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07_02_半导体中的杂质 —— 半导体电子论 §7.2 半导体中的杂质 理想的半导体材料 —— 没有缺陷或没有杂质 —— 对纯的半导体材料掺入适当的杂质，可以提供载流子 实际的半导体 —— 除了与能带对应的电子共有化状态以外，还有一些 电子被杂质或者缺陷原子所束缚 载流子 —— 激发到导带中的电子和价带中的空穴 实际的半导体 —— 束缚电子具有确定的能级，杂质能级位于带隙中接近 导带的位置 —— 一般温度下，可将杂质束缚的电子激发到导带中 —— 对半导体的导电性能产生大的影响 一个IV族元素Ge（4价）被一个V族元素As（5价）取代 As原子和近邻的4个Ge原子形成共价键后尚剩余一个电子 共价键是一种很强的化学键，束缚在共价键上的电子能量很低 —— 价带中的电子 多余一个电子受到As+静电束缚作用相当微弱 —— 位于带隙之中，且非常接近导带底 吸收很小的能量，从带隙跃迁到导带中—— 电子载流子 —— B原子和近邻的4个Si原子形成共价键尚缺一个电子 在价带中形成一个空穴 —— B原子成为负离子 空穴的能量位于带隙之中，且非常接近价带顶 附近Si原子价键上的电子不需要增加多少能量便可以容易地来填补B原子周围价键的空缺 一个IV族元素Si（4价）被一个III族元素B（3价）所取代 一个IV族元素Si（4价）被一个III族元素B（3价）所取代 1. 施主和受主 —— 掺杂元素对导电不同影响，杂质态可分为两种类型 1) 施主 杂质在带隙中提供带有电子的能级，能级略低于导带底的能量，和价带中的电子相比较，很容易激发到导带中 —— 电子载流子 主要含有施主杂质的半导体，依靠施主热激发到导带的电子导电 —— N型半导体 2) 受主 —— 杂质提供带隙中空的能级，电子由价带激发到受主能级要比激发到导带容易的多 —— 主要含有受主杂质的半导体，因价带中的一些电子被激发到施主能级，而在价带中产生许多空穴，主要依靠这些空穴导电 —— P型半导体 2. 类氢杂质能级 半导体掺杂形成的施主能级或受主能级的情况较为复杂 简单的一类杂质能级 —— 类氢杂质能级 N型半导体 —— 在III－V族化合物中掺入VI族元素取代V族元素 —— 特点半导体材料中有多余的电子 —— 在IV族(Si，Ge)化合物中掺入V族元素(P，As，Sb) P 型半导体 —— 在IV族(Si，Ge)化合物中掺入III族元素(Al， Ga，In) —— 在III－V族化合物中掺入II族元素取代III族元素 —— 特点半导体材料中形成空穴 类氢杂质能级 掺入多一个电子或少一个电子的原子 电子或空穴的运动类似于氢原子中的电子 类氢杂质能级讨论和分析 氢原子中的电子运动 电子的波动方程 能量本征值 基态能量 基态波函数 C —— 归一化常数 类氢施主杂质中电子的波函数 —— 导带底的布洛赫函数 导带极值?点的波函数 满足方程 — 电子的有效质量，?r是半导体材料的相对介电常数 比较氢原子中电子方程 以 作替换 施主的电离能 氢原子电子基态能量 施主态与氢原子中电子的电离能之比 因为 —— 施主态的电离能较小 电子电离 —— 电子摆脱施主束缚能在导带中运动 施主的能量在导带底E－下面 —— 激发到导带中 带隙中的电子获得能量