看了这个终于搞清楚了什么是简并和非简并,本人正在学半导体物理,欢迎交流
(什么是简并?什么是非简并?什么时候才出现简并?)
简并(或者退化)系统也就是表现出显著量子效应的量子系统,出现量子效应时的温度称为简并温度(退化温度)。相反,不呈现量子效应的系统就是非简并系统。
(1)电子简并态的概念有三个方面的具体含义:
① 具有相同能量的多个态,即为简并状态(简并态)。例如Si半导体的价带顶附近处,轻空穴带和重空穴带重叠——简并,则有的轻空穴态与重空穴态具有相同的能量,它们就是简并态。
② 电子状态的简并,从本质上来说,也就意味着是量子效应起作用的情况;同时,这也就意味着是需要考虑泡里不相容原理限制的情况。
③ 从电子按能量的分布来说,简并载流子遵从F-D分布函数,而非简并载流子遵从B-E分布函数。这是量子效应的直接结果。因此对于非简并载流子可以简单地采用经典统计分布函数来讨论,但是对于简并载流子则必须采用复杂的量子统计分布函数来讨论。其中载流子遵从经典的Boltzmann统计分布的半导体就是非简并半导体。
对于导电的载流子——自由的电子和空穴,简并状态的概念也同样适用。
具有简并状态的载流子就是简并载流子,相应的材料即为简并材料。
所有金属中载流子的状态就具有以上三个方面的含义,因此其中的载流子都是简并载流子,从而金属也就必然是简并材料。
与简并态相反意义的状态,就是所谓非简并状态,相应的载流子和材料就是非简并载流子和非简并材料。
(2)半导体简并化的条件:
对于半导体,其中的载流子在以下三种情况下容易出现简并:
① 载流子浓度很高。半导体中的载流子浓度越大,则当电子只占据导带底附近的一些能级、空穴只占据价带顶附近的一些能级时,就需要考虑泡里不相容原理的限制,即必须认为这些载流子应该遵从量子的统计分布——F-D分布;
一是掺杂浓度较低,半导体中的载流子浓度不大,则电子只占据导带底附近的一些能级,空穴只占据价带顶附近的一些能级,不需要考虑泡里不相容原理的限制,即可认为这些载流子遵从经典的统计分布;例如n型半导体,当掺杂浓度很高时,导带中的载流子——电子的浓度很大,不可能所有的电子都分布在最低的若干个能级上,这时就需要考虑泡里不相容原理的限制——一条能级上只能有自旋相反的两个电子。这时的电子就称为是简并载流子,相应的半导体就称为简并半导体。否则,当掺杂浓度很低时,电子数量不多,则不需要考虑泡里不相容原理的限制,则为非简并状态。
② 温度较低。
温度较高,则载流子的能量相应的较大,载流子所能够占据的能级数目较多,这时即使半导体中有较多的载流子,但是这些载流子可以在许多能级中分布,所以也不需要考虑Pauli不相容原理的限制,因此也可以看成为经典的载流子。
这就是说,低掺杂的半导体和较高温度下的半导体,都可以认为是非简并半导体。
③ 有效质量m*较小。
载流子的有效质量m*较大,这种载流子的de Broglie波的波长l= h/(2m*E)1/2较短,波动性不明显,则可看成为经典的载流子,它们遵从经典的统计分布。
总之,在三个以上条件下,载流子即容易出现量子特性,这时的载流子就是简并载流子。
以简并载流子导电为主的半导体就是简并半导体,否则,若是以非简并载流子导电为主的半导体就是非简并半导体。
前两种情况是可以人为控制的。所以,低掺杂的半导体或者高温下的半导体,都将是非简并半导体
简并(或者退化)系统也就是表现出显著量子效应的量子系统,出现量子效应时的温度称为简并温度(退化温度)。相反,不呈现量子效应的系统就是非简并系统。
(1)电子简并态的概念有三个方面的具体含义:
① 具有相同能量的多个态,即为简并状态(简并态)。例如Si半导体的价带顶附近处,轻空穴带和重空穴带重叠——简并,则有的轻空穴态与重空穴态具有相同的能量,它们就是简并态。
② 电子状态的简并,从本质上来说,也就意味着是量子效应起作用的情况;同时,这也就意味着是需要考虑泡里不相容原理限制的情况。
③ 从电子按能量的分布来说,简并载流子遵从F-D分布函数,而非简并载流子遵从B-E分布函数。这是量子效应的直接结果。因此对于非简并载流子可以简单地采用经典统计分布函数来讨论,但是对于简并载流子则必须采用复杂的量子统计分布函数来讨论。其中载流子遵从经典的Boltzmann统计分布的半导体就是非简并半导体。
对于导电的载流子——自由的电子和空穴,简并状态的概念也同样适用。
具有简并状态的载流子就是简并载流子,相应的材料即为简并材料。
所有金属中载流子的状态就具有以上三个方面的含义,因此其中的载流子都是简并载流子,从而金属也就必然是简并材料。
与简并态相反意义的状态,就是所谓非简并状态,相应的载流子和材料就是非简并载流子和非简并材料。
(2)半导体简并化的条件:
对于半导体,其中的载流子在以下三种情况下容易出现简并:
① 载流子浓度很高。半导体中的载流子浓度越大,则当电子只占据导带底附近的一些能级、空穴只占据价带顶附近的一些能级时,就需要考虑泡里不相容原理的限制,即必须认为这些载流子应该遵从量子的统计分布——F-D分布;
一是掺杂浓度较低,半导体中的载流子浓度不大,则电子只占据导带底附近的一些能级,空穴只占据价带顶附近的一些能级,不需要考虑泡里不相容原理的限制,即可认为这些载流子遵从经典的统计分布;例如n型半导体,当掺杂浓度很高时,导带中的载流子——电子的浓度很大,不可能所有的电子都分布在最低的若干个能级上,这时就需要考虑泡里不相容原理的限制——一条能级上只能有自旋相反的两个电子。这时的电子就称为是简并载流子,相应的半导体就称为简并半导体。否则,当掺杂浓度很低时,电子数量不多,则不需要考虑泡里不相容原理的限制,则为非简并状态。
② 温度较低。
温度较高,则载流子的能量相应的较大,载流子所能够占据的能级数目较多,这时即使半导体中有较多的载流子,但是这些载流子可以在许多能级中分布,所以也不需要考虑Pauli不相容原理的限制,因此也可以看成为经典的载流子。
这就是说,低掺杂的半导体和较高温度下的半导体,都可以认为是非简并半导体。
③ 有效质量m*较小。
载流子的有效质量m*较大,这种载流子的de Broglie波的波长l= h/(2m*E)1/2较短,波动性不明显,则可看成为经典的载流子,它们遵从经典的统计分布。
总之,在三个以上条件下,载流子即容易出现量子特性,这时的载流子就是简并载流子。
以简并载流子导电为主的半导体就是简并半导体,否则,若是以非简并载流子导电为主的半导体就是非简并半导体。
前两种情况是可以人为控制的。所以,低掺杂的半导体或者高温下的半导体,都将是非简并半导体
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