半导体物理第2章[1]

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1、第2章半导体中杂质和缺陷能级2.1硅、锗晶体中的杂质能级¢实际晶体与理想晶体的区别ß原子并非在格点上固定不动，在平衡位置附近振动ß并不纯净，杂质的存在ß缺陷¢点缺陷（空位，间隙原子）¢线缺陷（位错）¢面缺陷（层错，晶粒间界）2.1.1替位式杂质、间隙式杂质¢替位式杂质:取代晶格原子ß杂质原子的大小与晶体原子相似ßIII、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质¢间隙式杂质:位于晶格原子间隙位置ß杂质原子小于晶体原子¢杂质浓度：单位体积内的杂质原子数元素周期表2.1.2施主杂质、施主能级¢施主杂质ßV族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产

2、生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。¢施主电离ß施主杂质释放电子的过程。¢施主能级ß被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能量为ΔE。D¢n型半导体ß依靠导带电子导电的半导体。本征半导体结构示意图本征半导体：纯净的、不含其它杂质的半导体。N型半导体2.1.3受主杂质、受主能级¢受主杂质ßIII族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。¢受主电离ß受主杂质释放空穴的过程。¢受主能级ß被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量为ΔEA

3、¢p型半导体ß依靠价带空穴导电的半导体。P型半导体杂质半导体的简化表示法浅能级杂质¢电离能小的杂质称为浅能级杂质。¢所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。¢室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以全部电离。¢五价元素磷（P）、锑在硅、锗中是浅施主杂质¢三价元素硼（B）、铝、镓、铟在硅、锗中为浅受主杂质。¢浅能级杂质电离能比禁带宽度小得多，杂质种类对半导体的导电性影响很大。¢在N型半导体中，电子浓度大于空穴浓度，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。¢在P型半导体中，空穴浓度大于电子浓度，空穴称为多数

4、载流子，电子称为少数载流子。2.1.4浅能级杂质电离能简单计算¢类氢模型ß氢原子中电子能量4mq0E=−n2228εhn0ßn=1,2,3……，为主量子数，当n=1和无穷时4mq0E=−,E=0122∞8εh0¢氢原子基态电子的电离能4mq0EEE=−==13.6eV01∞228εh0¢考虑到1、正、负电荷处于介电常数ε=εε的介质中0r2、电子不在空间运动，而是处于晶格周期性势场中运动¢施主杂质电离能*4*mqmEnn0ΔE==D22228εεhmεr00r¢受主杂质电离能*4*mpqmpE0ΔE==A22228εεhmεr0

5、0r2.1.5杂质的补偿作用¢当N>>N时DAßn=N-N≈N，半导体是n型的DAD¢当N<N时DAßN-N为有效施主浓度DA¢当N

6、I、V族元素在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。¢特点ß不容易电离，对载流子浓度影响不大ß深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。ß能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低两性杂质¢两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的杂质。¢如Ⅲ-Ⅴ族GaAs中掺Ⅳ族Si。¢如果Si替位Ⅲ族As，则Si为施主；¢如果Si替位Ⅴ族Ga，则Si为受主。¢所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。2.3缺陷、位错能级2.3.1点缺陷¢热缺陷（由温度决定）ß弗伦克耳缺陷¢成对出现的间隙

7、原子和空位ß肖特基缺陷¢只形成空位而没有间隙原子ß对于化合物半导体，偏离正常的化学比ß化合物半导体中的替位原子¢空位易于间隙原子出现ß因为空位周围有四个不成对电子，所以空位表现出受主作用；ß每个间隙原子有四个可以失去的电子，所以表现出施主作用。ττSPSPττ2.3.2位错¢锗中的60°棱位错ß（111）面内位错线[10-1]和滑移方向[1-10]之间的夹角是60°。ß锗中位错具有受主及施主的作用。ß晶格畸变ΔVΔE=E−E=εccc0cVΔV0ΔE=(−)εεgcvΔVV0ΔE=E−E=εvvv0vV0TIPs¢Si的导电率一

8、般在−251−之间变化，可以有7个数量级510××∼510(Ω⋅cm)¢并非大量的物理量都可以在如此大的范围内变化¢1s到10000000s是多长时间？¢将近4个月的时间！¢因此，σ的这种特性对半导体是非常有用的！本征非本征¢目前的纯度能做到十亿个Si原子中有一