半导体物理学-第1章.ppt

Prof.LEI 半导体物理Semiconductor Physics 雷天民 西Ⅱ-206 leitianmin@163.com 第一章 半导体的物质结构和能带结构 半导体的晶格结构和结合性质 半导体的电子状态和能带 半导体中电子的运动 有效质量 半导体的杂质和缺陷 常见半导体的能带结构 半导体能带工程简介 §1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 深能级杂质 除Ⅲ、Ⅴ族元素可在锗、硅等Ⅳ族元素半导体中引入杂质能级外，其它族元素也可在锗、硅中产生杂质能级。而且，能级通常有如下特点： 1）它们产生的施主（受主）能级距导带底（价带顶）较远，电离能大！通常称这些能级为深能级，产生这些深能级的杂质称为深能级杂质； 2）这些杂质在硅、锗的禁带中往往可以引入若干个能级，有的属于两性杂质（施主能级或受主能级）； 3）主要以替位形式存在； 4）深能级杂质的行为与杂质原子的电子壳层结构、原子大小、杂质在半导体晶格中的位置等因素有关。 §1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 一、价电子数相差较多的杂质及其能级 金刚石结构晶体中的I族元素杂质 只有一个价电子的杂质原子取代了4配位的主体原子之后，有两种可能使自己稳定存在于主体原子的共价环境之中： 1）释放其唯一的价电子而成为正离子，然后与其最近邻的4个原子的一个等效价电子形成类离子键的结合； 2）依次接受1个、2个、3个电子，成为一重、二重、三重电离的负离子。 Au的电子组态： 5s25p65d106s1 如在Ge中掺Au: Au＋ Ec Ev ED ED=Ev+0.04 eV Au失去一个电子——施主 §1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 Au－ Au依次获得电子 受主 Ec Ev ED EA1 EA1= Ev + 0.15eV EA2= Ec - 0.2eV Ec Ev ED EA1 EA2 Au2－ EA3= Ec - 0.04eV Ec Ev ED EA1 EA2 EA3 Au3－ §1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 VI族元素杂质在金刚石结构中替代主体原子时，其6个价电子中只需4个用来与近邻原子形成共价键，剩余的两个价电子可以顺次释放，产生两条深度不同的施主能级。 3.化合物半导体中的深能级杂质 在化合物半导体中与被替换原子的价电子数相差不止一个的杂质一般也是深能级杂质，但受电负性不能相差太大的限制，不是任何杂质原子都可以取代某种点阵原子。 2.金刚石结构中的II、VI族元素杂质 II族元素杂质在金刚石结构中的行为与I族元素杂质类似，也应产生两条深受主能级和两条深施主能级。 §1.2 半导体中的电子状态与能带 3）有限周期势场受周期性边界条件限制导致波矢 k 取值的量子化。 在允带内，电子的能量E 是波矢k 的多值函数，且随 k 准连续、周期性变化！ 一、半导体中的载流子 假定在一个单位截面导体中有 N 个具有不同速度υi的电子，则流经该导体的电流密度可表示为 对于波矢为 k 的电子，其能量为 ，则 1、满带电子不导电 §1.3 半导体中载流子的有效质量 在允带中的状态全部被电子填充的情况下，由于 E(k) 函数的中心对称性，对应于同一个能量总存在两个波矢分别为k和 -k 的电子。其速度大小相等方向相反，因而总电流密度 即：满带（电子占满的能带）电子 对半导体的导电无贡献！ §1.3 半导体中载流子的有效质量 2、导电靠的是非满带 晶体的电子电导主要决定于晶体中的非满带（未被电子占据满的能带）。 非满带有两种极端情况，一种是空状态极多电子极少，另一种是电子极多空状态极少。 §1.3 半导体中载流子的有效质量 3、近满带和空穴 假设满带中只有一个 k 态没有电子，I( k )表示在这种情况下整个近满带的总电流。同时假想在空的 k 态放入一个电子，该电子形成的荷电流为 放入电子后，能带被完全填满，总的电流为零。因此 表明：近满带的总电流如同是一个带正电荷 q 的粒子，其速度等于处在 k 状态的电子速度 υ(k)。这种空的状态称为空穴。 §1.3 半导体中载流子的有效质量 3、引入空穴的意义： 可将价带大量电子对电流的贡献用少量的空穴表达出来。 当满带中缺少 n 个电子时，它在外场作用下所产生的总电流与 n 个空穴所产生的电流相等。 2、空穴带有正电荷+q。 空穴的特点 1、空穴是一个假想粒子， k 态空穴的变化规律与 k 态电子的变化相同； §1.3 半导体中载流子的有效质量 §1.3 半导体中载流子的有效质量 对于大多数半导体，对导电起主要作用的往往是导带底附近的电子