濃度的能級而引入的。

準(zhǔn)費(fèi)米能級的介紹

3，對本征的半導(dǎo)體加光照準(zhǔn)費(fèi)米能級是不是對稱的

首先要知道什么是費(fèi)米能級，它表示什么。樓主也要明確一個(gè)概念，你所說的費(fèi)米能級是摻雜費(fèi)米能級，而不是本征費(fèi)米能級。(本征)費(fèi)米能級以下，被電子占據(jù)的幾率為50%，當(dāng)你摻雜時(shí)，載流子電子增多，費(fèi)米能級向?qū)б苿樱?通俗得想，電子多了，原來本征費(fèi)米能級以下的地方還能夠用嗎?自然需要更多的空間，此空間是能量空間，不是我們通常認(rèn)識的幾何空間)，移動后的費(fèi)米能級就是摻雜費(fèi)米能級，而本征費(fèi)米能給是不動的。當(dāng)摻雜越來越多，摻雜費(fèi)米能級就越長越高，最后接近甚至進(jìn)入導(dǎo)帶，也就是常說的簡并~當(dāng)摻雜P雜質(zhì)時(shí)，摻雜費(fèi)米能級將向價(jià)帶移動。。。。。類似的過程~~

對本征的半導(dǎo)體加光照準(zhǔn)費(fèi)米能級是不是對稱的

4，準(zhǔn)費(fèi)米能級的應(yīng)用

①引入了準(zhǔn)Fermi能級之后，就能夠仿照采用Fermi-Drac統(tǒng)計(jì)來分析平衡載流子分布那樣，來分析非平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布。若導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的準(zhǔn)Fermi能級分別為Efn和Efp，則可以近似地表示出非平衡態(tài)載流子的所謂準(zhǔn)Fermi分布函數(shù)為fn(E)=1/②同時(shí)，仿照平衡載流子濃度的表示，也可以直接給出非平衡狀態(tài)時(shí)的總電子濃度n和非平衡狀態(tài)時(shí)的總空穴濃度p的表示式為n=no+Δn=Nc×exp[-(Ec-Efn)/kT]， p=po+Δp=Nv×exp[-(Efp-Ev)/kT]?？傊瑢τ诜瞧胶鉅顟B(tài)的半導(dǎo)體，沒有統(tǒng)一的一條Fermi能級，但是可以認(rèn)為導(dǎo)帶和價(jià)帶分別處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)，則對于其中的非平衡電子和非平衡空穴，可以引入相應(yīng)的電子準(zhǔn)Fermi能級（Efn）和空穴準(zhǔn)Fermi能級（Efp）來分別描述其分布狀況。③由非平衡載流子的濃度表示式，可以見到，準(zhǔn)Fermi能級在能帶中的位置即分別表征了總的電子和總的空穴的濃度大?。嚎偟碾娮訚舛萵越大，Efn就越靠近導(dǎo)帶底Ec；總的空穴濃度p越大，Efp就越靠近價(jià)帶頂Ev。在小注入情況下，對于非平衡態(tài)的n型半導(dǎo)體，其中電子是多數(shù)載流子，總的非平衡電子濃度與總的平衡電子濃度差不多，因此，這時(shí)電子的準(zhǔn)Fermi能級與平衡態(tài)時(shí)系統(tǒng)的Fermi能級基本上是一致的，處于導(dǎo)帶底附近；但是空穴——少數(shù)載流子的準(zhǔn)Fermi能級卻偏離平衡態(tài)時(shí)系統(tǒng)的Fermi能級較遠(yuǎn)，處于近價(jià)帶頂附近。對于非平衡態(tài)的p型半導(dǎo)體，情況相反，空穴準(zhǔn)Fermi能級與平衡態(tài)時(shí)系統(tǒng)的Fermi能級基本上是一致的，處于近價(jià)帶頂附近；而電子的準(zhǔn)Fermi能級是處于導(dǎo)帶底附近。④非平衡半導(dǎo)體中存在兩條準(zhǔn)Fermi能級，即電子的準(zhǔn)Fermi能級和空穴的準(zhǔn)Fermi能級；并且這兩條準(zhǔn)Fermi能級所分開的距離，與外加作用的強(qiáng)度有關(guān)（例如外加電壓越大，它們分開的距離就越大）。若去除外加作用，則由于非平衡載流子將要逐漸復(fù)合，相應(yīng)的這兩條準(zhǔn)Fermi能級即逐漸靠攏；當(dāng)非平衡載流子完全消失以后，則這兩條準(zhǔn)Fermi能級即合二為一，即回復(fù)到平衡狀態(tài)時(shí)的一條Fermi能級。例如pn結(jié)，在熱平衡時(shí)，雖然其中存在電荷（空間電荷）和電場（內(nèi)建電場），但是兩邊的半導(dǎo)體具有相同的一條Fermi能級；而在外加有電壓時(shí)，pn結(jié)即處于非平衡狀態(tài)，這時(shí)兩邊的半導(dǎo)體中出現(xiàn)了非平衡少數(shù)載流子（注入或者抽出），因此兩邊的Fermi能級就分開了——一邊是電子的準(zhǔn)Fermi能級，另一邊是空穴的準(zhǔn)Fermi能級，兩邊準(zhǔn)Fermi能級分開的大小即與外加電壓的高低有關(guān)。

費(fèi)米能級是絕對零度時(shí)電子的最高能級. 自由粒子的波函數(shù)是平面波,波動方程是f(r)=(1/v^0.5)*exp(i k*r) k是平面波波矢,電子能量是e=(hk)^2/2m (這個(gè)h是除以2pi后的那個(gè)普朗克常數(shù),原來表示此量的符號太不好找了) 可以看出,電子對于取不同的k時(shí),可以處在不同能量狀態(tài). 下面引入k空間,盡量理解. 一般用周期性邊界條件,f(x y z)=f(x+l y z)=f(x y+l z)=f(x y z+l )確定k的取值 kx=(2pi/l)nx ky=(2pi/l)ny kz=(2pi/l)nz nx ny nz是整數(shù),因此把k看作空間矢量,在k空間中,k只能取一個(gè)個(gè)分立的點(diǎn).你可以想象以kx ky kz3個(gè)方向建立坐標(biāo)系,因?yàn)閚x ny nz是整數(shù),kx ky kz只能取到一個(gè)個(gè)點(diǎn).就比如nx是整數(shù),永遠(yuǎn)不會有kx=(2pi/l)*0.4處被取到. 每個(gè)點(diǎn)代表一種k的取值,前面有說過,每個(gè)k都對應(yīng)電子的不同能量狀態(tài),e=(hk)^2/2m ,這些能量狀態(tài)也因?yàn)閗的分立取值而只能分立出現(xiàn),就是能級. 把電子放在k空間的各個(gè)點(diǎn)上,代表電子處在那個(gè)k值的狀態(tài),也對應(yīng)一個(gè)能量狀態(tài),即處在該能級上. 因?yàn)榕堇幌嗳菰?每個(gè)態(tài)上只可以放2個(gè)電子,(自旋相反)不會有第3個(gè)跟他們在同一個(gè)狀態(tài)(k空間的各個(gè)點(diǎn))上. 現(xiàn)在有一個(gè)總共有n個(gè)電子的體系,各個(gè)電子都處于什么狀態(tài)哪?粒子總是先占據(jù)能量小的能級,從kx=0ky=0kz=0開始(顯然這時(shí)候能量最小,不過這個(gè)模型有點(diǎn)局限,你不必理了)kx=0ky=0kz=1.....kx=33 ky=34 kz=34.....反正越來越大,越來越往能量更大的高能級上添.最后第n個(gè)電子會處在最高能級上(能量最大),這個(gè)能級就是費(fèi)米能級. 注意: 1 不在絕對零度的話,電子填充能級不是僅僅由泡利不相容原理決定,因此費(fèi)米能級是絕對零度時(shí),電子的最高能級. 2 通常宏觀體系的電子數(shù)n很大,電子填充能級時(shí),在k空間的占據(jù)態(tài),也就是可以處在的那n/2的點(diǎn),會形成一個(gè)球形,稱為費(fèi)米球.這很好想象,粒子總是先占據(jù)能量小的能級,離(0 0 0)越近的能級(哪個(gè)點(diǎn))先占據(jù),最后被占據(jù)的點(diǎn)肯定不會有"支出去"的,而是程球形.這個(gè)球面叫費(fèi)米面,有時(shí)也說費(fèi)米面上的能級是費(fèi)米能級.我前面說"第n個(gè)電子會處在最高能級上(能量最大),這個(gè)能級就是費(fèi)米能級"是為了理解方便,實(shí)際上第n個(gè)電子,不見得比n-1的能級高了,簡單的看kx=0ky=0kz=1和kx=0ky=1kz=0和kx=1ky=0kz=0不是能量一樣嗎?當(dāng)離(0 0 0)很遠(yuǎn)后,這種k不同但能量一樣或近似一樣的點(diǎn)會更多,形成一個(gè)近似的球面--費(fèi)米面.一般就認(rèn)為費(fèi)米面上的能級就是最高能級--費(fèi)米能級. 3 從費(fèi)米分布函數(shù)角度解釋也可以,費(fèi)米分布函數(shù)給出了不在絕對0度的情況下各個(gè)能級被占據(jù)的幾率,費(fèi)米能級是本征態(tài)占據(jù)幾率1/2的態(tài)對應(yīng)能級在絕對0度的極限.你可以看黃昆先生的固體物理. 4 你問這個(gè)問題,應(yīng)該是大學(xué)生了吧.對于f(x y z)=f(x+l y z)=f(x y+l z)=f(x y z+l )確定k的取值,可以自己計(jì)算一下.波動方程只是為了得出能級概念,并不需要注意,解法可以去看量子力學(xué).

5，準(zhǔn)費(fèi)米能級的特點(diǎn)簡答

光電器件基礎(chǔ)講義中研傳輸業(yè)務(wù)部汪微 1．概述光電器件分為發(fā)光器件和光探測器兩大類，發(fā)光器件是把電信號變成光信號的器件，在光纖通信中占有重要的地位。性能好、壽命長、使用方便的不源是保證光纖通信可靠工作的關(guān)鍵。光纖通信對光源的基本要求有如下幾個(gè)方面：首先，光源發(fā)光的峰值波長應(yīng)在光纖的低損耗窗口之內(nèi)，要求材料色散較小。其次，光源輸出功率必須足夠大，入纖功率一般應(yīng)在10微瓦到數(shù)毫瓦之間。第三，光源慶具有高度可靠性，工作壽命至少在10萬小時(shí)以上才能滿足光纖通信工程的需要。第四，光源的輸出光譜不能太寬以利于傳高速脈沖。第五，光源應(yīng)便于調(diào)制，調(diào)制速率應(yīng)能適應(yīng)系統(tǒng)的要求。第六，電－光轉(zhuǎn)換效率不應(yīng)太低，否則會導(dǎo)致器件嚴(yán)重發(fā)熱和縮短壽命。第七，光源應(yīng)省電，光源的體積、重量不應(yīng)太大。光探測器則是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電子器件，作為光通信系統(tǒng)用的光探測器需要滿足以下要求：首先，其響應(yīng)波長范圍要與光纖通信的低衰耗窗口匹配，第二，具有很高的量子效率和響應(yīng)度，第三，具有很高的響應(yīng)速度，第四，具有高度的可靠性。 2．光電器件原理 2.1半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理 2.1-1半導(dǎo)體價(jià)帶、導(dǎo)帶、帶隙與發(fā)光半導(dǎo)體單晶材料的原子是按一定規(guī)律緊密排列的。在各個(gè)原子之間保持一定的距離，是由于在各原子之間存在著互相作用力的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)合力就是共價(jià)鍵。固體物理學(xué)告訴我們，單晶中各個(gè)原子的最外層軌道是互相重疊的，這樣就使分立的能級變成了能帶。與原子的最多層軌道的價(jià)電子相對應(yīng)的能帶叫做價(jià)帶。價(jià)帶上面的能帶稱為導(dǎo)帶。在溫度低至絕對零度的情況下，晶體中的電子均在價(jià)帶之中，而導(dǎo)帶是完全空著的。如果價(jià)帶中的電子受熱或光的激發(fā)，則受激發(fā)的電子就會躍遷到上面的導(dǎo)帶中去。這樣一來，晶體材料就可以導(dǎo)電了。把導(dǎo)帶底的能量記作EC，把價(jià)帶頂?shù)哪芰坑涀鱁VO在EC和EV之間是不可能有電子的，故稱為禁帶。把EC與EV之差記作Eg，稱為禁帶寬度或帶隙。如果Eg較大，則需要較大的激勵(lì)能量把價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中去。對于絕緣體材料，由于禁帶寬度Eg很大，價(jià)帶中的電子很難遷到導(dǎo)帶中去，因而它表現(xiàn)出良好的絕緣性能。導(dǎo)體材料的Eg=0，因此它表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性能。半導(dǎo)體材料的禁帶寬度介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因而它的導(dǎo)電能力也介于兩者之間。當(dāng)價(jià)帶中一個(gè)電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，在價(jià)帶中就留下了一個(gè)電子的空位。在電場的作用下，價(jià)帶中鄰近的電子就會填補(bǔ)這個(gè)空位，而把它自己的位置空出來，這就好象空位本身在電場的作用下產(chǎn)生移動一樣?？瘴坏淖饔煤孟笠粋€(gè)帶正電的粒子，在半導(dǎo)體物理學(xué)上把它叫作空穴。穴帶中的一個(gè)電子可以吸收外界能量而躍遷到導(dǎo)帶中去，在價(jià)帶中形成一個(gè)空穴。反之，導(dǎo)帶中的一個(gè)電子也可以躍遷到價(jià)帶中去，在價(jià)帶中填補(bǔ)一個(gè)空穴，把這一過程叫做復(fù)合。在復(fù)合時(shí)，電子把大約等于禁帶寬度Eg的能量釋放出來。在輻射躍遷的情況下，釋放出一個(gè)頻率為：的光子，其中h是普朗克常數(shù)（6.625×10-34焦耳?秒）。不同的半導(dǎo)體單晶材料的Eg值不同，光發(fā)波長也不同，因?yàn)殡娮雍涂昭ǘ际翘幱谀軒е?，不同的電子和空穴的能級有所差別，復(fù)合發(fā)光的波長有所差別，但其頻率接近于γ。 2.1-2半導(dǎo)體摻雜、P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體上面說到的都是純凈、完整的理想半導(dǎo)體單晶的情況。在實(shí)際的半導(dǎo)體單晶材料中，往往存在著與組成晶體的基質(zhì)原子不同的其它元素的原子——雜質(zhì)原子，以及在晶體形成過程中出現(xiàn)的各種缺陷。進(jìn)行材料提純，就是為了去除有害雜質(zhì)。進(jìn)行各種處理，就是為了消除或減少某些缺陷。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，我們還要有意識地在晶體中摻入一定量的有用雜質(zhì)，這些雜質(zhì)原子對半導(dǎo)體起著極為重要的作用。我們知道，按照摻雜的不同，可以得到電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體材料。所謂本征半導(dǎo)體，是指含雜質(zhì)和缺陷極少的純凈、完整的半導(dǎo)體。其特點(diǎn)是，在半導(dǎo)體材料中，導(dǎo)帶電子和數(shù)目和價(jià)帶空穴的數(shù)目相等。通常把本征半導(dǎo)體叫做I型半導(dǎo)體。所謂電子型半導(dǎo)體就是通過故意摻雜使用導(dǎo)帶的電子數(shù)目比價(jià)帶空穴的數(shù)目大得多的半導(dǎo)體。例如，在純凈的III－V族化合物GaAs中摻入不量的VI族元素Te，Te原子取代晶體中的As原子，這樣就得到了電子型半導(dǎo)體。Te原子的外層有六個(gè)價(jià)電子，As原子的外導(dǎo)有五個(gè)價(jià)電子，在形成共價(jià)鍵時(shí)每個(gè)Te原子向晶體提供一個(gè)電子，因而導(dǎo)帶內(nèi)就有許多電子，這種電子型半導(dǎo)體亦稱為N型半導(dǎo)體。所謂空穴型半導(dǎo)體，就是通過故意摻雜使價(jià)帶空穴的數(shù)目比導(dǎo)帶電子數(shù)目大得多的半導(dǎo)體。例如，在純凈的III－V族化合物GaAs中摻入少量的II族元素Zn。Zn原子取代晶體中的Ga原子，這樣就得到了空穴型半導(dǎo)體。Zn原子的外層有兩個(gè)價(jià)電子，Ga原子的外層有三個(gè)價(jià)電子，在形成共價(jià)鍵時(shí)每個(gè)Zn原子向晶體索取一個(gè)電子，即向晶體提供一個(gè)空穴，因而價(jià)帶內(nèi)就有許多空穴，這種空穴型半導(dǎo)體也叫做P型半導(dǎo)體。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，半導(dǎo)體的物理性質(zhì)在很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。更重要的是，把不同類型的半導(dǎo)體結(jié)合起來，就可以制作成各種各樣的半導(dǎo)體器件，當(dāng)然也包括這里要講的激光二極管和發(fā)光二極管。請注意，這里所說的“結(jié)合”，并不是簡單的機(jī)械的接觸，而是在同一塊半導(dǎo)體單晶內(nèi)形成不同類型的兩個(gè)或兩個(gè)以上的區(qū)域。 2.1-3半導(dǎo)體p-n結(jié)和p-n結(jié)光源 P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)合的界面稱為p-n結(jié)，許多半導(dǎo)體器件（包括半導(dǎo)體激光器）的核心就是這個(gè)p-n結(jié)。前面提到，在P型半導(dǎo)體內(nèi)有多余空穴，在N型半導(dǎo)體內(nèi)有多余電子，當(dāng)這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，P區(qū)內(nèi)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在靠近界面的地方剩下了帶負(fù)電的離子，N區(qū)內(nèi)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在靠近界面的地方剩下了帶正電的離子。這樣一來，在界面兩側(cè)就形成了帶相反電荷的區(qū)域，叫做空間電荷區(qū)。由這些相反電荷形成一個(gè)自建電場，其方向是由N區(qū)指向P區(qū)。由于自建電場的存在，在界面的兩側(cè)產(chǎn)生了一個(gè)電勢差VD，這個(gè)電勢差阻礙空穴和電子的進(jìn)一步擴(kuò)建，使之最后達(dá)到平衡狀態(tài)。因此，我們把VD叫做阻礙空穴和電子擴(kuò)散的勢壘。如圖2.1所示的p-n結(jié)及能帶，顯然，P區(qū)的能量比N區(qū)的提高了eVD，其中e是電子的電荷量。如圖中所示：對于輕摻雜的p-n結(jié)，eVDEg。理論分析表明，可以利用一個(gè)能級EF（稱為費(fèi)米能級）來描述電子和空穴分布的規(guī)律。對于EF以下的能級，電子占據(jù)的可能性大于1/2，空穴占據(jù)的可能性大于1/2。在平衡狀態(tài)下，P區(qū)和N區(qū)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級。對于P區(qū)，因?yàn)榫w內(nèi)有許多空穴，所以價(jià)帶頂在費(fèi)米能級附近。對于N區(qū)，因?yàn)榫w內(nèi)有許多電子，所以導(dǎo)帶底在費(fèi)米能級附近。這樣一來就畫出了圖2.1(a)所示的能帶圖。半導(dǎo)體p-n結(jié)光源包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管與半導(dǎo)發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器，它們都是正向工作器件。當(dāng)把正向電壓V加在p-n結(jié)上時(shí)，抵銷了一部分勢壘，勢壘高度只剩下了（VD－V）的數(shù)值，如圖2.1(b)所示。外加的正向電壓破壞了原來的平衡狀態(tài)，P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級分離開來。這時(shí)，可以用兩個(gè)所謂的準(zhǔn)費(fèi)米能級來描述電子和空穴分布的規(guī)律。把N區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級記作（EF）N，對于（EF）N以下的能極，電子占據(jù)的可能性大于1/2。把P區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級記作（EF）P，對于（EF）P以上的能級，空穴占據(jù)的可能性大于1/2。當(dāng)把足夠大的正向電壓加在p-n結(jié)上時(shí)，P區(qū)內(nèi)的空穴大量地注入N區(qū)，N區(qū)內(nèi)的電子大量地注入P區(qū)。這樣一來，在P區(qū)和N區(qū)靠近界面的地方就產(chǎn)生了復(fù)合發(fā)光。在激光物理學(xué)中，材料的光子吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射可以由圖2.2的兩能級圖來表示。圖中E1是