半导体中的杂质能级和缺陷能级

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1、第二章半导体中的杂质和缺陷能级n硅和锗中的杂质能级1.施主杂质和施主能级2.受主杂质和受主能级n类氢模型n杂质补偿n深能级nⅢ—Ⅴ族化合物半导体中的杂质n缺陷与缺陷能级1杂质能级在实际的半导体材料中，总是不可避免地存在有杂质和各种类型的缺陷。特别是在半导体的研究和应用中，常常有意识的加入适当的杂质。这些杂质产生的附加势场，改变了晶格原有的周期性势场。有可能使电子或空穴束缚在杂质的周围，产生局域化的电子态，从而在禁带中引入相应的杂质能级。2替位式杂质、间隙式杂质金刚石结构填充率：428´pr33p===0.3434%3a16n替位式杂质：杂质原子取代晶格原子；n间隙式杂质：杂质

2、原子位于晶格原子的间隙位置；3施主杂质和施主能级EcDEDEDEgEvn磷原子这种能够向导带提供电子的杂质称为施主杂质（n型杂质）。n被施主杂质束缚的电子能量状态称为施主能级。n施主杂质释放电子的过程称为施主电离；n杂质能级上的电子挣脱杂质原子束缚所需要的最小能量成为电离能，用DED表示。DED=-EECD4受主杂质和受主能级EcEgEDEAAEvn硼原子这种能够向价带夺取电子的杂质称为受主杂质（p型杂质）。n被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。n受主杂质向价带释放空穴的过程称为受主电离；n杂质能级上的电子挣脱杂质原子束缚所需要的最小能量成为电离能，用DEA表示。DE

3、A=-EEAV5电离能的计算——类氢模型n浅能级：在硅和锗中的Ⅲ族和Ⅴ族杂质，它们作为受主和施主的电离能和禁带宽度相比非常小的，这些杂质形成的能级，在禁带中很靠近价带顶或导带底，称这样的杂质能级浅能级。n类氢模型：以参入硅中的磷原子为例，磷原子比周围的硅原子多一个电子电荷的正电中心和一个束缚着的价电子，相当于在硅晶体上附加了一个“氢原子”，所以可以用氢原子模型估计DE的数值。D6类氢模型n氢原子中电子能量为：4mq0En=-=,1,2,3Ln2228ehn0n氢原子基态电离能：4mq0E=E-E==13.6()eV(2-1)01¥228eh0在采用(2-1)式计算杂质电力能时

4、需要作如下修正：1.氢原子中电子在自由空间运动，半导体中电子在周期性势场运动，所以电子的惯性质量要用有效质量代替。2.在半导体中，由于介质被极化的影响，使得电荷之间的库仑作用减弱为它们在真空中库仑作用的1/er倍，er为半导体的相对介电常数7修正后的计算公式施主杂质电离能：*4*mqmEnn0DE==(2-2)D22228eeehmrr00受主杂质电离能：*4*mqmEpp0DE==(2-3)A22228eeehmrr00类似的，我们也可以计算杂质的基态轨道半径2eehm0raa==e**2r0pmemnn8杂质补偿作用EEccEDEAEvEv(a)(b)a.NNDA>施

5、主杂质的电子首先跃迁到受主能级，剩余的才向导带跃迁；b.NNAD>受主杂质上的空位首先接受来自施主杂质的电子，剩余的向价带释放空穴。杂质补偿作用：从对半导体载流子贡献的角度来说，两者有相互的抵消的作用，称之为杂质补偿作用。9有效杂质浓度高度补偿n在杂质全部电离，且忽略本征激发的条件下，载流子浓度的计算NNDA>：n=-NNDA;NN-为有效杂质浓度，(n型半导体)DANN>：p=-NNAD;ADNN-为有效杂质浓度，(P型半导体)AD当：NNDA：nN»DNN：pN»AAD10高度补偿n杂质高度补偿NN»时，由于施主电子刚好填充受主能级，几乎不向导DA带和价带提供电子和空

6、穴。这种情况称为杂质的高度补偿。注：高度补偿的半导体材料的载流子浓度非常接近高纯半导体。但是实际晶格中包含有大量的电离了的杂质离子，一般不能用来制造器件。11深能级杂质n如果杂质产生的施主能级距离导带底较远，受主能级距离价带顶较远，这种能级称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质；n深能级杂质往往能多次电离，每次电离相应的有一个能级。所以这种杂质往往在禁带中引入多个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。n相对浅能级而言，深能级对载流子的贡献较小，但是对非平衡载流子的复合作用很强。金是一种典型的复合中心，在制造高速开关时，掺入金可以提高速度。12金在锗中的杂质能级EcE

7、A30.04EA20.20EA10.15ED0.04Ev金原子最外层有一个价电子，比锗少三个价电子。0•在锗中的中性金原子Au，有可能分别接受一，二，三个电子而成为-=º，起受主作用，引入Au,,AuAuE、E、E等三个受主能级。A1A2A3•中性金原子也可能给出它的最外层电子而成为Au+，起施主作用，引入一个施主能级E。D13Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中的杂质nⅡ族元素可代替Ⅲ族元素镓成为受主杂质，Ⅵ族元素可代替Ⅴ族元素砷成为施主杂质。nⅣ族元素如硅、锗，既可以代替镓成为施主杂质，也可以代替砷成为受主杂质。