半导体中杂质和缺陷能级ppt课件.ppt

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1、半导体中杂质和缺陷能级庞智勇山东大学物理学院本幻灯片参照刘恩科等所编著教材《半导体物理学》编写硅、锗晶体中的杂质能级替位式杂质：杂质原子进入半导体以后，取代晶格原子而位于晶格点处，称为替位式杂质间隙式杂质：杂质原子进入半导体后，位于晶格原子间的间隙位置，称为间隙式杂质半导体物理SemiconductorPhysics半导体物理SemiconductorPhysics间隙式杂质原子一般比较小一般形成替位式杂质时，要求替位式杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近，还要求它们的价电子壳层结构比较相近。单位体积中杂质原子数称为杂质浓度，通常用它

2、表示半导体晶体中杂质含量的多少。半导体物理SemiconductorPhysics半导体物理SemiconductorPhysics半导体物理SemiconductorPhysics杂质电离：以硅中掺磷为例，杂质磷原子替位硅原子后，其中四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。这个多余的价电子就束缚在磷原子周围。但是这种束缚作用比共价键弱的多，只要很少的能量就可以摆脱束缚，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+），它是一个不能移动的正电中心。上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质

3、电离。使这个价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电离能。半导体物理SemiconductorPhysics施主杂质：能够向晶体提供电子同时自身成为带正电的离子的杂质称为施主杂质。施主能级：当电子被束缚于施主中心时，其能量显然是低于导带底的能量，相应的能级称为施主能级。在能带图中杂质能级通常用简短的横线表示，以此说明它所代表的状态的局域性质。施主向导带释放电子所需要的最小能量称为施主电离能。主要依靠电子导电的半导体为n型半导体。半导体物理SemiconductorPhysics半导体物理SemiconductorPhysics半导体物理

4、SemiconductorPhysics受主杂质：以硅中掺硼为例，一个硼原子占据了硅原子的位置，硼有三个价电子，当它和周围的四个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。而硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子（B-），称为负电中心。带负电的硼离子和带正电的空穴间有静电引力作用，所以这个空穴受到硼离子的束缚，在硼离子附近运动。不过，硼离子对这个空穴的束缚是很弱的，只需要很少的能量就可以使空穴挣脱束缚，成为在晶体的共价键中自由运动的导电空穴。而硼原子成为多了一个价电子的硼离子（

5、B-）它是一个不能移动的负电中心。这种能够接受电子并使自身带负电的杂质称为受主杂质。被受主杂质所接受的电子的能量水平显然高于价带顶。相应的能级称为受主能级。半导体物理SemiconductorPhysics半导体物理SemiconductorPhysics半导体物理SemiconductorPhysics纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力，通常把主要依靠空穴导电的半导体称为p型半导体。硅、锗中的III、V族杂质的电离能都很小，所以受主能级很接近于价带顶，施主能级很接近导电底，通常将这些杂质能

6、级称为浅能级。将产生浅能级的杂质称为浅能级杂质。半导体物理SemiconductorPhysics类氢模型-浅能级杂质电离能的简单计算半导体物理SemiconductorPhysics上述类型的杂质，电离能很低，电子或空穴受到正电中心或负电中心的束缚很微弱，可以利用类氢模型来估算杂质的电离能。氢原子中电子的能量En是式中n=1，2，3，。。。，为主量子数。当n=1时，得到基态能量半导体物理SemiconductorPhysics当n=∞时，是氢原子的电离态，E∞=0.所以，氢原子的基态电离能为：考虑到晶体内存在的杂质原子，正、负电荷是处于介电常

7、数为的介质中，再考虑到电子在晶格周期势场中运动，电子的惯性质量用有效质量代替经过这样的修正后，施主电离能可表示为：半导体物理SemiconductorPhysics对受主杂质作类似的讨论，得到受主杂质的电离能为：上述计算没有反映杂质原子的影响由于正电中心对电子束缚大为减弱，电子将具有较大的轨道半径。我们也可以类似于氢原子，求出杂质的等效玻尔半径。氢原子的玻尔半径可表示为半导体物理SemiconductorPhysics类似地考虑介电常数和质量替换，可得杂质等效玻尔半径半导体物理SemiconductorPhysics杂质的补偿作用半导体物理Se

8、miconductorPhysics如果半导体中同时存在着施主和受主杂质，则施主杂质和受主杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂质的补偿作用。当施主杂质