第二章半导体中杂质和缺陷能级教材ppt课件.ppt

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1、第二章半导体中杂质和缺陷能级2.1硅、锗晶体中的杂质能级2.2III-V族化合物中的杂质能级2.4缺陷、位错能级理想半导体：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晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷——本征半导体。（纯净半导体中，的位置和载流子的浓度只是由材料本身的本征性质决定的）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

2、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硅、锗晶体中的杂质能级一.替位式杂质和间隙式杂质按照球形原子堆积模型，金刚石晶体的一个原胞中的8个原子只占该晶胞体积的34％，还有66％是空隙！A－间隙式杂质原子：原子半径比较小B－替位式杂质原子：原子的大小与被取代的晶体原子大小比较相近杂质浓度：单位体积中的杂质原子数二.施主杂质与施主能级元素P在Si中成为替位式杂质且电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质2．施主能级由于共价键是一种很强的化学键，结合非常牢固，共价键上的电子是几乎不可能在晶体中

3、运动的。但P原子的那个“多余”的价电子被离子实P+束缚得相当微弱，这个电子在不大的外场力作用下就可以脱离P+的束缚而在Si晶体中自由运动。从能带的角度来看，处于共价键上的电子就是处在价带中的电子，而那个“多余”的电子并不处在价带中，它只要得到一个很小的能量（只要室温就足够了）就会被激发到导带，成为导带中的传导电子。这就相当于在Si禁带中，在距导带底下方很近的地方有一个能级，在未激发的情况下（例如0K时），那个“多余”电子就处在这个能级上，杂质此时是电中性的。但是稍稍给它一点能量，那个“多余”的电子就将跃迁到导带。杂质P原子也因这个价电子的离开而带正电

4、，此时就称施主杂质电离了。因掺入施主杂质而在禁带中引入的这个能级称为施主能级。如前所说，在绝大多数情况下，半导体的掺杂浓度并不高，因此，杂质原子之间距离远大于母体材料的晶格常数（等价原子之间的最小距离），相邻杂质所束缚的电子（即“多余”的电子）的波函数基本不会交叠，不会形成杂质能带，它们的能量相同，所以杂质能级是位于同一水平线上的分立能级。很显然，在掺施主杂质的半导体中，电子的浓度大于空穴的浓度，半导体中的传导电流主要依靠电子的贡献。因此我们称这种半导体材料为n型半导体。在n型半导体中，电子是多数载流子（简称为多子），空穴是少数载流子（简称为少子）。

5、若以ED和EC分别表示施主能级和导带底能量值，则有：这里的△E称为施主电离能。它通常较小，对于常见的硅、锗半导体材料的浅施主杂质，其施主电离能一般在0.05eV以下三.受主杂质和受主能级当III族元素B在Si中成为替位式杂质且电离时，能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称它们为受主杂质或p型杂质。2．受主能级由于B原子欲成4个共价键尚缺少一个价电子，这样，B原子附近的Si原子共价键上的电子并不需要增加多少能量就可很容易地填补到B原子这个“空缺”的价键上来，并在原来的价键上留下一个新的“空缺”，这就相当于“空缺”在晶体中产生了移动。显然，这个“空

6、缺”还会以同样的机制继续在半导体中运动。从能带上讲就是，由于受主杂质B原子的掺入，在Si的禁带中价带的上方附近将引入一个能级，它就是受主能级EA，它与价带顶EV之差就是受主电离能。与施主电离能一样，受主电离能△EA也较小，当受主杂质B的空缺共价键被附近的Si原子共价键上的电子填充而建立起来时，B原子将带负电，我们称之为受主杂质电离。这相当于杂质B向Si的价带发射了一个空穴。掺受主杂质的半导体主要靠空穴导电，所以称之为p型半导体。在p型半导体中，空穴是多子，电子是少子。从物理图像上看，在晶体禁带中出现杂质能级，实际上是由于杂质原子替代了母体材料的原子，

7、引起晶体的局部势场发生改变，从而使得一部分电子能级从允带中分离出来。例如，Nd个施主的存在使得导带中Nd个能级下移到禁带的ED处；而Na个受主的存在使得价带中Na个能级上移到禁带的EA处。施主能级和受主能级掺入施主杂质的半导体，施主能级ED上的电子获得能量ΔED后由束缚态跃迁到导带成为导电电子，因此施主能级ED位于比导带底Ec低ΔED的禁带中，且ΔED<

8、能量ΔEA后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴。下图是用能带图表示的施主杂质和受主杂质的电离过程。(a