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半导体物理半导体物理半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构第二章半导体中杂质和缺陷能级教学内容：2．1硅、锗晶体中的杂质能级2．2III－V族化合物中的杂质能级2．4缺陷、位错能级本章要点几个重要的名词：间隙式/替位式杂质，施主/受主杂质，施主/受主电离，中性态（束缚态）/离化态，杂质电离能，施主/受主能级，N/P型半导体，浅/深能级杂质，杂质补偿，有效杂质浓度，点缺陷，位错施主/受主杂质电离过程，主要是其电离过程能带图半导体中的杂质来源：原材料纯度不够单晶制备和器件制造过程中的玷污为了控制半导体的性质而人为引入的杂质本章主要讨论人为引入的杂质2.1.1间隙式杂质、替位式杂质Si、Ge都具有金刚石结构，一个晶胞内含有8个原子。由于晶胞内空间对角线上相距1/4对角线长度的两个原子为最近邻原子，恰好就是共价半径的2倍，因此晶胞内8个原子的体积与立方晶胞体积之比为34%，即晶胞内存在着66%的空隙。所以杂质进入半导体后可以存在于晶格原子之间的间隙位置上，称为间隙式杂质，也可以取代晶格原子而位于格点上，称为替（代）位式杂质。练习2.1.2施主杂质以Si中掺入V族元素磷(P)为例：当有五个价电子的磷原子取代Si原子而位于格点上时，磷原子五个价电子中的四个与周围的四个Si原子组成四个共价键，还多出一个价电子，磷原子所在处也多余一个称为正电中心磷离子的正电荷。多余的这个电子被正电中心磷离子所吸引只能在其周围运动，不过这种吸引要远弱于共价键的束缚，只需很小的能量就可以使其挣脱束缚，形成能在整个晶体中“自由”运动的导电电子。而正电中心磷离子被晶格所束缚，不能运动。由于以磷为代表的Ⅴ族元素在Si中能够施放导电电子，称V族元素为施主杂质或n型杂质。电子脱离施主杂质的束缚成为导电电子的过程称为施主电离，所需要的能量ΔED称为施主杂质电离能。ΔED的大小与半导体材料和杂质种类有关，但远小于Si和Ge的禁带宽度。施主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后称为施主离化态。Si中掺入施主杂质后，通过杂质电离增加了导电电子数量从而增强了半导体的导电能力。2.1.3受主杂质以Si中掺入Ⅲ族元素硼(B)为例：硼只有三个价电子，为与周围四个Si原子形成四个共价键，必须从附近的Si原子共价键中夺取一个电子，这样硼原子就多出一个电子，形成负电中心硼离子，同时在Si的共价键中产生了一个空穴。这个被负电中心硼离子依靠静电引力束缚的空穴还不是自由的，不能参加导电，但这种束缚作用同样很弱，很小的能量ΔEA就使其成为可以“自由”运动的导电空穴。而负电中心硼离子被晶格所束缚，不能运动。由于以硼原子为代表的Ⅲ族元素在Si、Ge中能够接受电子而产生导电空穴，称Ⅲ族元素为受主杂质或p型杂质。空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离，而所需要的能量ΔEA称为受主杂质电离能。不同半导体和不同受主杂质其ΔEA也不相同，但ΔEA通常远小于Si和Ge禁带宽度。受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为负电中心，称为受主离化态。Si中掺入受主杂质后，受主电离增加了导电空穴，增强了半导体导电能力，把主要依靠空穴导电的半导体称作p型半导体。p型半导体中空穴是多子，电子是少子。施主能级和受主能级掺入施主杂质的半导体，施主能级ED上的电子获得能量ΔED后由束缚态跃迁到导带成为导电电子，因此施主能级ED位于比导带底Ec低ΔED的禁带中，且ΔEDEg。空穴由于带正电，能带图中能量自上向下是增大的。对于掺入Ⅲ族元素的半导体，被受主杂质束缚的空穴能量状态(称为受主能级EA)位于比价带顶Ev低ΔEA的禁带中，ΔEAEg，当受主能级上的空穴得到能量ΔEA后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴。下图是用能带图表示的施主杂质和受主杂质的电离过程如果Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族杂质浓度不太高，在包括室温的相当宽的温度范围内，杂质几乎全部离化。通常情况下半导体中杂质浓度不是特别高，半导体中杂质分布很稀疏，因此不必考虑杂质原子间的相互作用，被杂质原子束缚的电子(空穴)就像单个原子中的电子一样，处在互相分离、能量相等的杂质能级上而不形成杂质能带。当杂质浓度很高(称为重掺杂)时，杂质能级才会交叠，形成杂质能带。练习2.1.5杂质的补偿作用如果在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，施主杂质和受主杂质具有相互抵消的作用，称为杂质的补偿作用。半导体器件和集成电路生产中就是利用杂质补偿作用，在n型Si外延层上的特定区域掺入