固体物理学_半导体电子论之半导体中的杂质讲述.ppt

07_02_半导体中的杂质 —— 半导体电子论 07_02 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，杂质束 缚电子激发到导带中 —— 对半导体的导电性 能产生很大的影响 —— 一个IV族元素Ge(4价)被一个V族元素As(5价)取代 As和近邻的4个Ge形成共价键 —— 剩余一个电子 共价键上的电子能量很低 —— 价带中的电子 剩余电子受As+束缚作用微弱 —— 位于带隙，接近导带底 吸收很小能量从带隙跃迁 到导带中——电子载流子 B和近邻的4个Si形成共价键 —— 尚缺一个电子 —— Si价带中形成空穴 —— B原子成为负离子 空穴的能量位于带隙中 —— 非常接近价带顶 —— Si价键上电子容易 填补B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被一个III族元素B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 杂质提供带有电子的能级 —— 能级略低导带底能量 —— 很容易激发到导带中 —— 电子载流子 —— N型半导体 2) 受主 杂质提供带隙中空的能级 —— 价带中电子容易激发 —— 主要含有受主杂质的 半导体，价带一些电 子被激发到施主能级 价带中产生许多空穴 —— 空穴载流子 —— 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是半导体的相对介电常数 比较氢原子中电子方程 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 —— 施主态的电离能较小 半导体 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 电子的基态波函数 氢原子中电子的薛定谔方程 电子的基态波函数 施主杂质电子的薛定谔方程 对于掺入少一个电子的原子构成受主的情况是类似的 —— 满带中的空穴可以被杂质的负离子所束缚 一个束缚空穴的受主能级位于满带E＋上面 —— 满带中的一个电 子需要吸收能量 —— 跃迁到受主能级 留下一自由空穴 —— 以上形成的施主或受主，称为类氢杂质能级 特点 —— 束缚能很小，对于产生电子和空穴特别有效 施主或受主能级非常接近导带或价带 —— 浅能级杂质 3 深能级杂质 掺杂在带隙中引入较深的能级 —— 深能级杂质 —— 掺Au的Si半导体 —— 受主能级：导带下0.54 eV —— 施主能级：价带上0.35 eV ? 深能级杂质的多重能级与荷电状态 深能级杂质为多重能级 —— Si中掺杂的Au为两重能级 两个能级均无电子填充 —— Au原子带正电 2) 受主能级填充一个电子 施主能级无电子填充时 —— Au原子为中性状态 3) 受主和施主都有电子填充 —— Au原子带负电 —— 反映了杂质带电的情况 ? 深能级杂质和缺陷的作用 可以成为有效复合中心 大大降低载流子的寿命 2) 可成为非辐射复合中心 影响半导体的发光效率 3) 可以作为补偿杂质 提高半导体电阻率