半导体物理笔记二三章

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1、第二章半导体中的杂质和缺陷能级实际晶体中①原子不是静止的，在平衡位置附近做振动②半导体不是纯净的——含有杂质③半导体的晶格并非完美的,总是存在缺陷的(点缺陷、线缺陷、面缺陷)§1Si、Ge中的杂质能级半导体杂质的主要来源：原料纯度不够，制造过程中的污染，为了控制材料性能而认为引入的杂质。1、替位式杂质，间隙式杂质金刚石结构中，8个原子的体积/立方晶胞的体积=0.34，66%是空隙。杂质进入晶体后的存在方式：间隙式杂质——位于晶格原子的间隙位置上替位式杂质——取代晶格原子而位于格点上u间隙式杂质原子一般体积较小，如Liu替位式杂质一般要求原子大小与被取代原子大小比较接近，且价电子壳

2、层结构也比较接近（对Si、Ge是Ⅳ族元素，Ⅲ-Ⅴ族元素在Si、Ge中是替位是杂质定义杂质浓度：单位体积内的杂质原子数2、施主杂质，施主能级以Si中掺P为例（替位式），效果上看形成：正电中心P离子(不能移动)+一个电子(被静电力束缚)↓（很小的一个能量就能使其挣脱束缚成为准自由电子）杂质电离——电子脱离杂质原子束缚成为导电电子的过程杂质电离能——电子脱离杂质原子束缚成为导电电子所需的能量，记作（Ge中约为0.01eV，Si约为0.04-0.05eV）远小于Ⅴ族元素在Si、Ge中释放出电子并形成正电中心，称Ⅴ族元素为n型杂质（施主）释放电子的过程称为施主杂质电离施主杂质电离前为电中性

3、——称为束缚态或中性态施主杂质电离后为正电中心——称为离化态l施主杂质束缚电子的能量状态成为施主能级，记作l由于杂质含量通常较少，因此杂质原子间的相互作用可以忽略，所以施主能级是相互孤立的能级l掺入施主杂质后，施主电离造成半导体导电能力增强，靠电子导电的半导体称为n型半导体。3、受主杂志，受主能级以Si中掺入B元素为例，效果上看形成：负电中心B离子(不能移动)+一个空穴(被静电力束缚)↓（很小的一个能量就能使其挣脱束缚在共价键上运动成为导电空穴）n空穴挣脱受主杂质的过程称为受主杂质电离nⅢ族元素在Si、Ge中释放出电子并形成正电中心，称Ⅲ族元素为p型杂质（受主）n受主杂质电离前为

4、电中性——称为束缚态或中性态受主杂质电离后为负电中心——称为离化态受主杂质电离能——受主杂质电离所需的能量，记作l掺入受主杂质后，受主电离造成空穴增多，半导体导电能力增强，靠空穴导电的半导体称为p型半导体。总结：①以上各点②都很小，即施主能级据导带底很近，受主能级据价带顶很近——称这样的杂质能级为浅杂质能级，对应杂质称为浅能级杂质③T>300k时，Si、Ge中的浅能级杂质几乎完全电离1、浅能级杂质电离能的简单计算（类氢模型）2、杂质的补偿作用l当半导体中既掺入施主，又掺入受主的时候，施主和受主具有相互抵消的作用，称为补偿作用l若施主杂质浓度，受主杂质浓度、导带电子浓度、空穴浓度讨

5、论：①>>，则=—，—称有效施主浓度②>>，则=—，—称有效受主浓度③，则为过渡补偿，不能制作器件，无法用区分是否为本征半导体，迁移率和少数载流子浓度有差别6、深能级杂质——非ⅢA、ⅤA元素在Si、Ge中的情形①非ⅢⅤ族元素杂质在Si、Ge的禁带中产生的施主能级距导带底较远，非ⅢⅤ族元素杂质在Si、Ge的禁带中产生的受主能级距价带顶较远，称这些杂质能级为深能级，对应杂质称为深能级杂质。②深能级杂质可产生多次电离，每次电离相应有一个能级。因此，深能级杂质可在Si、Ge中引入若干个能级，并且有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。③深能级杂质主要是替位式杂质例如：Au掺入Ge的情

6、况——引入四个杂质能级，五种电荷状态P41u深能级杂质含量较少，并且能级较深，对导电性能影响弱，且对导电类型影响小，但复合作用较强——是一种有效的复合中心对比：浅能级杂质——提高导电性能，改变导电类型深能级杂质——有效复合中心§2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级以GaAs为例主要结论：①Ⅱ族元素通常为替位式杂质，因其比Ⅲ少一个价电子，有获得一个价电子而成键的倾向，表现为受主，引入受主能级。(Zn、Cd)②Ⅵ族元素通常为替位式杂质，因其比Ⅴ杂质多一个价电子，表现为施主，引入施主能级③Ⅳ族元素——取代Ⅲ族表现为施主——取代Ⅴ族表现为受主④Ⅲ-Ⅴ族元素掺入不是其自身构成的Ⅲ-Ⅴ族半导体中

7、时，实验测不是这些杂质的影响，在禁带中不引入能级，但在CaP中引入N、Bi时，N或Bi取代P并产生能级——等电子陷阱——对应效应称为等电子效应l等电子杂质是与基质原子同族的杂质原子，它们替代格点上同族原子后表现为电中性，但是由于元素序数，半径，负电性不同，因此能俘获某种载流子成为带电中心——称为等电子陷阱l等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，它们依靠库伦力作用又能俘获另一种相反电荷的载流子，称为束缚激子⑤ⅠB族元素Cu、Ag、Au引入受主能级⑥过渡元素Cr、Mn、Fe、Co、Ni