84雜質(zhì)導電性ppt課件

1、8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半導體晶體固體固體物理物理導論導論半導體和雜質(zhì)半導體和雜質(zhì) 某些雜質(zhì)和缺陷對半導體的電子性質(zhì)有強烈影響。例某些雜質(zhì)和缺陷對半導體的電子性質(zhì)有強烈影響。例如：將硼以如：將硼以 1/105 的原子比例加入硅中，可使純硅在室溫的原子比例加入硅中，可使純硅在室溫下的電導率增大下的電導率增大 103 倍倍 在化合物半導體中一種組分對化學計量比的欠缺會起在化合物半導體中一種組分對化學計量比的欠缺會起到和雜質(zhì)一樣的作用，這種半導體稱為欠缺半導體到和雜質(zhì)一樣的作用，這種半導體稱為欠缺半導體 有意識地把雜質(zhì)加入半導體稱為摻雜有意識地把雜質(zhì)加入半導體稱為摻

2、雜8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半導體晶體固體固體物理物理導論導論硅、鍺與雜質(zhì)硅、鍺與雜質(zhì) 鍺和硅晶體都是金剛石型結(jié)構(gòu)，每個原子與最近鄰鍺和硅晶體都是金剛石型結(jié)構(gòu)，每個原子與最近鄰4個原子形成四個共價鍵，化學價為個原子形成四個共價鍵，化學價為 4。AB五價雜質(zhì)五價雜質(zhì) 如果一個五價的雜質(zhì)原子例如果一個五價的雜質(zhì)原子例如如P, As, Sb取代原來晶格中的一取代原來晶格中的一個原子，那么它和最近鄰形成四個個原子，那么它和最近鄰形成四個共價鍵后，還有一個多余的價電子，共價鍵后，還有一個多余的價電子，該電子科用于傳導該電子科用于傳導 這種能夠提供電子的雜質(zhì)原這種能夠提供電

3、子的雜質(zhì)原子稱為施主子稱為施主8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半導體晶體固體固體物理物理導論導論8.4. 1 施主態(tài)施主態(tài) 電子由施主能級激發(fā)到導帶比由滿帶激發(fā)容易得多，電子由施主能級激發(fā)到導帶比由滿帶激發(fā)容易得多，下圖中雜質(zhì)原子已失去電子而帶有一正電荷，但晶體仍然下圖中雜質(zhì)原子已失去電子而帶有一正電荷，但晶體仍然保持電中性雜質(zhì)原子失去的電子仍在晶體內(nèi)）保持電中性雜質(zhì)原子失去的電子仍在晶體內(nèi)）n 型半導體8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半導體晶體固體固體物理物理導論導論 這個這個額外額外的電子在雜質(zhì)離子的庫倫場中運動的電子在雜質(zhì)離子的庫倫場中

4、運動re在共價晶體中，在共價晶體中，e e 為介質(zhì)的介電常量，因子為介質(zhì)的介電常量，因子 1/e 1/e 是考慮了是考慮了介質(zhì)的電極化后的結(jié)果。介質(zhì)的電極化后的結(jié)果。 上述討論成立的條件：上述討論成立的條件： 軌道和原子間距相比很大，電子的運動如此之慢，軌道和原子間距相比很大，電子的運動如此之慢，使得軌道頻率和相應(yīng)于能隙的頻率使得軌道頻率和相應(yīng)于能隙的頻率 wg wg 相比非常之低相比非常之低 在在 Ge Ge 和和 Si Si 內(nèi)，內(nèi)，P P、As As 和和 Sb Sb 的施主電子能很好地滿足的施主電子能很好地滿足這些條件這些條件8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半

5、導體晶體固體固體物理物理導論導論 根據(jù)波爾的氫原子理論，氫原子的電離能為根據(jù)波爾的氫原子理論，氫原子的電離能為20424)4(2 )SI( ;2 )CGS(meme在加入多一個價電子的原子的半導體中，雜質(zhì)原子正電荷在加入多一個價電子的原子的半導體中，雜質(zhì)原子正電荷正好束縛多余的電子，就如同氫原子一樣，因此很容易把正好束縛多余的電子，就如同氫原子一樣，因此很容易把波爾理論加以推廣波爾理論加以推廣20e4d2e22e4d)4(2 )SI( ;eV)6 .13(2 )CGS(meEmmmeE 在介電常量為在介電常量為 e e 的半導體中，以的半導體中，以 e2/e e2/e 替代替代 e2 e2 ，

6、以，以有效質(zhì)量有效質(zhì)量 me me 替代替代 mm，得到半導體的施主電離能，得到半導體的施主電離能8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半導體晶體固體固體物理物理導論導論 氫原子的波爾半徑氫原子的波爾半徑 4 )SI( ; )CGS(22022meme于是施主的波爾半徑為于是施主的波爾半徑為2e20de2e2de4 )SI( ;A)/53. 0(e )CGS(mammma傳導電子有效質(zhì)量各向異性，要把雜質(zhì)態(tài)理論應(yīng)用于鍺和傳導電子有效質(zhì)量各向異性，要把雜質(zhì)態(tài)理論應(yīng)用于鍺和硅就顯得很復雜。但介電常量對施主能量的影響是最主要硅就顯得很復雜。但介電常量對施主能量的影響是最主要的，因

7、為它以二次方出現(xiàn)，而有效質(zhì)量僅以一次方出現(xiàn)的，因為它以二次方出現(xiàn)，而有效質(zhì)量僅以一次方出現(xiàn)8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半導體晶體固體固體物理物理導論導論 對鍺和硅內(nèi)電子的有效質(zhì)量分別取近似值對鍺和硅內(nèi)電子的有效質(zhì)量分別取近似值 采用各向異性的有效質(zhì)量張量計算表明采用各向異性的有效質(zhì)量張量計算表明meV5 1 . 0:GedeEmmmeV20 2 . 0:SideEmmeV6 .13dE自由氫原子自由氫原子遠遠小于遠遠小于meV8 .29:Si meV;05. 9:GeddEEmeV6 :GaAsdE8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半導體晶

8、體固體固體物理物理導論導論 施主第一波爾半徑增加為自由氫原子的施主第一波爾半徑增加為自由氫原子的 em/me em/me 倍倍 這兩個半徑都很大，因此在比較低的雜質(zhì)濃度下相這兩個半徑都很大，因此在比較低的雜質(zhì)濃度下相對于基質(zhì)原子的數(shù)目雜質(zhì)軌道發(fā)生交疊。對于足夠強的對于基質(zhì)原子的數(shù)目雜質(zhì)軌道發(fā)生交疊。對于足夠強的軌道交疊，由施主態(tài)構(gòu)成一個所謂的雜質(zhì)帶軌道交疊，由施主態(tài)構(gòu)成一個所謂的雜質(zhì)帶A306053. 0:SidaA53. 0da自由氫原子自由氫原子遠大于遠大于A8016053. 0:Geda 在半導體的雜質(zhì)帶中，若半導體還存在一定量的受主在半導體的雜質(zhì)帶中，若半導體還存在一定量的受主原子，則

9、在較低施主濃度下，通過電子在施主之間的跳躍原子，則在較低施主濃度下，通過電子在施主之間的跳躍就可建立雜質(zhì)帶的傳導過程。這時總有一些施主原子一直就可建立雜質(zhì)帶的傳導過程。這時總有一些施主原子一直處于電離態(tài)處于電離態(tài)8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半導體晶體固體固體物理物理導論導論8.4. 2 受主態(tài)受主態(tài) 在鍺和硅內(nèi)也可加入三價雜質(zhì)原子在鍺和硅內(nèi)也可加入三價雜質(zhì)原子 ( (例如例如 B B、AlAl、GaGa和和 In) In) 取代原來的原子，這樣的雜質(zhì)稱為受主，因為它取代原來的原子，這樣的雜質(zhì)稱為受主，因為它們能從價帶接受電子以便同近鄰原子形成們能從價帶接受電子以便

10、同近鄰原子形成 4 4 個共價鍵，個共價鍵，并在價帶中留下空穴并在價帶中留下空穴p 型半導體8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半導體晶體固體固體物理物理導論導論Si 內(nèi)施主與受主的電離能與室溫內(nèi)施主與受主的電離能與室溫 kBT (26meV) 可以相比擬，因可以相比擬，因此室溫下施主與受主的熱電離對硅的電導率很重要此室溫下施主與受主的熱電離對硅的電導率很重要 當一個受主電離時，就會釋放出一個空穴，但需要當一個受主電離時，就會釋放出一個空穴，但需要輸入相應(yīng)能量。和電子一樣，波爾模型也可定性地用于輸入相應(yīng)能量。和電子一樣，波爾模型也可定性地用于空穴，但價帶頂?shù)暮啿⑹褂行з|(zhì)量

11、的問題復雜化空穴，但價帶頂?shù)暮啿⑹褂行з|(zhì)量的問題復雜化8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半導體晶體固體固體物理物理導論導論 如果施主原子的數(shù)目顯著大于受主的數(shù)目，則施主如果施主原子的數(shù)目顯著大于受主的數(shù)目，則施主的熱電離將釋放電子進入導帶。這時樣品的電導率將受的熱電離將釋放電子進入導帶。這時樣品的電導率將受電子的控制，這種材料被稱為電子的控制，這種材料被稱為 n n 型型n 型與 p 型半導體 如果受主占主要地位，空穴將釋放電子進入價帶，如果受主占主要地位，空穴將釋放電子進入價帶，電導率將受空穴的控制，這種材料被稱為電導率將受空穴的控制，這種材料被稱為 p p 型型 用

12、霍爾電壓的測量確定材料是用霍爾電壓的測量確定材料是 n n 型還是型還是 p p 型是一種型是一種粗略的檢測方法。另一個方便的實驗判別方法是確定溫粗略的檢測方法。另一個方便的實驗判別方法是確定溫差電勢的符號差電勢的符號8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半導體晶體固體固體物理物理導論導論8.4. 3 施主和受主的熱致電離施主和受主的熱致電離 電離施主所貢獻的傳導電子平衡濃度的計算和統(tǒng)計電離施主所貢獻的傳導電子平衡濃度的計算和統(tǒng)計力學中氫原子熱致電離的標準計算完全一樣力學中氫原子熱致電離的標準計算完全一樣 如果不存在受主，低溫極限如果不存在受主，低溫極限 kBTEd kBT

13、Ed 下的結(jié)果為下的結(jié)果為TkEeNnnBd22/1d0)( 在無施主的情況下，對受主可得到完全一樣的結(jié)果在無施主的情況下，對受主可得到完全一樣的結(jié)果2/32Be0)2(2Tkmn Nd：施主濃度8. .4 雜質(zhì)導電性雜質(zhì)導電性第第 8 章章 半導體晶體半導體晶體固體固體物理物理導論導論 如果施主與受主濃度可以相比擬，事情會變得相當如果施主與受主濃度可以相比擬，事情會變得相當復雜，這時需要數(shù)值求解。但從前面的討論我們知道，復雜，這時需要數(shù)值求解。但從前面的討論我們知道，在給定溫度下在給定溫度下 np np 為常數(shù)為常數(shù) 施主的過量會提高電子濃度并降低空穴濃度，總和施主的過量會提高電子濃度并降低