2022-2023學(xué)年高二物理 摻雜原子與能級(jí) 競(jìng)賽課件

摻雜原子與能級(jí)摻雜原子與能級(jí)摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，施主能級(jí)Ed上的電子獲得能量ΔEd后由束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，因此施主能級(jí)Ed位于比導(dǎo)帶底Ec低ΔEd的禁帶中，且ΔEd<<Eg。對(duì)于摻入Ⅲ族元素的半導(dǎo)體，被受主雜質(zhì)束縛的空穴能量狀態(tài)(稱為受主能級(jí)Ea)位于比價(jià)帶頂Ev低ΔEa的禁帶中,ΔEa<<Eg，當(dāng)受主能級(jí)上的空穴得到能量ΔEa后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴。

(a)施主能級(jí)和施主電離(b)受主能級(jí)和受主電離圖

雜質(zhì)能級(jí)和雜質(zhì)電離如果Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)濃度不太高，在包括室溫的相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)幾乎全部離化。通常情況下半導(dǎo)體中雜質(zhì)濃度不是特別高，半導(dǎo)體中雜質(zhì)分布很稀疏，因此不必考慮雜質(zhì)原子間的相互作用，被雜質(zhì)原子束縛的電子(空穴)就像單個(gè)原子中的電子一樣，處在互相分離、能量相等的雜質(zhì)能級(jí)上而不形成雜質(zhì)能帶——非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。當(dāng)雜質(zhì)濃度很高(稱為重?fù)诫s)時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)才會(huì)交疊，形成雜質(zhì)能帶——簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。電子占據(jù)施主能級(jí)的幾率

雜質(zhì)半導(dǎo)體中，施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)要么處于未離化的中性態(tài)，要么電離成為離化態(tài)。以施主雜質(zhì)為例，對(duì)施主電子來(lái)說(shuō)，每個(gè)施主能級(jí)都有兩種可能的自旋方向，每個(gè)施主能級(jí)就對(duì)應(yīng)兩種量子態(tài)。當(dāng)把其中一個(gè)電子放入其中一個(gè)量子態(tài)上之后，就排除了將其他電子放入第二個(gè)量子態(tài)的可能，這種情況下電子占據(jù)施主能級(jí)的幾率為上式表明施主雜質(zhì)的離化情況與雜質(zhì)能級(jí)Ed和費(fèi)米能級(jí)EF的相對(duì)位置有關(guān)；如果Ed-EF>>kT，則未電離施主濃度nd≈0，而電離施主濃度nd+

≈Nd，雜質(zhì)幾乎全部電離。如果費(fèi)米能級(jí)EF與施主能級(jí)Ed重合時(shí)，施主雜質(zhì)有1/3電離，還有2/3沒(méi)有電離。如果施主雜質(zhì)濃度為Nd

，那么施主能級(jí)上的電子濃度為而電離施主雜質(zhì)濃度為雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度（n型：電中性條件）

n型半導(dǎo)體中存在著帶負(fù)電的導(dǎo)帶電子(濃度為n0)、帶正電的價(jià)帶空穴(濃度為p0)和離化的施主雜質(zhì)(濃度為nd+)，因此電中性條件為即將n0、p0、nd+各表達(dá)式代入可得到一般求解此式是有困難的。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)滿足Si中摻雜濃度不太高并且所處的溫度高于100K左右的條件時(shí)，那么雜質(zhì)一般是全部離化的，這樣電中性條件可以寫成與n0p0＝ni2聯(lián)立求解，雜質(zhì)全部離化時(shí)的導(dǎo)帶電子濃度n0

一般Si平面三極管中摻雜濃度不低于5×1014cm-3，而室溫下Si的本征載流子濃度ni為1.5×1010cm-3，也就是說(shuō)在一個(gè)相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，本征激發(fā)產(chǎn)生的ni與全部電離的施主濃度Nd相比是可以忽略的。這一溫度范圍約為100～450K，稱為強(qiáng)電離區(qū)或飽和區(qū)，對(duì)應(yīng)的電子濃度為：Nd；參看例4.7；強(qiáng)電離區(qū)導(dǎo)帶電子濃度n0＝Nd，與溫度幾乎無(wú)關(guān)。上式代入n0表達(dá)式，得到變形得到一般n型半導(dǎo)體的EF位于Ei之上Ec之下的禁帶中。EF既與溫度有關(guān)，也與雜質(zhì)濃度Nd有關(guān)：一定溫度下?lián)诫s濃度越高，費(fèi)米能級(jí)EF距導(dǎo)帶底Ec越近；如果摻雜一定，溫度越高EF距Ec越遠(yuǎn)，也就是越趨向Ei。n型和p型費(fèi)米能級(jí)的位置與