半導(dǎo)體物理-本科-第2-3章

1、半導(dǎo)體物理2014年2第一章第一章 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的成分與的成分與結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體材料：半導(dǎo)體材料：半導(dǎo)體材料是一種導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的一種材料。但是，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料不一定是半導(dǎo)體材料。 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料：絕對0度時(shí)導(dǎo)帶全空、價(jià)帶全滿，且禁帶寬度大于0小于5eV左右的固體材料（以前3eV）。半導(dǎo)體材料第一節(jié) 半導(dǎo)體材料的分類 按成分分類。 按結(jié)構(gòu)分類。 按功能分類。半導(dǎo)體按成分分類半導(dǎo)體材料-按結(jié)構(gòu)分類半導(dǎo)體材料-按功能分類分類名稱功能電子材料用于制造各種分立電子器件及集成電路的材料。光電子材料 用于制造光傳導(dǎo)、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、存儲等功能的材料。發(fā)光材料用于

2、制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的材料。敏感半導(dǎo)體用于制造氣敏、磁敏、力敏、色敏、熱敏、光敏、高能輻探探測射器件的材料。第二節(jié) 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 空間點(diǎn)陣 基元 基矢 結(jié)點(diǎn) 晶體結(jié)構(gòu) 原胞 維格納-賽茨單胞 布喇菲格子 復(fù)式格子空間點(diǎn)陣 7大晶系。 14種布拉菲格子。 半導(dǎo)體材料：立方六角晶體的對稱性 平移對稱性。 轉(zhuǎn)動對稱性。 鏡面對稱性。 反演對稱性。 晶體的許多性質(zhì)在很大程度上取決于晶體的對稱性。晶體中原子的結(jié)合狀態(tài)晶體中原子的結(jié)合狀態(tài) 原子間電荷轉(zhuǎn)移量為： 這里 分別為原子c1和原子c2的電負(fù)性。221)(18. 01cceq晶體中的鍵合形式軌道雜化 原子在結(jié)合成晶體時(shí)為降低總能量導(dǎo)致不同的電子軌道

3、相互混雜的一種現(xiàn)象。 在金剛石，碳原子通過s電子與p電子的軌道雜化，形成(1s)2(2s)2(2p)2(1s) 2(2s) 1(2p)3轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致四個(gè)價(jià)電子等價(jià)，即sp3雜化。 在石墨中，一個(gè)s電子與兩個(gè)p電子發(fā)生sp2雜化，平面內(nèi)的三個(gè)價(jià)電子等同，另一個(gè)s電子可以自由移動，因此面之間連接較弱，僅靠范德瓦爾斯力維持。同時(shí)，由于存在一個(gè)可以自由電子，電導(dǎo)率較高。其他晶體結(jié)構(gòu)術(shù)語 晶面。 晶向。 晶面間距。 倒格矢。 費(fèi)米面。 衍射斑點(diǎn)。 晶格振動。金剛石金剛石結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 鍺與硅的外圍電子與C的相同，一般以金剛石結(jié)構(gòu)存在（即sp3雜化）。金剛石結(jié)構(gòu)實(shí)際上是兩套面心立方結(jié)構(gòu)套構(gòu)的復(fù)式格子。位于頂角及面

4、心的格點(diǎn)為一套面心立方格子，而位于對角線距頂角1/4對角線處的四個(gè)原子為另一一套面心立方格子。兩套格子沿對角線移動1/4對角線長度。因此，一個(gè)格點(diǎn)或基元分別包含兩個(gè)硅原子或鍺原子。金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu) 與金剛石結(jié)構(gòu)相似，閃鋅礦結(jié)構(gòu)也是一種由面心立方構(gòu)成的復(fù)式格子，但兩套格子中的原子不同。 例如ZnS中，一套各種為Zn原子，另一套為S原子。 陰離子位于立方面心格子的格點(diǎn)位置，而陽離子分布于立方體內(nèi)陰離子構(gòu)成的正四面體的中心。原子排列方式 從密集堆積面（111）看，閃鋅礦的原子排列方式為：AaBbCc。 其中大寫字母表示陰離子，小寫字母表示處于陰離子構(gòu)成的正四面體中心的陽離子。特點(diǎn) 軌道雜化：軌道

5、具有明確的方向性，因此硬度高、脆性大。 金剛石結(jié)構(gòu)中原之之間為共價(jià)鍵，沒有電荷轉(zhuǎn)移。 閃鋅礦結(jié)構(gòu)中，既有軌道雜化，又有原子間的電荷轉(zhuǎn)移，原子間的鍵為離子鍵與共價(jià)鍵組成的混合鍵。電子云的分布不對稱分布，偏向陰離子。 閃鋅礦結(jié)構(gòu)中離子鍵成分與共價(jià)鍵成分的比值在很大程度上決定了化合物的半導(dǎo)體性質(zhì)。 一般來說，離子鍵成分大，則化合物的禁帶寬度寬，半導(dǎo)體特性不明顯；相反若化合物的離子鍵成分越小，則相應(yīng)的禁帶寬度窄，半導(dǎo)體特性明顯。常見金剛石和閃鋅礦結(jié)構(gòu) 金剛石結(jié)構(gòu)：金剛石，Si，Ge。 閃鋅礦結(jié)構(gòu)：ZnS，GaAs， InP， GaSb， InAs， AlAs， AlSb， SiC， CdS， AgI，

6、BN，CuBr，CuF和HgTe等。纖鋅礦纖鋅礦結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 纖鋅礦型結(jié)構(gòu)為六方晶系。 陽離子和陰離子的配位數(shù)都是4。 陰離子按六方緊密堆積排列，陽離子填充于1/2的由陰離子構(gòu)成的四面體空隙中。 從密集堆積面（0001）看，纖鋅礦的原子排列方式為：AaBbAa。第二章第二章 晶體晶體中電子的中電子的能帶能帶 泡里不相容原理：一個(gè)狀態(tài)只能容納一個(gè)電子。 根據(jù)泡里不相容原理，雙電子系統(tǒng)中電子的基態(tài)能量與一個(gè)電子單獨(dú)存在時(shí)的狀態(tài)不能相同，因此能量要么增加，要么下降，導(dǎo)致能級分裂。能帶的形成 于此類推，系統(tǒng)內(nèi)的電子數(shù)目越多，則能級分裂也越多。 當(dāng)原子按一定的規(guī)則組成固體時(shí)，原子的外層電子成為固體中的價(jià)電子

7、。由于固體中價(jià)電子數(shù)目巨大，因此最外層的價(jià)電子能級往往分裂成許多間隔很小的能級，一般情況下可近似為一個(gè)連續(xù)分布的能帶。固體中外層電子的能帶禁帶寬度晶體中電子的波函數(shù) 自由電子：eikx。 晶體場：U(x) 。 晶體中的電子：U(x)(eikx)。|eikxU(x)|U(x)Re(eikx)X晶體中電子的能帶：E-K圖晶體自由電子簡約能帶圖和完全能帶圖簡約能帶簡約能帶圖圖直接能帶 導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值在同一波矢位置。間接能帶 導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值的波矢值不同。能帶研究現(xiàn)狀 可以通過實(shí)驗(yàn)測量。 可以通過量子力學(xué)計(jì)算。外場下晶體中電子的運(yùn)動 隨機(jī)運(yùn)動：熱運(yùn)動。 定向運(yùn)動：外場下的加速運(yùn)動。 與其

8、他原子、離子、電子等的碰撞。晶體中電子的有效質(zhì)量 由于晶格的存在，無法根據(jù)牛頓力學(xué)預(yù)測單個(gè)電子的運(yùn)動情況，牛頓力學(xué)對單個(gè)電子不再適用。 但是，所有電子整體上服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，例如一個(gè)電脈沖經(jīng)過多少時(shí)間從一個(gè)電極運(yùn)動到另一個(gè)電極。 如何解決？ 答案：引進(jìn)有效質(zhì)量的概念。晶體中電子的動量和能量 根據(jù)量子力學(xué)，自由電子的動量和能量分別為 那么，晶體中電子的質(zhì)量與自由電子的是否相同呢。mkmpEkp22222晶體中電子的速度 對于單個(gè)電子，無法預(yù)測，無從計(jì)算。 但是，可以根據(jù)E-k能帶圖獲得電子的速度。EkEmkvmkkEmkEkmvpk11 2*2*22，電子的加速度 按牛頓力學(xué)中的定義，加速度等于速度

9、對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即 我們要想法把對時(shí)間的微分改寫成對波矢的微分，以便利用E-k能帶圖。dtVdaEdtkdEkdddtkddtkdkdVdakkk1加速度張量 可見，在晶體中，電子的加速度a為一張量。 所以，dtkdtpFjjijikkFkkEaFEa221 ,)(1即 在經(jīng)典力學(xué)中，對于電子， 在晶體中， 比較可得mFajjijjjijiFbFkkEa221jjijiFma*1晶體中電子的有效質(zhì)量 定義 對各向同性的晶體，電子的有效質(zhì)量為jikkEmij22*1222*22*3311m , 0kEmmmij 晶體中電子的速度、加速度、有效質(zhì)量都可以從E-k能帶圖得出。 能帶圖是半導(dǎo)體材料的重要

10、特性。 在能帶底附近電子的有效質(zhì)量為正值，在能帶頂附近，電子的有效質(zhì)量為負(fù)值，而在某些點(diǎn)電子的有效質(zhì)量為無窮大。 有效質(zhì)量并不是電子的靜止質(zhì)量或慣性質(zhì)量，它只是為了討論方便引入的一個(gè)量。有了它，晶體中的電子在外力作用下的運(yùn)動可以按經(jīng)典力學(xué)的方式來處理，而不必考慮晶格的影響。 按理說，電子在晶體中要經(jīng)受各種各樣的散射，因此外場下電子的運(yùn)動速度相比應(yīng)該比自由電子的慢，即有效質(zhì)量應(yīng)該比自由電子的質(zhì)量的大。 實(shí)際上，晶體中勢場是有周期性的，而且晶體中的電子是全同的。對于晶體中的電子，不同位置的電子在外場的作用下依次移動到下一格點(diǎn)的位置，即移動一個(gè)晶格的距離，就等價(jià)于一個(gè)自由電子從晶體的一邊跑到另一邊。

11、 因此晶體中電子的速度有可能反而比自由電子的快，即有效質(zhì)量反而小。 有效質(zhì)量反應(yīng)了電子的整體運(yùn)動。實(shí)例 鍺：在導(dǎo)帶底附近電子的有效質(zhì)量的兩個(gè)分量分別為1.59m，0.082m。 硅：在導(dǎo)帶底附近的有效質(zhì)量分別為0.92m，0.19m。 銻化銦中電子的有效質(zhì)量為0.015。 砷化鎵中的為0.07m等。 以上m為自由電子的靜止質(zhì)量。有效質(zhì)量的測量有效質(zhì)量的測量 利用帶電粒子在電磁場中的迴旋運(yùn)動可以測量電子和空穴的有效質(zhì)量。 對于一個(gè)速度為v，電荷為q的帶電粒子，當(dāng)它處于強(qiáng)度為B的磁場中時(shí)，帶電粒子受到的磁場力(洛倫茲力) 速度方向與運(yùn)動方向垂直，因此帶電粒子將在磁場中作迴旋運(yùn)動，磁場力方向指向圓心

12、。BvqF離心力 對于作圓周運(yùn)動的粒子，它還受到離心力 平衡時(shí)，洛倫茲力與離心力相同，即 即：Rm2*RmqvB2*qBm *共振吸收 利用磁場中晶體對電磁波能量的吸收可以測量出電子的有效質(zhì)量，即當(dāng)電磁波的頻率等于電子的迴旋頻率時(shí)將產(chǎn)生共振吸收，此時(shí)吸收有極大值。 實(shí)驗(yàn)上一般采用固定頻率的電磁波，通過改變磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)共振頻率，同時(shí)測量晶體對電磁波的吸收情況。 當(dāng)發(fā)生共振吸收時(shí)即可從對應(yīng)當(dāng)磁場強(qiáng)度求出有效質(zhì)量。 當(dāng)然也可以固定磁場強(qiáng)度，調(diào)節(jié)電磁波的頻率，根據(jù)發(fā)生共振吸收時(shí)的頻率求出有效質(zhì)量。硅材料的回旋共振信號3.1 能帶填充與導(dǎo)電 晶體中電子的能量E(k)是波矢的偶函數(shù)，即E(k)=E(-k)

13、。 速度正比于能量對波矢的導(dǎo)數(shù)，所以V(k)=-V(-k)是波矢的奇函數(shù)。空帶情況 此時(shí)能帶上沒有電子，該能帶對電流沒有貢獻(xiàn)。滿帶情況 對一個(gè)完全充滿的能帶，只要有一個(gè)能量為E(k)、波矢為k的電子，總可以找到一個(gè)與其對稱的能量為E(k)但波矢為-k的電子。 由于它們的能量相同，質(zhì)量相同，但速度正好相反，因此這一電子對產(chǎn)生的電流為0。 在外場的作用下，電子的波矢發(fā)生變化，但是由于晶體的周期性，能帶中電子的總狀態(tài)并沒有變化。部分填充能帶 在外場的作用下，電子的波矢發(fā)生變化，能帶中電子的總狀態(tài)發(fā)生變化，對電流有貢獻(xiàn)。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體 導(dǎo)體材料：存在沒有被完全充滿的能帶。 絕

14、緣體：絕對0度時(shí)所有能帶肯定要不是充滿的，要不是全空的。但是全滿的價(jià)帶和全空的導(dǎo)帶之間的帶隙較大。 半導(dǎo)體：在絕對0度時(shí)其能帶也是全滿或全空，但是帶隙較小。在一定的溫度下，全滿價(jià)帶中有部分電子通過熱運(yùn)動獲得能量后進(jìn)入全空的導(dǎo)帶，使得價(jià)帶出現(xiàn)部分空著的狀態(tài)，導(dǎo)帶出現(xiàn)部分填充的狀態(tài)，因而具有一定的導(dǎo)電能力。半導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別 半導(dǎo)體與絕緣體在能帶結(jié)構(gòu)上是相同的，差別在于滿帶與空帶之間距離（即帶隙）的大小 若帶隙大，電子不能從滿帶躍遷到空帶，則為絕緣體，反之如帶隙較小，有部分電子能夠從滿帶躍遷到空帶，則為半導(dǎo)體。 由于電子躍遷能力與溫度有關(guān)，因此絕緣體與半導(dǎo)體之間的劃分并非是絕對的。例如在討論常溫

15、半導(dǎo)體電子器件時(shí)，金剛石可以認(rèn)為是絕緣體（帶隙5.0eV），但在設(shè)計(jì)高溫電子器件時(shí)，金剛石則可以作為寬帶隙高溫半導(dǎo)體器件材料。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體示意圖束縛電子 必須注意，束縛在原子上的電子只能圍繞該原子運(yùn)動，不能在宏觀尺度上移動，因此對導(dǎo)電能力沒有貢獻(xiàn)。半導(dǎo)體材料中的空穴 一般情況下價(jià)帶基本上是滿的，只有少量的電子因熱運(yùn)動躍遷到導(dǎo)帶上。 躍遷后留下的空狀態(tài)處于價(jià)帶的頂部附近。 尤其研究價(jià)帶中的所有電子的狀態(tài)，還不如是研究價(jià)帶中頂部空著的狀態(tài)?？昭?空穴的物理意義是價(jià)帶頂部附近的電子激發(fā)到導(dǎo)帶后留下的價(jià)帶空狀態(tài)。 它是為討論的方便而假設(shè)的粒子，利用空穴的概念，在討論價(jià)帶中的電子時(shí)，我們只要研究

16、最上面那些空著的能級就可以了。 例如某種半導(dǎo)體材料價(jià)帶中共有1023 cm-3量級的電子，但在某個(gè)溫度下只有1個(gè)電子被激發(fā)，如果用電子的觀點(diǎn)考慮，則須考慮1023cm-3-1個(gè)電子，但從空穴考慮，我們只要研究一個(gè)空穴就行了。 不過一定要注意，電子是一種實(shí)際存在的物質(zhì)粒子，而空穴是假設(shè)的一種粒子，它的引入只是為了討論問題的方便?？昭ㄅc價(jià)帶電子的比較-電荷 價(jià)帶中原先充滿電子，缺少一個(gè)電子后，相當(dāng)于缺少了-e個(gè)電荷，即增加了+e的電荷。因此空穴帶的電荷的量應(yīng)該為+e。 因此，空穴所帶的電荷量與電子的相同，但符號相反?？昭ㄅc電子性質(zhì)的比較-速度 假定價(jià)帶中只有一個(gè)電子被電離或激發(fā)時(shí)的情況，且位于k=

17、0，E=0。失去該電子后價(jià)帶在k=0處形成一個(gè)空狀態(tài)。 假定在外場的作用下，價(jià)帶所有電子都沿著k增加大方向同步移動，則空狀態(tài)一起移動。 本來空狀態(tài)位于價(jià)帶頂，移動后移到了波矢較正的位置。 缺少了一個(gè)波矢較正的電子，相當(dāng)于整個(gè)價(jià)帶電子的總波矢減小了，即空穴的波矢（速度）相對價(jià)帶電子是負(fù)的。空穴與電子性質(zhì)的比較-能量 假定價(jià)帶中只有一個(gè)電子被電離或激發(fā)時(shí)的情況，且位于k=0，E=0。失去該電子后價(jià)帶在k=0處形成一個(gè)空狀態(tài)。 假定在外場的作用下，價(jià)帶所有電子都沿著k增加大方向同步移動，則空狀態(tài)一起移動。 本來空狀態(tài)位于價(jià)帶頂，移動后移到了能量較負(fù)的位置。 缺少了一個(gè)能量較負(fù)的電子，相當(dāng)于整個(gè)價(jià)帶電

18、子的總波矢增加了，即空穴的能量相對價(jià)帶電子是正的。3) E=-(-2)=2 k=-(+2)=-21) E=0,k=02) E=-(-1)=1 k=-(+1)=-1空穴與電子 根據(jù)上面的討論，空穴的有效質(zhì)量為正。加速度方向與導(dǎo)帶電子的相反，電荷相反。導(dǎo)帶電子價(jià)帶空穴半導(dǎo)體導(dǎo)電與金屬導(dǎo)電的異同 半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電機(jī)制，一種是導(dǎo)帶電子導(dǎo)電，另一種是價(jià)帶空穴（即空狀態(tài)）導(dǎo)電，以上兩者通稱為半導(dǎo)體的載流子 而在金屬中，只有一種粒子2傳導(dǎo)電子導(dǎo)電。 因此，半導(dǎo)體的許多電學(xué)性質(zhì)將與導(dǎo)體材料有很大的不同。3.12 半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)和缺陷能級 在實(shí)際的晶體中，不管制造工藝多么先進(jìn)，

19、總是或多或少地存在一些雜質(zhì)或缺陷。Q：為什么？ 晶體內(nèi)的周期勢在這些地方發(fā)生畸變，產(chǎn)生附加勢場。根據(jù)附加勢場的性質(zhì)，可以吸引電子或空穴在其周圍，從而形成局域能級，稱為局域態(tài)(localized stated)。 相反，對于導(dǎo)帶和價(jià)帶電子，電子不圍繞一個(gè)特定的原子核運(yùn)動，而是屬于整個(gè)晶體。這樣的電子態(tài)稱為擴(kuò)展態(tài)非局域化態(tài)(extended states or delocolized)本征半導(dǎo)體與非本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體：沒有雜質(zhì)缺陷的半導(dǎo)體材料。 非本征半導(dǎo)體：存在雜質(zhì)缺陷的半導(dǎo)體材料。 雜質(zhì)與缺陷對半導(dǎo)體材料的性能有很大的影響，它們在很大程度上決定了半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)。 不經(jīng)摻雜的半導(dǎo)體材料

20、用途范圍很小，僅僅用在探測器等有限的領(lǐng)域，而絕大部分用于電子器件的半導(dǎo)體材料幾乎都是摻雜半導(dǎo)體。3.12.1 元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)(dopant) 如果元素半導(dǎo)體中加入了一個(gè)外層比基體材料價(jià)電子數(shù)多一個(gè)電子的雜質(zhì)，則該原子與鄰近的原子成鍵結(jié)合后，還多出一個(gè)電子。 這個(gè)電子與雜質(zhì)原子的結(jié)合較弱，容易激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶。 這種能向?qū)峁╇娮拥碾s質(zhì)原子稱為施主，相應(yīng)的能級為施主能級。3.12.1 元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 如果元素半導(dǎo)體中加入了一個(gè)外層比基體材料價(jià)電子數(shù)少一個(gè)電子的雜質(zhì)，則該原子與鄰近的原子成鍵結(jié)合后，還缺少一

21、個(gè)電子。 這個(gè)雜質(zhì)傾向于可以俘獲價(jià)帶的電子，或者說價(jià)帶電子容易激發(fā)進(jìn)入該雜質(zhì)的空狀態(tài)，導(dǎo)致價(jià)帶產(chǎn)生空穴。 這種能向價(jià)帶索取電子的雜質(zhì)原子稱為受主，相應(yīng)的能級為受主能級。雜質(zhì)能級與電離能 雜質(zhì)能級：由于雜質(zhì)破壞了晶體的周期性，因此可能在半導(dǎo)體材料的禁帶中引入能級。 電離能：施主能級離與導(dǎo)帶底的距離，或受主能級與價(jià)帶頂?shù)木嚯x。 雜質(zhì)能級是局域在雜質(zhì)原子上的能級，它不形成能帶，所以在能帶圖中一般用虛線表示。3.14 施主、受主的類氫原子模型施主、受主的類氫原子模型 施主及圍繞它運(yùn)動的電子類似于氫原子，即一個(gè)帶負(fù)電的電子繞一個(gè)正電荷運(yùn)動。 不同點(diǎn)：1，在晶體中，介電常數(shù)不為1；2，在晶體中，由于晶格場

22、的作用，電子的質(zhì)量要由有效質(zhì)量代替。 對于氫原子，基態(tài)能量和第一波爾半徑分別為：nmmeaeVhmeE053. 0 ,6 .1382002204施主的電離能和第一波爾半徑 對施主上的電子，我們進(jìn)行以下修正。用電子的有效質(zhì)量mn*代替m，引入硅的相對介電常數(shù)。考慮以上兩個(gè)因數(shù)后，施主的電離能和第一波爾半徑分別為0*2*22204* ,6 .1318ammaeVmmhemEnrnrnrn受主的電離能和第一波爾半徑 對受主上的空穴，我們進(jìn)行以下修正。用空穴的有效質(zhì)量mp*代替m，引入相對介電常數(shù)?？紤]以上兩個(gè)因數(shù)后，受主的電離能和第一波爾半徑分別為0*2*22204* ,6 .1318ammaeVm

23、mhemEnrprprp硅中雜質(zhì)的電離能（eV） 硅和鍺的介電常數(shù)分別為14，導(dǎo)帶電子的有效質(zhì)量為0.4m?？梢缘玫綄柚械氖┲?，其能級離開導(dǎo)帶的距離分別為0.04eV，與實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果十分符合。雜質(zhì)PAsSbBAlGaIn電離能 0.0450.0490.0390.0450.0570.0650.16）3.14.1 深能級深能級 半導(dǎo)體材料中某些雜質(zhì)上的電子能級在禁帶中的位置離開價(jià)帶頂或?qū)У拙嚯x都較遠(yuǎn)，這樣的雜質(zhì)或缺陷能級稱為深能級。 深能級對半導(dǎo)體中非平衡載流子的復(fù)合起著重要的作用，將在介紹非平衡載流子時(shí)詳細(xì)論述。3.14.2 激子激子 導(dǎo)帶電子帶負(fù)電，而價(jià)帶空穴帶正電，兩種之間存在庫倫力。

24、電子和空穴通過庫侖力結(jié)合在一起，形成電子-空穴對，這樣的結(jié)合稱為激子。 激子能級也位于禁帶中。*222204 6 .1318pnpnrrmmmmeVmheE，其中雜質(zhì)對半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能的影響 施主和受主的能級非常接近導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂。室溫下就有大量的電子從施主能級進(jìn)入導(dǎo)帶，或有大量的電子從價(jià)帶進(jìn)入受主能級。 由于純凈的半導(dǎo)體中靠熱激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶的電子數(shù)目很少，所以少量雜質(zhì)的加入即可大大改變導(dǎo)帶中的電子數(shù)量或價(jià)帶的空穴數(shù)量。 與施主和受主一樣，深能級的存在對半導(dǎo)體材料的性能及光電器件的性能有很大的影響。 因此控制雜質(zhì)的加入量即可控制半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。3.13 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體中的中的雜

25、質(zhì)能級雜質(zhì)能級 在上面對元素半導(dǎo)體施主、受主的討論中，我們發(fā)現(xiàn)比母體原子價(jià)電子數(shù)多的原子可能為施主，比母體原子價(jià)電子數(shù)少的原子可能為受主，這在化合物半導(dǎo)體也適用。 不過IV族原子在III-V族半導(dǎo)體中的行為比較復(fù)雜，它既可取代其中的III族原子稱為施主，也可取代V族原子成為受主，具體與IV族原子的相對濃度及生長、處理歷史等外部條件有關(guān)。 例如當(dāng)濃度小于1018cm-3次方時(shí)，硅在砷化鎵中主要取代鎵成為施主，而當(dāng)濃度大于1018cm-3時(shí)，硅取代砷成為受主。因此硅在砷化鎵中為兩性雜質(zhì)?；衔锇雽?dǎo)體中的點(diǎn)缺陷 道爾頓定律說明任何化合物的組成原子數(shù)之比是簡單整數(shù)比。 A格子空位VA,這里V表示空位（vacancy）。 B格子空位VB。 A