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

1、07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論07_02 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 理想的半導(dǎo)體材料理想的半導(dǎo)體材料 沒有缺陷或沒有雜質(zhì)沒有缺陷或沒有雜質(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)或缺陷原子所束縛還有一些電子被雜質(zhì)或缺陷原子所束縛載流子載流子 激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴01/1907_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論實(shí)際的半導(dǎo)體實(shí)際的半導(dǎo)體 束縛電子具有確定的能級(jí)束縛電子具有確

2、定的能級(jí) 雜質(zhì)能級(jí)位于帶隙中接近導(dǎo)帶的位置雜質(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)束一般溫度下，雜質(zhì)束 縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶中縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶中 對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 能產(chǎn)生很大的影響能產(chǎn)生很大的影響07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論 一個(gè)一個(gè)IV族元素族元素Ge(4價(jià)價(jià))被一個(gè)被一個(gè)V族元素族元素As(5價(jià)價(jià))取代取代As和近鄰的和近鄰的4個(gè)個(gè)Ge形成共價(jià)鍵形成共價(jià)鍵 剩余一個(gè)電子剩余一個(gè)電子共價(jià)鍵上的電子能量很低共價(jià)鍵上的電子能量很低 價(jià)帶中的電子價(jià)帶中的電子剩余電子受剩余電子受As+束縛作用微弱束縛作用微弱 位于帶隙，接近導(dǎo)帶底位于帶隙，接近導(dǎo)帶底吸收很小能量從帶

3、隙躍遷吸收很小能量從帶隙躍遷到導(dǎo)帶中到導(dǎo)帶中電子載流子電子載流子 07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論B和近鄰的和近鄰的4個(gè)個(gè)Si形成共價(jià)鍵形成共價(jià)鍵 尚缺一個(gè)電子尚缺一個(gè)電子 Si價(jià)帶中形成空穴價(jià)帶中形成空穴 B原子成為負(fù)離子原子成為負(fù)離子空穴的能量位于帶隙中空穴的能量位于帶隙中 非常接近價(jià)帶頂非常接近價(jià)帶頂 Si價(jià)鍵上電子容易價(jià)鍵上電子容易 填補(bǔ)填補(bǔ)B價(jià)鍵的空缺價(jià)鍵的空缺 一個(gè)一個(gè)IV族元素族元素Si(4價(jià)價(jià))被一個(gè)被一個(gè)III族元素族元素B(3價(jià)價(jià))所取代所取代07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論 一個(gè)一個(gè)IV族元素族元素Si被一個(gè)被一個(gè)III族元素族元素B所取代所取代05/19

4、07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論1 施主和受主施主和受主 摻雜元素對(duì)導(dǎo)電不同影響，雜質(zhì)態(tài)可分為兩種類型摻雜元素對(duì)導(dǎo)電不同影響，雜質(zhì)態(tài)可分為兩種類型 1) 施主施主雜質(zhì)提供帶有電子的能級(jí)雜質(zhì)提供帶有電子的能級(jí) 能級(jí)略低導(dǎo)帶底能量能級(jí)略低導(dǎo)帶底能量 很容易激發(fā)到導(dǎo)帶中很容易激發(fā)到導(dǎo)帶中 電子載流子電子載流子 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論2) 受主受主雜質(zhì)提供帶隙中空的能級(jí)雜質(zhì)提供帶隙中空的能級(jí) 價(jià)帶中電子容易激發(fā)價(jià)帶中電子容易激發(fā) 主要含有受主雜質(zhì)的主要含有受主雜質(zhì)的 半導(dǎo)體，價(jià)帶一些電半導(dǎo)體，價(jià)帶一些電 子被激發(fā)到施主能級(jí)子被激發(fā)到施主能級(jí) 價(jià)帶中產(chǎn)生許多空

5、穴價(jià)帶中產(chǎn)生許多空穴 空穴載流子空穴載流子 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論2 類氫雜質(zhì)能級(jí)類氫雜質(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)單的一類雜質(zhì)能級(jí)簡(jiǎn)單的一類雜質(zhì)能級(jí) 類氫雜質(zhì)能級(jí)類氫雜質(zhì)能級(jí)N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在在IIIV族化合物中摻入族化合物中摻入VI族元素取代族元素取代V族元素族元素 特點(diǎn)半導(dǎo)體材料中有多余的電子特點(diǎn)半導(dǎo)體材料中有多余的電子 在在IV族族(Si，Ge)化合物中摻入化合物中摻入V族元素族元素(P，As，Sb)07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論P(yáng) 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在在I

6、V族族(Si，Ge)化合物中摻入化合物中摻入III族元素族元素(Al，Ga，In) 在在IIIV族化合物中摻入族化合物中摻入II族元素取代族元素取代III族元素族元素 特點(diǎn)半導(dǎo)體材料中形成空穴特點(diǎn)半導(dǎo)體材料中形成空穴類氫雜質(zhì)能級(jí)類氫雜質(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)類似于氫原子中的電子電子或空穴的運(yùn)動(dòng)類似于氫原子中的電子07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論 類氫雜質(zhì)能級(jí)討論和分析類氫雜質(zhì)能級(jí)討論和分析 氫原子中的電子運(yùn)動(dòng)氫原子中的電子運(yùn)動(dòng)2220( )( )24qrErmr 222041)2()4(nmqEneVmqEi6 .13)2(

7、)4(22040/( )r airCe電子的波動(dòng)方程電子的波動(dòng)方程能量本征值能量本征值基態(tài)能量基態(tài)能量基態(tài)波函數(shù)基態(tài)波函數(shù)C 歸一化常數(shù)歸一化常數(shù)10/1907_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論 類氫施主雜質(zhì)中電子的波函數(shù)類氫施主雜質(zhì)中電子的波函數(shù) )()()(0rurFrd 導(dǎo)帶底的布洛赫函數(shù)導(dǎo)帶底的布洛赫函數(shù))(0ru導(dǎo)帶極值導(dǎo)帶極值 點(diǎn)的波函數(shù)點(diǎn)的波函數(shù)2220( )( )2*4drqF rE F rmr )(rF滿足方程滿足方程 電子的有效質(zhì)量，電子的有效質(zhì)量， r是半導(dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù)是半導(dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù)*m07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論2220( )( )24qrEr

8、mr 比較氫原子中電子方程比較氫原子中電子方程22*replacereplacermmqq 2220( )( )2*4drqF rE F rmr 07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論施主的電離能施主的電離能2*1iHirEmEm*1rmm22*110rmm42220*(4)(2)irm qE 4220(4) (2)HimqE 氫原子電子基態(tài)能量氫原子電子基態(tài)能量22*rmmqq施主態(tài)與氫原子中施主態(tài)與氫原子中電子的電離能之比電子的電離能之比 施主態(tài)的電離能較小施主態(tài)的電離能較小半導(dǎo)體半導(dǎo)體07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論電子電離電子電離 電子擺脫施主束縛能在導(dǎo)帶中運(yùn)動(dòng)電子擺脫施主束

9、縛能在導(dǎo)帶中運(yùn)動(dòng)42220*(4)(2)irm qE 施主的能量在導(dǎo)帶底施主的能量在導(dǎo)帶底E下面下面 激發(fā)到導(dǎo)帶中激發(fā)到導(dǎo)帶中帶隙中的電子獲得能量帶隙中的電子獲得能量07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論電子的基態(tài)波函數(shù)電子的基態(tài)波函數(shù)/( )r aF rCe200240.052*raanmm q 2220( )( )24qrErmr 0/( )r airCe22004/amq氫原子中電子氫原子中電子的薛定諤方程的薛定諤方程電子的基態(tài)波函數(shù)電子的基態(tài)波函數(shù)施主雜質(zhì)電子施主雜質(zhì)電子的薛定諤方程的薛定諤方程2220( )( )2*4drqF rE F rmr 15/1907_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì)

10、 半導(dǎo)體電子論對(duì)于摻入少一個(gè)電子的原子構(gòu)成受主的情況是類似的對(duì)于摻入少一個(gè)電子的原子構(gòu)成受主的情況是類似的iE 滿帶中的空穴可以被雜質(zhì)的負(fù)離子所束縛滿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)一個(gè)束縛空穴的受主能級(jí)位于滿帶位于滿帶E上面上面 滿帶中的一個(gè)電滿帶中的一個(gè)電 子需要吸收能量子需要吸收能量 躍遷到受主能級(jí)躍遷到受主能級(jí) 留下一自由空穴留下一自由空穴07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論 以上形成的施主或受主，稱為類氫雜質(zhì)能級(jí)以上形成的施主或受主，稱為類氫雜質(zhì)能級(jí)特點(diǎn)特點(diǎn) 束縛能很小，對(duì)于產(chǎn)生電子和空穴特別有效束縛能很小，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

11、導(dǎo)帶或價(jià)帶施主或受主能級(jí)非常接近導(dǎo)帶或價(jià)帶 淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)3 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)摻雜在帶隙中引入較深的能級(jí)摻雜在帶隙中引入較深的能級(jí) 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì) 摻摻Au的的Si半導(dǎo)體半導(dǎo)體 受主能級(jí)：導(dǎo)帶下受主能級(jí)：導(dǎo)帶下0.54 eV 施主能級(jí)：價(jià)帶上施主能級(jí)：價(jià)帶上0.35 eV07_02_半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 半導(dǎo)體電子論 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)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)深能級(jí)雜質(zhì)為多重能級(jí) Si中摻雜的中摻雜的Au為兩重能級(jí)為兩重能級(jí)兩個(gè)能級(jí)均無電子填充兩個(gè)能級(jí)均無電子填充 Au原子帶正電原子帶正電2) 受主能級(jí)填充一個(gè)電子受主能級(jí)填充一個(gè)電子 施主能級(jí)無電子填充時(shí)施主能級(jí)無電子填充時(shí) Au原子為中性狀態(tài)原子為中性狀態(tài)3) 受主和施主都有電子填充受主和施主都有電子填充 Au原子帶負(fù)電原子帶負(fù)電 反映了雜質(zhì)帶電的情況反