固體物理學-半導體電子論之半導體中的雜質(zhì)

07_02半導體中的雜質(zhì)

理想的半導體材料——沒有缺陷或沒有雜質(zhì)——對純的半導體材料摻入適當?shù)碾s質(zhì)，可以提供載流子實際的半導體——除了與能帶對應的電子共有化狀態(tài)以外還有一些電子被雜質(zhì)或缺陷原子所束縛載流子——激發(fā)到導帶中的電子和價帶中的空穴實際的半導體——束縛電子具有確定的能級雜質(zhì)能級位于帶隙中接近導帶的位置——一般溫度下，雜質(zhì)束縛電子激發(fā)到導帶中——對半導體的導電性能產(chǎn)生很大的影響——一個IV族元素Ge(4價)被一個V族元素As(5價)取代As和近鄰的4個Ge形成共價鍵——剩余一個電子共價鍵上的電子能量很低——價帶中的電子剩余電子受As+束縛作用微弱——位于帶隙，接近導帶底吸收很小能量從帶隙躍遷到導帶中——電子載流子

B和近鄰的4個Si形成共價鍵——尚缺一個電子——Si價帶中形成空穴——B原子成為負離子空穴的能量位于帶隙中——非常接近價帶頂——Si價鍵上電子容易填補B價鍵的空缺

——一個IV族元素Si(4價)被一個III族元素B(3價)所取代——一個IV族元素Si被一個III族元素B所取代1施主和受主

——摻雜元素對導電不同影響，雜質(zhì)態(tài)可分為兩種類型

1)施主雜質(zhì)提供帶有電子的能級——能級略低導帶底能量——很容易激發(fā)到導帶中——電子載流子——N型半導體2)受主雜質(zhì)提供帶隙中空的能級——價帶中電子容易激發(fā)——主要含有受主雜質(zhì)的半導體，價帶一些電子被激發(fā)到施主能級價帶中產(chǎn)生許多空穴——空穴載流子——P型半導體

2類氫雜質(zhì)能級

半導體摻雜形成的施主能級或受主能級的情況較為復雜簡單的一類雜質(zhì)能級——類氫雜質(zhì)能級N型半導體——在III－V族化合物中摻入VI族元素取代V族元素——特點半導體材料中有多余的電子——在IV族(Si，Ge)化合物中摻入V族元素(P，As，Sb)P型半導體——在IV族(Si，Ge)化合物中摻入III族元素(Al，Ga，In)——在III－V族化合物中摻入II族元素取代III族元素——特點半導體材料中形成空穴類氫雜質(zhì)能級摻入多一個電子或少一個電子的原子電子或空穴的運動類似于氫原子中的電子——類氫雜質(zhì)能級討論和分析——氫原子中的電子運動電子的波動方程能量本征值基態(tài)能量基態(tài)波函數(shù)C——歸一化常數(shù)——類氫施主雜質(zhì)中電子的波函數(shù)

——導帶底的布洛赫函數(shù)導帶極值

點的波函數(shù)滿足方程——電子的有效質(zhì)量，r是半導體的相對介電常數(shù)比較氫原子中電子方程施主的電離能氫原子電子基態(tài)能量施主態(tài)與氫原子中電子的電離能之比——施主態(tài)的電離能較小半導體電子電離——電子擺脫施主束縛能在導帶中運動施主的能量在導帶底E－下面——激發(fā)到導帶中帶隙中的電子獲得能量電子的基態(tài)波函數(shù)氫原子中電子的薛定諤方程電子的基態(tài)波函數(shù)施主雜質(zhì)電子的薛定諤方程對于摻入少一個電子的原子構(gòu)成受主的情況是類似的——滿帶中的空穴可以被雜質(zhì)的負離子所束縛一個束縛空穴的受主能級位于滿帶E＋上面——滿帶中的一個電子需要吸收能量——躍遷到受主能級留下一自由空穴——以上形成的施主或受主，稱為類氫雜質(zhì)能級特點——束縛能很小，對于產(chǎn)生電子和空穴特別有效施主或受主能級非常接近導帶或價帶——淺能級雜質(zhì)3深能級雜質(zhì)摻雜在帶隙中引入較深的能級

——深能級雜質(zhì)——摻Au的Si半導體——受主能級：導帶下0.54eV——施主能級：價帶上0.35eV

深能級雜質(zhì)的多重能級與荷電狀態(tài)深能級雜質(zhì)為多重能級——Si中摻雜的Au為兩重能級兩個能級均無電子填充

——Au原子帶正電2)受主能級填充一個電子施主能級無電子填充時

——Au原子為中性狀態(tài)3)受主和施主都有電子填充

——Au原子帶負電——反映了雜質(zhì)帶電的