《半导体物理学》第二章new

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1、半导体物理SEMICONDUCTORPHISICS•教案：刘诺副教授•制作:刘诺副教授•动画：刘诺，陈洪彬，赵翔，韩劲松•Email:liunuo2002@yahoo.com.cn•电子科技大学•微电子与固体电子学院•微电子科学与工程系§§2.12.1掺掺杂杂SiSi晶晶体体ImpurityImpurity--dopedSilicondopedSilicon1、杂质与杂质能级•杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。•杂质来源:（1）有意掺入（2）无意掺入•杂质在半导体中的分布状况（1）替位式杂质（2

2、）间隙式杂质Impurity-dopedSilicon杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏：Impurity-dopedSilicon杂质能级位于禁带之中Ec杂质能级EvImpurity-dopedSilicon2、施主能级：Si中掺磷P（Si：P）SiSi电离施主电离施主PP+导带电子导带电子Impurity-dopedSilicon在Si单晶中，V族施主替位杂质两种荷电状态的价键图（a）电离态（b）中性施主态Impurity-dopedSilicon电离的结果：导带中的电子数增

3、加了，这即是掺施主的意义所在。Impurity-dopedSilicon施主电离能：△E=E-EDCDEC△E=E-EDCDEDEgEVImpurity-dopedSilicon含有电离和中性施主能级的Si的E-x和E-k图△△EEDImpurity-dopedSilicon施主杂质：束缚在杂质能级上的电子被激发到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为正电中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）晶杂质体PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.0

4、1270.0096Impurity-dopedSilicon3、受主能级：Si中掺硼B（Si：B）电离电离受主受主价带价带空穴空穴Impurity-dopedSilicon在Si单晶中，Ⅲ族受主替位杂质两种荷电状态的价键（a）电离态（b）中性受主态Impurity-dopedSilicon电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意义所在。Impurity-dopedSiliconECEgE△EAAEV受主电离能：△E=E-EAAVImpurity-dopedSilicon含有电离和中性受主能级的Si

5、的E-x和E-k图△△EEAAImpurity-dopedSilicon受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为负电中心（负离子）。这种杂质称为受主杂质。Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能△E（eV）A晶杂质体BAlGaInSi0.0450.0570.0650.16Ge0.010.010.0110.011Impurity-dopedSilicon（浅）杂质半导体1、n型半导体：特征：a、施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子；b、电子浓度n>空穴浓度p2、p型半导体：特征

6、：a、受主杂质电离，价带中出现受主提供的空穴；b、空穴浓度p>电子浓度nImpurity-dopedSilicon在元素半导体中的替位受主和施主Impurity-dopedSilicon•上述杂质的特点：施主电离能△E《EgD受主电离能△E《EgA浅能级杂质ò杂质的双重作用：•改变半导体的电阻率•决定半导体的导电类型Impurity-dopedSilicon控制杂质浓度的方法控制杂质浓度的方法•在单晶生长过程中掺入杂质•在高温下通过杂质扩散的工艺掺入杂质•离子注入杂质•在薄膜外延工艺过程中掺入杂质•用合金工

7、艺将杂质掺入半导体中Impurity-dopedSilicon4、浅能级杂质电离能的简单计算（1）氢原子基态电子的电离能22氢原子电子满足：⎡h2q⎤−∇−⎥Ψ(r)=EΨ(r)⎯⎯→(1)⎢2n4πm4πεr⎣00⎦4mq0E=−,n=1⋅2⋅3⋅⋅⋅⋅⋅⋅解得电子能量：n2228εhn04mq0氢原子基态能量：E1=−22氢原子的电离能：E∞=08εh04mq0故基态电子的电离能：E0=E∞−E1=22⎯⎯→(2)8εh0Impurity-dopedSilicon（2）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离

8、能浅能级杂质浅能级杂质==杂质离子杂质离子++束缚电子（空穴）束缚电子（空穴）Impurity-dopedSiliconImpurity-dopedSilicon正、负电荷所处介质的介电常数为：ε=εε0r2q电势能U(r)=−4πεεr0r*4*mqmEnn0施主电离能∆E==⋅⎯⎯→(3)D22228ε0εrhm0εr*4*mpqmpE0受主电离能∆E==⋅⎯⎯→(4)A22228ε0εrhm0εr(**)m