固體物理學(xué)-半導(dǎo)體電子論之半導(dǎo)體中的雜質(zhì)

07_02半導(dǎo)體中的雜質(zhì)

理想的半導(dǎo)體材料——沒(méi)有缺陷或沒(méi)有雜質(zhì)——對(duì)純的半導(dǎo)體材料摻入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)，可以提供載流子實(shí)際的半導(dǎo)體——除了與能帶對(duì)應(yīng)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(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴實(shí)際的半導(dǎo)體——束縛電子具有確定的能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)位于帶隙中接近導(dǎo)帶的位置——一般溫度下，雜質(zhì)束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶中——對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能產(chǎn)生很大的影響——一個(gè)IV族元素Ge(4價(jià))被一個(gè)V族元素As(5價(jià))取代As和近鄰的4個(gè)Ge形成共價(jià)鍵——剩余一個(gè)電子共價(jià)鍵上的電子能量很低——價(jià)帶中的電子剩余電子受As+束縛作用微弱——位于帶隙，接近導(dǎo)帶底吸收很小能量從帶隙躍遷到導(dǎo)帶中——電子載流子

B和近鄰的4個(gè)Si形成共價(jià)鍵——尚缺一個(gè)電子——Si價(jià)帶中形成空穴——B原子成為負(fù)離子空穴的能量位于帶隙中——非常接近價(jià)帶頂——Si價(jià)鍵上電子容易填補(bǔ)B價(jià)鍵的空缺

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

——摻雜元素對(duì)導(dǎo)電不同影響，雜質(zhì)態(tài)可分為兩種類(lèi)型

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

2類(lèi)氫雜質(zhì)能級(jí)

半導(dǎo)體摻雜形成的施主能級(jí)或受主能級(jí)的情況較為復(fù)雜簡(jiǎn)單的一類(lèi)雜質(zhì)能級(jí)——類(lèi)氫雜質(zhì)能級(jí)N型半導(dǎo)體——在III－V族化合物中摻入VI族元素取代V族元素——特點(diǎn)半導(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)半導(dǎo)體材料中形成空穴類(lèi)氫雜質(zhì)能級(jí)摻入多一個(gè)電子或少一個(gè)電子的原子電子或空穴的運(yùn)動(dòng)類(lèi)似于氫原子中的電子——類(lèi)氫雜質(zhì)能級(jí)討論和分析——?dú)湓又械碾娮舆\(yùn)動(dòng)電子的波動(dòng)方程能量本征值基態(tài)能量基態(tài)波函數(shù)C——?dú)w一化常數(shù)——類(lèi)氫施主雜質(zhì)中電子的波函數(shù)

——導(dǎo)帶底的布洛赫函數(shù)導(dǎo)帶極值

點(diǎn)的波函數(shù)滿(mǎn)足方程——電子的有效質(zhì)量，r是半導(dǎo)體的相對(duì)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(dǎo)體電子電離——電子擺脫施主束縛能在導(dǎo)帶中運(yùn)動(dòng)施主的能量在導(dǎo)帶底E－下面——激發(fā)到導(dǎo)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(duì)于摻入少一個(gè)電子的原子構(gòu)成受主的情況是類(lèi)似的——滿(mǎn)帶中的空穴可以被雜質(zhì)的負(fù)離子所束縛一個(gè)束縛空穴的受主能級(jí)位于滿(mǎn)帶E＋上面——滿(mǎn)帶中的一個(gè)電子需要吸收能量——躍遷到受主能級(jí)留下一自由空穴——以上形成的施主或受主，稱(chēng)為類(lèi)氫雜質(zhì)能級(jí)特點(diǎn)——束縛能很小，對(duì)于產(chǎn)生電子和空穴特別有效施主或受主能級(jí)非常接近導(dǎo)帶或價(jià)帶——淺能級(jí)雜質(zhì)3深能級(jí)雜質(zhì)摻雜在帶隙中引入較深的能級(jí)

——深能級(jí)雜質(zhì)——摻Au的Si半導(dǎo)體——受主能級(jí)：導(dǎo)帶下0.54eV——施主能級(jí)：價(jià)帶上0.35eV

深能級(jí)雜質(zhì)的多重能級(jí)與荷電狀態(tài)深能級(jí)雜質(zhì)為多重能級(jí)——Si中摻雜的Au為兩重能級(jí)兩個(gè)能級(jí)均無(wú)電子填充

——Au原子帶正電2)受主能級(jí)填充一個(gè)電子施主能級(jí)無(wú)電子填充時(shí)

——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(fù)電——反映了雜質(zhì)帶電的