第2章. 半导体物理半导体中的杂质和缺陷能级

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1、1半导体中的电子状态3半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性5非平衡载流子6p－n结半导体物第理四学版2半导体中杂质和缺陷能级实际应用的半导体材料晶格（偏离理想情况）原子在平衡位置附近振动杂质缺陷微量杂质和缺陷对物理及化学性质产生决定性影响破坏周期性势场禁带中引入能级利用掺杂缺陷（外界影响）高性能器件杂质引起周期势微扰示意图2半导体中的杂质与缺陷前述1.替位式杂质间隙式杂质杂质存在方式根据杂质原子和晶格原子大小、价电子壳层结构分类填（间）隙式杂质：位于格点间的间隙位置替位式杂质：取代了晶格原子位于格点处硅中的杂质eg：rLi＝0.068nm填

2、隙B、P替位式Si2.1硅锗晶体中的杂质能级以Si中掺P为例：P取代Si→正电中心P+和一个多余的价电子（束缚作用较弱）硅中的施主杂质施主能级和施主电离(画法)施主电离施主杂质：（n型杂质）施放电子而产生导电电子并形成正电中心n型半导体：主要依靠导带电子导电的半导体2.施主杂质、施主能级Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）晶杂质体PAsSbImpurity-dopedSiliconSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096电离前施主杂质为中性的束缚态，束缚电子的能级为施主能级ED,为靠近导带的孤立能级:多余

3、价电子成为导电电子所需能量称为施主电离能⊿ED，⊿ED=Eg-ED<

4、EA，为靠近价带的孤立能级空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量称为受主电离能⊿EA⊿EA=EA-Eg<空穴浓度p2、p型半导体：特征：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上述杂质的特点：施主电离能△ED《Eg受主电离能△EA《Eg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浅能级：硅、锗中的III、Ⅴ族杂

5、质的电离能都很小，所以受主能级很接近于价带顶，施主能级很接近于导带低。在元素半导体中的替位受主和施主Impurity-dopedSilicon4.浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质电离能的简单计算：电离能很低束缚微弱利用类氢模型氢原子基态电子电离能晶体中电子处于0r介质中；在周期势场中运动，以有效质量代替惯性质量用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能浅能级杂质=杂质离子+束缚电子（空穴）Impurity-dopedSilicon（1）氢原子基态电子的电离能氢原子电子满足：解得电子能量：氢原子基态能量：氢原子的电离能：故基态电子的电离能：Im

6、purity-dopedSilicon为主量子数n＝1n＝∞估算结果与实际测量值有相同数量级Ge：△ED～0.0064eVSi:△ED～0.025eVImpurity-dopedSilicon5.杂质的补偿作用杂质的补偿作用：施受主杂质之间有互相抵消的作用当ND>>NA时，受主能级低于施主能级，施主杂质的电子首先跃迁到NA个受主能级，还有ND-NA个电子在施主能级上，n=ND-NA≈NDn型半导体当NA>>ND时，施主能级跃迁到受主能级后，受主能级还有NA-ND个空穴，p=NA-ND≈NAp型半导体有效施主浓度有效受主浓度应用：采用扩散或者离

7、子注入改变半导体的导电类型，得到不同器件NA≈ND时，高度补偿，应严格控制。(注意高度补偿的情况)深能级：非III、Ⅴ族杂质在硅锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价带顶也较远。特点：深能级杂质能够产生多次电离，每一次电离相应地有一个能级；有的同一杂质既可引入施主又可引入受主能级。6.深能级杂质（1）浅能级杂质△ED《Eg△EA《Eg（2）深能级杂质△ED≮Eg△EA≮Eg例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五种可能的状态：（1）Au+；－－施主能级（2）Au0；－－电中性态（3）Au一；（4）Au二；（5）Au三。

8、－－受主能级金在锗中的能级（1）Au+：Au0–eAu+EgECEVEDImpurity-dopedSilicon（2）Au一：Au0+eAu一ECE