东南大学电子工程物理基础(4-1)2016.ppt

补充作业： 1．掺磷的n型硅，已知磷的电离能为0.04eV，求室温下杂质一半电离时费米能级的位置和磷的浓度。 2．求室温下掺锑的n型硅，使EF＝(EC＋ED)/2时的锑的浓度。已知锑的电离能为0.039eV。已知 教材p.162，15.一块补偿硅材料，已知掺入受主杂质浓度NA=1×1015cm-3,室温下测得其费米能级位置恰好与施主能级重合，并测得热平衡时电子浓n0=5×1015cm-3 。已知室温下硅本征载流子浓度ni=1.5×1010cm-3。 试问： （1）热平衡时空穴浓度为多少？ （2）掺入材料中的施主杂质浓度为多少？ （3）电离杂质中心浓度为多少？ （4）中性杂质中心浓度为多少？ * * * （2） Acceptor (受主杂质) p型半导体 Ⅳ族元素硅、锗中掺Ⅲ族元素,如硼（B）: *从si的共价键平面图看: Al13:1S22S22P63S23P1 Si14:1S22S22P63S23P2 电离 B5:1S22S22P1 *从Si的电子能量图看: 结论: 硼杂质在硅、锗中电离时，能够获取电子而产生导电空穴并形成负电中心。这种杂质称受主杂质 。掺受主杂质后，价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力。主要依靠价带空穴导电的半导体称p型半导体。 n0 p0 电中性关系： 半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，它们之间有相互抵消的作用——杂质补偿作用。 *当ND 》NA时，n= ND- NA≈ ND 半导体是n型 *当ND《NA时， p= NA- ND≈ NA 半导体是p型 *当ND ≈ NA时， 杂质的高度补偿 ND——施主杂质浓度 NA——受主杂质浓度 n——导带电子浓度 p——价带空穴浓度 （3）杂质的补偿作用 2. 特殊掺杂 深能级杂质----减少非平衡载流子生存时间 重掺杂-----高导电性、高电荷密度等 （2）浅能级 深能级 （1）掺杂浓度高 对于重掺杂,导带底部的量子态基本被电子占满.电子分布函数不再能近似为玻尔兹曼分布函数了,而要用费米分布描述。 （1）重掺杂 掺杂浓度高，EC-EF 与或EF –EV 越小 （F-D） （M-B） ？ 简并半导体 非简并，一般掺杂 当掺杂浓度很高时,会使 EF接近或进入了导带—半导体简并化了. EC-EF2k0T 非简并 简并化条件 0EC-EF 2k0T 弱简并 EC-EF0 简并 （a）杂质能带和杂质导电 简并化效应 （b）产生导带或价带带尾 （c）禁带宽度变窄 在重掺杂的简并半导体中,杂质浓度很高.杂质原子相互靠近,被杂质原子束缚的电子的波函数显著重叠，杂质能级扩展为杂质能带. 杂质能带中的电子,可以通过杂质原子间共有化运动参加导电---杂质带导电. 大量杂质中心的电势会影响晶体周期势场，从而对能带产生扰动，使得在禁带中靠近导带或价带处出现带尾。 当杂质能带展宽，并与导带底或价带顶连接上时，相当于禁带宽度变窄。 （2）深能级杂质 0.54eV + 0.35eV Si晶体中的Au能级 Ec Ev EA ED 深能级杂质的电离与所掺浅能级杂质类型有关。 EA和ED不是同时起作用 类氢原子模型 三. 掺杂半导体—计算 1.杂质电离能计算(杂质电离能：杂质能级相对于费米能级位置) 氢原子 类氢原子模型 2.电离了的杂质浓度的计算 杂质能级上的电子浓度nD=杂质能级的态密度×杂质能级被电子占据的概率 载流子浓度=(∫能态密度g(E) ×分布函数f(E)dE)/V n0 p0 ND= + 借鉴 *施主杂质能级的态密度=所掺施主杂质的浓度ND(E=ED) *受主杂质能级的态密度=所掺受主杂质的浓度NA(E=EA) 杂质能级的态密度： 杂质能级上的电子浓度nD=杂质能级的态密度×杂质能级被电子占据的概率 施主能级被电子占据的概率： *杂质电子的分布函数fD(E）: 施主杂质能级与导带中的能级不同,只能是以下两种情况之一: (1) 被一个有任一自旋方向的电子所占据 (2) 不接受电子 受主能级被空穴占据的概率： F-D分布 Si Ge GaAs 简并因子： 为了表达方便,有时取 参考 *施主能级上的电子浓度nD 电离了的施主浓度( ionized donors ) 杂质