半导体物理(第二章).ppt

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1、第2章半导体中杂质和缺陷能级理想半导体：1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本征激发提供载流子本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。第2章半导体中杂质和缺陷能级实际材料中1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。2、杂质电离提供载流子。§2.1半导体中的杂质能级§2.1.1硅锗晶体中的杂质能级（1）晶体

2、中杂质的存在方式杂质的来源由于纯度有限，半导体原材料所含有的杂质半导体单晶制备和器件制作过程中的污染为改变半导体的性质，在器件制作过程中有目的掺入的某些特定的化学元素原子～杂质原子进入半导体晶体后，以两种方式存在一种方式是杂质原子位于品格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质（A）另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，常称为替位式杂质（B）间隙式杂质和替位式杂质§2.1半导体中的杂质能级§2.1.1硅锗晶体中的杂质能级两种杂质特点：间隙式杂质原子小于晶体原子，如：锂离子，0.068nm替位式杂质：1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近2）

3、价电子壳层结构比较相近如：III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质§2.1半导体中的杂质能级§2.1.1硅锗晶体中的杂质能级（2）施主杂质V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产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。§2.1半导体中的杂质能级§2.1.1硅锗晶体中的杂质能级以硅中掺磷P为例：磷原子占据硅原子的位置。磷原子有五个价电子。其中四个价电子与周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一个价电子。这个多余的价电子就束缚在正电中心P＋的周围。价电子只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子P

4、＋，它是一个不能移动的正电中心。§2.1半导体中的杂质能级§2.1.1硅锗晶体中的杂质能级施主杂质向导带释放电子的过程为施主电离施主杂质未电离之前是电中性的称为中性态或束缚态电离后成为正电中心称为离化态或电离态使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的最小能量称为施主电离能，施主电离能为ΔED被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为ED，。施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。§2.1半导体中的杂质能级§2.1.1硅锗晶体中的杂质能级（3）受主杂质III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子

5、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。§2.1半导体中的杂质能级§2.1.1硅锗晶体中的杂质能级§2.1.3受主杂质受主能级以硅中掺硼B为例：B原子占据硅原子的位置。磷原子有三个价电子。与周围的四个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子，这就在Si形成了一个空穴。这时B原子就成为多了一个价电子的磷离子B－，它是一个不能移动的负电中心。空穴束缚在正电中心B－的周围。空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动受主杂质释放空穴的过程称为受主电离使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的最小能量称为受主电离能，记为ΔEA

6、空穴被受主杂质束缚时的能量状态称为受主能级，记为EA受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。§2.1半导体中的杂质能级§2.1.1硅锗晶体中的杂质能级浅能级杂质：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可以全部电离。五价元素磷（P）、锑（Sb）在硅、锗中是浅受主杂质，三价元素硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）在硅、锗中为浅受主杂质。§2.1半导体中的杂质能级§2.1.1硅锗晶体中的杂质能级例题

7、施主杂质电离后向半导体提供（），受主杂质电离后向半导体提供（），本征激发向半导体提供（）A.空穴B.电子BAA、B利用类氢原子模型，以锗、硅为例，计算施主杂质电离能解：氢原子基态电离能施主杂质电离能表示为电子有效质量§2.1半导体中的杂质能级§2.1.2浅能级杂质电离能的简单计算杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们的共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿。在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。§2.1半导体中的杂质能级§2.1.3杂质的补偿作用1）：受主能级低于施主能级，剩余杂质§2.1半

8、导体中的杂质能级§2.1.3杂质的补偿作用2）：施主能级低于受主能