半導體物理學第二章

半導體物理學第二章第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.1.1、雜質的類型

雜質：半導體中存在的與本體元素不同的其它元素。雜質在半導體中的分布狀況（1）替位式雜質：雜質原子與被替代的晶格原子的大小比較相近，而且其價電子層結構也比較相近（2）間隙式雜質：通常這種雜質的原子半徑是比較小的

（3）雜質濃度：單位體積中的雜質原子數(shù)

第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一舉例：Si中摻磷P（Si：P）

2.1.2施主雜質、施主能級施主雜質—對半導體材料提供導電電子的雜質,稱為施主雜質或者N型雜質雜質電離—價電子脫離雜質原子成為自由電子的過程稱為雜質電離。第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.1.2施主雜質、施主能級在Si單晶中，V族施主替位雜質兩種荷電狀態(tài)的價鍵圖（a）電離態(tài)（b）中性施主態(tài)第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一雜質電離能：是使被俘獲的電子擺脫束縛，從而可以成為導電電子所需的能量△ED=EC-ED

△ED=EC-EDECEDEV施主能級：將被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級電子濃度n0>空穴濃度p0第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.1.3受主雜質、受主能級舉例：Si中摻硼B(yǎng)（Si：B）

受主雜質—B在晶體中而產(chǎn)生導電空穴，被稱為受主雜質或者P型雜質雜質電離—受主雜質接受一個電子，在晶體中產(chǎn)生一個空穴的過程，稱為雜質電離。第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一在Si單晶中，Ⅲ族受主替位雜質兩種荷電狀態(tài)的價鍵圖（a）電離態(tài)（b）中性受主態(tài)第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一△EA=EA-EVECEAEV空穴濃度p0>電子濃度n0受主能級：把被受主雜質所束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級。受主電離能：是使被俘獲的空擺脫束縛，從而可以參與傳導電流所需的能量△EA=EA-EV第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一雜質半導體1、n型半導體：特征：a、施主雜質電離，導帶中出現(xiàn)施主提供的電子b、電子濃度n>空穴濃度p2、p型半導體：特征：a、受主雜質電離，價帶中出現(xiàn)受主提供的空穴

b、空穴濃度p>電子濃度n第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一雜質能級位于禁帶之中

Ec雜質能級

Ev

第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一上述雜質的特點：施主電離能△ED《Eg受主電離能△EA《Eg

淺能級雜質·雜質的雙重作用：1、改變半導體的電阻率2、決定半導體的導電類型即：雜質在半導體禁帶中產(chǎn)生的能級距帶邊較近第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.1.4淺能級雜質電離能的簡單計算（1）用類氫原子模型估算淺能級雜質的電離能淺能級雜質=雜質離子+束縛電子（空穴）第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（2）氫原子基態(tài)電子的電離能氫原子電子滿足：解得電子能量：氫原子基態(tài)能量：氫原子的電離能：故基態(tài)電子的電離能：2.1.4淺能級雜質電離能的簡單計算第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一正、負電荷所處介質：第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一估算結果與實際測

量值有相同數(shù)量級Ge：△ED～0.0064eVSi:△ED～0.025eV第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.1.5、雜質的補償作用1、本征激發(fā)與本征半導體（1）本征激發(fā)：在純凈半導體中，載流子的產(chǎn)生必須依靠價帶中的電子激發(fā)到導帶，它的特點是每產(chǎn)生一個導帶電子就相應在價帶中產(chǎn)生一個空穴，即電子和空穴是成對產(chǎn)生的。這種激發(fā)稱為本征激發(fā)。第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一即：n0=p0=ni（ni為本征載流子濃度）

（2）本征半導體：不含雜質的半導體就是

本征半導體。ni=ni（T）電子濃度空穴濃度n0=p0=ni第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一在室溫（RT=300K）下：

ni（Ge）≌2.4×1013cm-3

ni（Si）≌1.5×1010cm-3ni（GaAs）≌1.6×106cm-3ni——本征載流子濃度第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（3）n型半導體與p型半導體

(A)如施主濃度ND>nin型半導體(B)如受主濃度NA>nip型半導體

當半導體中摻入一定量的淺施主或淺受主時，因其離化能△ED或△EA很小（～RT下的kT=0.026eV）,所以它們基本上都處于離化態(tài)。第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一(4)雜質的補償,既摻有施主又摻有受主（A）ND(施主濃度）>NA（受主濃度）時

所以：有效的施主濃度ND*=ND-NA>ni

因EA在ED之下，ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩余的束縛電子再電離到導帶上。補償半導體n型半導體EDEAUESTCNuoLiu第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（B）NA>ND時

ED

EA所以：有效的受主濃度ND*=ND-NA>nip型半導體因EA在ED之下，ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩余的束縛空穴再電離到價帶上。第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（C）NA≈ND時

雜質的高度補償

第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一※就實際而言：半導體的最重要的性質之一，就是能夠利用施主和受主雜質兩種雜質進行參雜，并利用雜質的補償作用，根據(jù)人們的需要改變半導體中某一區(qū)域的導電類型，以制成各種器件。第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.1.6深能級雜質（1）淺能級雜質（2）深能級雜質△ED≮Eg△EA≮EgEAEDEDEAEcEcEvEv△ED《Eg△EA《Eg雜質在半導體禁帶中產(chǎn)生的能級距帶邊較遠UESTCNuoLiu第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一深能級雜質的特征1、淺能級施主能級靠近導帶，淺能級受主能級靠近價帶；深能級施主則主要位于禁帶中線下，深能級受主主要位于禁帶中線上。第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五種可能的狀態(tài)：（1）Au+；（2）Au0（3）Au一

（4）Au二

（5）Au三。2、多重能級特性：一些深能級雜質產(chǎn)生多次電離，導致多重能級特性。第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（1）Au+：Au0–eAu+△EEgECEVED失去唯一的價電子，產(chǎn)生施主能級ED。第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（2）Au一：Au0+eAu一△EA1ECEAEVAu接受一個電子后變成Au-，產(chǎn)生受主能級EA1第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（3）Au二：Au一+eAu二

ECEA2EA1EV△E=△EAu接受兩個電子后變成Au=，產(chǎn)生受主能級EA2第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（4）Au三：Au二+eAu三Au接受三個電子后變成Au三，產(chǎn)生受主能級EA3第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一Au在Si中既可作施主，又可作受主，稱為兩性雜質；如果在Si中摻入Au的同時又摻入淺受主雜質，Au呈施主作用；反之，若同時摻入施主雜質，則Au呈受主作用。ECEVEAED第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一由于電子間的庫侖排斥力的作用，Au從價帶接受第二個電子所需的電離能比接受第一個電子時要大，接受第三個對比第二個大，所以EA3>EA2>EA1。深能級雜質在半導體中以替位式的形態(tài)存在，一般情況下含量極少，它們對半導體中的導電電子濃度，導電空穴濃度和材料的導電類型的影響沒有淺能級雜質顯著，但對載流子的復合作用比淺能級雜質強得多。第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.4Ⅲ-Ⅴ族化合物中德爾雜質能級（1）等電子雜質特征：a、與本征元素同族但不同原子序數(shù)例：GaP中摻入Ⅴ族的N或Bib、以替位形式存在于晶體中，基本上是電中性的。第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（2）等電子陷阱

等電子雜質（如N）占據(jù)本征原子位置（如GaAsP中的P位置）后，即存在著由核心力引起的短程作用力，它們可以吸引一個導帶電子（空穴）而變成負（正）離子，前者就是電子陷阱，后者就是空穴陷阱。

NNP第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一(3)束縛激子

例：GaP：NNP+eNP-（等電子陷阱）之后NP-+h

NP-+h束縛激子即等電子陷阱俘獲一種符號的載流子后，又因帶電中心的庫侖作用又俘獲另一種帶電符號的載流子，這就是束縛激子。第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一(4)兩性雜質舉例：GaAs中摻Si（Ⅳ族）Ga：Ⅲ族As：Ⅴ族

兩性雜質：在化合物半導體中，某種雜質在其中既可以作施主又可以作受主，這種雜質稱為兩性雜質。SiGa受主SiAs施主兩性雜質第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2.4缺陷能級2.4.1點缺陷空位：指本體原子缺位；間隙：指不應有原子的地方加入了一個原子第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一1、空位、間隙的產(chǎn)生與消失（1）由體內(nèi)產(chǎn)生：在較高溫度下，極少數(shù)的原子熱運動特別激烈，克服周圍原子化學鍵束縛而脫離格點，形成間隙原子，原先所處的位置成為空位。這時空位和間隙原子成對出現(xiàn)——弗侖克爾缺陷。第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一（2）由表面產(chǎn)生：在表面空位和間隙原子都可以單獨的產(chǎn)生，然后擴散到體內(nèi)。這時空位和間隙原子的數(shù)目也是