刘诺-半导体物理学-第二章

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1、半导体物理SEMICONDUCTORPHISICS教案：刘诺副教授独立制作:刘诺副教授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PHISICSOFSEMICONDUCTORSPHISICSOFSEMICONDUCTORSUESTCNuoLiuKEY1、本征激发与本征半导体的特征n0=p02、杂质半导体与杂质电离（1）施主与n型半导体：电子浓度n0>空穴浓度p0（2）受主与p型半导体：空穴浓度p0>电子浓度n0第二章半导体中的杂质和缺陷能级UESTCNuoLiuKEY：1、施主施主能级施主电离能2、受主受主能级受主电离能§2.1Si、Ge晶体中的杂质

2、能级UESTCNuoLiu1、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）间隙式杂质UESTCNuoLiu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：UESTCNuoLiu杂质能级位于禁带之中Ec杂质能级EvUESTCNuoLiu2、施主能级：举例：Si中掺磷P（Si：P）导带电子电离施主P+SiUESTCNuoLiu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UESTCNuoLiu施主电离能：△ED=EC-E

3、D△ED=EC-EDECEDEV施主电离能（束缚能）是使被俘获的电子摆脱束缚，从而可以参与传导电流所需的能量。电子浓度n0>空穴浓度p0UESTCNuoLiu含有电离和中性施主能级的Si的E-x和E-k图△EDUESTCNuoLiu3、受主能级：举例：Si中掺硼B（Si：B）价带空穴电离受主B-UESTCNuoLiu在Si单晶中，Ⅲ族受主替位杂质两种荷电状态的价键图（a）电离态（b）中性受主态UESTCNuoLiuECEAEV△EA=EA-EV空穴浓度p0>电子浓度n0受主电离能（束缚能）是使被俘获的空摆脱束缚，从而可以参与传导电流所需的能量。受主电离能：△EA=

4、EA-EVUESTCNuoLiu含有电离和中性受主能级的Si的E-x和E-k图△EAUESTCNuoLiu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电子；b、电子浓度n>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nUESTCNuoLiuUESTCNuoLiu不同导电类型的半导体的能带图强p型弱p型本征型弱n型强n型EcEiEvUESTCNuoLiu上述杂质的特点：施主电离能△ED《Eg受主电离能△EA《Eg浅能级杂质杂质的双重作用：1、改变半导体的电阻率2、决定半导体的导电类型U

5、ESTCNuoLiu4、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：UESTCNuoLiu（2）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）UESTCNuoLiuUESTCNuoLiu正、负电荷所处介质：UESTCNuoLiu估算结果与实际测量值有相同数量级Ge：△ED～0.0064eVSi:△ED～0.025eVUESTCNuoLiu5、杂质的补偿作用1、本征激发与本征半导体（1）本征激发：在纯净半导体中，载流子的产生必须依靠价带中的电子

6、激发到导带，它的特点是每产生一个导带电子就相应在价带中产生一个空穴，即电子和空穴是成对产生的。这种激发称为本征激发。UESTCNuoLiu即：n0=p0=ni（ni为本征载流子浓度）（2）本征半导体：不含杂质的半导体就是本征半导体。ni=ni（T）电子浓度空穴浓度n0=p0=niUESTCNuoLiu在室温（RT=300K）下：ni（Ge）≌2.4×1013cm-3ni（Si）≌1.5×1010cm-3ni（GaAs）≌1.6×106cm-3ni——本征载流子浓度UESTCNuoLiu（3）n型半导体与p型半导体(A)如施主浓度ND>nin型半导体(B)如受主浓度

7、NA>nip型半导体当半导体中掺入一定量的浅施主或浅受主时，因其离化能△ED或△EA很小（～RT下的kT=0.026eV）,所以它们基本上都处于离化态。UESTCNuoLiu(4)杂质的补偿,既掺有施主又掺有受主补偿半导体（A）ND>NA时n型半导体所以：有效的施主浓度ND*=ND-NA>niEDEA施主浓度受主浓度因EA在ED之下，ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚电子再电离到导带上。UESTCNuoLiu（B）NA>ND时p型半导体因EA在ED之下，ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余

8、的束缚空穴