
我觉得你有这样的疑惑很可能是因为你没有能区分费米能级和准费米能级的概念。
1.费米能级和准费米能级的概念
费米能级是系统的化学势。讨论的是不受外界势场影响的处于热平衡状态(外加电场为0,图8.1a的情况)下的电子系统情况。
(感谢@不要疯 的提示,修改了原答案中错误的表述)
准费米能级是针对处在非热平衡状态的半导体(外加电场不为0,图8.1b, c 的情况),在半导体部分区域进行的近似后的结果。因为处于非平衡状态的半导体受到了外界的影响,这个时候费米能级这个概念已经没意义了。换句话说,处于非热平衡状态的半导体是没有费米能级的。
对于热平衡状态下的半导体,因为没有电流和外加电场的存在,所以电子浓度和空穴浓度是对应的,这个时候电子的平均能量和空穴的平均能量都可以统一到Ef。
对于非热平衡状态的半导体,因为有电流和外加电场的存在,这个时候电子系统的平均能量Efn和空穴系统的平均能量Efp已经不是对应的了,此时需要用电子的准费米能级Efn和空穴的准费米能级Efp分别标注。
2.我理解的费米能级的含义
这段是我自己的理解,表述不是那么准确。但是比较直观形象便于理解。
为了方便,我以电子举例,空穴类似。
费米能级是化学势,可以理解为系统中比较活跃的能量的大小。主要有两个部分决定,一个是自由电子的数目,另一个是自由电子的平均能量。
比如同样是硅材料,掺杂了施主杂质的n型半导体的费米能级比掺杂了受主杂质的p型半导体的费米能级高,因为自由电子数目变多了。
而把不同费米能级的两种电子系统相连接,比如金属和n型半导体接触,由于n型半导体的费米能级较高,所以会有一部分电子流入金属中,在系统界面处形成内建电场,使两个系统的化学势达到平衡。
3.下面解释一下为什么有电流和外加电场存在时,电子系统无法统一于一个能量。
这个是和系统中电子空穴对的产生和复合的速度有关系的。
在半导体中,电子空穴对并不是产生后一直存在的,而是不断地产生和复合的,而这个过程是需要一定的时间的。向半导体中注入了额外的电子或空穴,系统会通过电子空穴对的产生或复合来重新平衡系统的能量,但是这个平衡的过程使需要一定时间的。
当时间足够长,也就是热平衡状态,整个系统的电子和空穴数目由系统本身决定,最后系统内各处均会达到平衡,这个时候系统会有一个统一的费米能级。
当时间不够长,也就是非热平衡状态,外加电场给系统注入了大量的电子或空穴,这些外来的电子和空穴打破了系统原有的平衡,这个时候系统试图通过电子空穴对的产生或复合来重新平衡系统,但是由于没有足够的时间达到平衡状态,所以材料不同区域的电子和空穴浓度变了,并且电子或空穴浓度比较高的区域不断地向电子或空穴浓度比较多的区域扩散,新的电子或空穴不断地注入,导致系统整体无法形成统一的费米能级。
便于理解和准确表述是比较矛盾的,上面的解释是为了让非半导体专业的人快速理解所简化的模型,如果需要准确的理解,请仔细阅读刘恩科的《半导体物理学》的前5章。
