半導體物理學-第1章

1、雷天民雷天民西西-206-半導體物理半導體物理Semiconductor Physics22022-6-27Prof.LEI第一章第一章 半導體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)半導體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu) 半導體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì) 半導體的電子狀態(tài)和能帶半導體的電子狀態(tài)和能帶 半導體中電子的運動半導體中電子的運動 有效質(zhì)量有效質(zhì)量 半導體的雜質(zhì)和缺陷半導體的雜質(zhì)和缺陷 常見半導體的能帶結(jié)構(gòu)常見半導體的能帶結(jié)構(gòu) 半導體能帶工程簡介半導體能帶工程簡介32022-6-27Prof.LEI1.1 1.1 半導體中的半導體中的常見半導體的晶體結(jié)構(gòu)和成鍵常見半導體的晶體結(jié)構(gòu)和成鍵 1)1)金

2、剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu) 2)2)閃鋅礦結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu) 3)3)纖鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)雜化軌道理論簡介雜化軌道理論簡介本節(jié)要點本節(jié)要點：42022-6-27Prof.LEI1.1 1.1 半導體中的半導體中的1 1、金剛石結(jié)構(gòu)和共價鍵、金剛石結(jié)構(gòu)和共價鍵 重要的半導體材料重要的半導體材料SiSi、GeGe都屬于金剛石結(jié)構(gòu)。都屬于金剛石結(jié)構(gòu)。特點：特點：每個原子周圍每個原子周圍都有四個最近鄰的原都有四個最近鄰的原子，與它形成四個共子，與它形成四個共價鍵價鍵，組成一個如圖，組成一個如圖所示的正四面體結(jié)構(gòu)所示的正四面體結(jié)構(gòu)，其，其配位數(shù)為配位數(shù)為4 4。一、常見半導體的晶體結(jié)構(gòu)和成鍵一、常見半導體的晶體結(jié)構(gòu)

3、和成鍵52022-6-27Prof.LEI1.1 1.1 半導體中的半導體中的 金剛石結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學原胞，是金剛石結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學原胞，是由兩個相同原子的面由兩個相同原子的面心立方晶胞沿立方體的空間對角線滑移了心立方晶胞沿立方體的空間對角線滑移了1/41/4空間對角空間對角線長度套構(gòu)成的線長度套構(gòu)成的。其固體物理學原胞和面心立方晶格的。其固體物理學原胞和面心立方晶格的取法相同，但前者含兩個原子，后者只含一個原子。取法相同，但前者含兩個原子，后者只含一個原子。 原子間通過共價鍵結(jié)合：原子間通過共價鍵結(jié)合：飽和性飽和性、方向性方向性 62022-6-27Prof.LEI 2 2、閃鋅礦結(jié)構(gòu)和混合鍵、閃鋅

4、礦結(jié)構(gòu)和混合鍵 III-V族化合物半導體絕大多數(shù)具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)族化合物半導體絕大多數(shù)具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。 閃鋅礦結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)由兩類原子由兩類原子各自組成的面心立方晶胞各自組成的面心立方晶胞沿立方體的空間對角線滑移了沿立方體的空間對角線滑移了1/41/4空間對角線長度套空間對角線長度套構(gòu)成的。構(gòu)成的。每個原子被四個異族原子包圍每個原子被四個異族原子包圍。 原子鍵合：原子鍵合：共價鍵共價鍵 + + 離子鍵離子鍵，共價鍵合占優(yōu)。，共價鍵合占優(yōu)。 雙原子層堆積1.1 1.1 半導體中的半導體中的72022-6-27Prof.LEI1.1 1.1 半導體中的半導體中的 3 3、纖鋅礦結(jié)構(gòu)、纖鋅礦結(jié)構(gòu) 纖鋅

5、礦結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)相接近，它也是以正四纖鋅礦結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)相接近，它也是以正四面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成的，但它具有面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成的，但它具有六方對稱性六方對稱性。 它是由兩類原子各自組成的六方排列的雙原子層它是由兩類原子各自組成的六方排列的雙原子層堆積而成。原子鍵合為堆積而成。原子鍵合為混合鍵混合鍵，但但離子鍵合占優(yōu)離子鍵合占優(yōu)。82022-6-27Prof.LEI二、雜化軌道理論簡介二、雜化軌道理論簡介1.1 1.1 半導體中的半導體中的 雜化軌道理論雜化軌道理論（hybrid orbital theory）是）是1931年年由由Pauling 等人在價鍵理論基礎(chǔ)上提出，在成鍵能力、等人在價

6、鍵理論基礎(chǔ)上提出，在成鍵能力、分子的空間構(gòu)型等方面豐富和發(fā)展了價鍵理論。分子的空間構(gòu)型等方面豐富和發(fā)展了價鍵理論。 1 1、雜化軌道理論的要點：、雜化軌道理論的要點： 1 1）在成鍵過程中，因原子間的相互影響，）在成鍵過程中，因原子間的相互影響，同一原同一原子中幾個能量相近的不同類型的原子軌道（波函數(shù)）可子中幾個能量相近的不同類型的原子軌道（波函數(shù)）可以進行線性組合，重新分配能量和確定空間方向以進行線性組合，重新分配能量和確定空間方向，組成，組成數(shù)目相等的新的原子軌道。這種軌道重新組合的過程稱數(shù)目相等的新的原子軌道。這種軌道重新組合的過程稱為為雜化雜化（hybridization），雜化后形成

7、的新軌道稱為），雜化后形成的新軌道稱為雜化軌道雜化軌道（hybrid orbital）。）。92022-6-27Prof.LEI1.1 1.1 半導體中的半導體中的 2 2）雜化軌道的角度波函數(shù)在某個方向的值比雜化）雜化軌道的角度波函數(shù)在某個方向的值比雜化前的大得多，前的大得多，更有利于原子軌道間最大程度地重疊更有利于原子軌道間最大程度地重疊，因，因而雜化軌道比原來軌道的而雜化軌道比原來軌道的成鍵能力強成鍵能力強。 3 3）雜化軌道之間力圖在空間取最大夾角分布，使）雜化軌道之間力圖在空間取最大夾角分布，使相互間的排斥能最小，故相互間的排斥能最小，故形成的鍵較穩(wěn)定形成的鍵較穩(wěn)定。不同類型。不同類

8、型的雜化軌道之間的夾角不同，成鍵后所形成的分子就的雜化軌道之間的夾角不同，成鍵后所形成的分子就具有不同的空間構(gòu)型。具有不同的空間構(gòu)型。 2 2、軌道雜化類型及實例、軌道雜化類型及實例 按參加雜化的原子軌道種類，軌道雜化主要分為按參加雜化的原子軌道種類，軌道雜化主要分為sp和和spd兩種類型。兩種類型。 102022-6-27Prof.LEI1.1 1.1 半導體中的半導體中的 1 1）sp型雜化型雜化：能量相近的：能量相近的 ns 軌道和軌道和 np 軌道之軌道之間的雜化稱為間的雜化稱為 sp 型雜化型雜化。按參加雜化的。按參加雜化的 s 軌道、軌道、p軌道數(shù)目的不同，軌道數(shù)目的不同，sp 型

9、雜化又可分為型雜化又可分為sp、sp2 、sp3 三種雜化。三種雜化。 （1 1）sp雜化雜化 由由1 1個個s軌道和軌道和1 1個個p軌道組合成軌道組合成2 2個個sp雜化軌道的過程雜化軌道的過程稱為稱為sp雜化雜化，所形成的軌道稱為，所形成的軌道稱為sp雜化軌道。每個雜化軌道。每個sp雜化軌道均含有雜化軌道均含有1/21/2的的s軌道成分和軌道成分和1/21/2的的p軌道成分。為使相互間的排斥能最小，軌道成分。為使相互間的排斥能最小，軌道間的夾角為軌道間的夾角為180180 。當。當2 2個個spsp雜化軌道與其他原子軌道重疊成雜化軌道與其他原子軌道重疊成鍵后就鍵后就形成直線型分子形成直線

10、型分子。 112022-6-27Prof.LEI1.1 1.1 半導體中的半導體中的（2 2）sp2雜化雜化 由由1 1個個s軌道與軌道與2 2個個p軌道組合成軌道組合成3 3個個sp2 雜化軌道的過程雜化軌道的過程稱為稱為sp2 雜化雜化。每個。每個sp2 雜化軌道含有雜化軌道含有1/31/3的的s軌道成分和軌道成分和2/32/3的的p軌道軌道成分，為使軌道間的排斥能最小，成分，為使軌道間的排斥能最小，3 3個個sp2雜化軌道呈正三角形分雜化軌道呈正三角形分布，布，夾角為夾角為120120 。當。當3 3個個sp2雜化軌道分別與其他雜化軌道分別與其他3 3個相同原子的個相同原子的軌道重疊成鍵

11、后，就軌道重疊成鍵后，就形成正三角形構(gòu)型形成正三角形構(gòu)型的分子。的分子。 122022-6-27Prof.LEI（3 3）sp3雜化雜化 由由1 1個個s軌道和軌道和3 3個個p軌道組合成軌道組合成4 4個個sp3雜化軌雜化軌道的過程稱為道的過程稱為sp3 雜化雜化。每個每個sp3雜化軌道含有雜化軌道含有1/41/4的的s 軌道成分和軌道成分和3/43/4的的p軌道成分。為使軌道間的軌道成分。為使軌道間的排斥能最小，排斥能最小，4 4個頂角的個頂角的sp3雜化軌道間的夾角均雜化軌道間的夾角均為為109 28 。當它們分別。當它們分別與其他與其他4 4個相同原子的軌個相同原子的軌道重疊成鍵后，就

12、道重疊成鍵后，就形成正形成正四面體構(gòu)型的分子四面體構(gòu)型的分子。 1.1 1.1 半導體中的半導體中的132022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶一、原子的能級與晶體的能帶一、原子的能級與晶體的能帶1 1、孤立原子中的電子狀態(tài)、孤立原子中的電子狀態(tài); ,8220122204qmhrhnmqE玻爾理論玻爾理論：量子力學量子力學： 微觀粒子（如電子）的運動須用波微觀粒子（如電子）的運動須用波函數(shù)來描述，經(jīng)典意義上的軌道實質(zhì)上函數(shù)來描述，經(jīng)典意義上的軌道實質(zhì)上是電子出現(xiàn)幾率最大的地方。電子的狀是電子出現(xiàn)幾率最大的地方。電子的狀態(tài)可用四個量子數(shù)態(tài)

13、可用四個量子數(shù)n、 l、 ml、 ms表示。表示。 142022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶2 2、晶體中的能帶、晶體中的能帶 原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一個原子上，可以由一個原子轉(zhuǎn)移到再完全局限在某一個原子上，可以由一個原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，因而，電子將可以在整個晶體中運相鄰的原子上去，因而，電子將可以在整個晶體中運動，這種運動稱為動，這種運動稱為電子的共有化運動電子的共有化運動。 電子的共有化運動：電子的共有化運動：152022-6-27Prof.LEI

14、1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶能級分裂能級分裂：1）s 能級能級( (l =0)=0) 設(shè)設(shè)A A、B B兩個原子，孤立時，波函數(shù)為兩個原子，孤立時，波函數(shù)為A A和和B B，簡并度為簡并度為2 2（狀態(tài)（狀態(tài)/ /能級數(shù)）。能級數(shù)）。 當當A A、B B 兩原子相互靠近，電子波函數(shù)應(yīng)是兩原子相互靠近，電子波函數(shù)應(yīng)是A A和和A A 的線性疊加的線性疊加: :1 = A + B E12 = A - B E2 當當 N N 個原子間隔很遠時個原子間隔很遠時, ,為為NN度簡并。相互靠近度簡并。相互靠近組成晶體后，它們的能級便分裂成組成晶體后，它們的能級便分裂成

15、N N 個彼此靠得很個彼此靠得很近近( (準連續(xù)準連續(xù)) )的能級，簡并消失。這的能級，簡并消失。這NN個能級組成一個個能級組成一個能帶，稱為能帶，稱為允許帶允許帶。162022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶2）p 能級能級(l =1,m=0、 1) 一個一個p能級對應(yīng)三個狀態(tài)，能級對應(yīng)三個狀態(tài)，3 3度簡并。度簡并。N個原子組成個原子組成晶體后，晶體后，p能級可分裂成能級可分裂成3N個靠的很近的能級。個靠的很近的能級。3）d 能級能級(l =2,m=0、 1、 2) N個原子組成晶體，個原子組成晶體，d能級可能級可分裂成分裂成5N個

16、靠的很近的能級。個靠的很近的能級。172022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶Solid of N atomsTwo atomsSix atomsElectrons must occupy different energies due to Pauli Exclusion principle.182022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶二、二、能帶能帶：波粒二象性：波粒二象性：. ,khpmph xExxVdxxdm2222 周期性勢場近似周期性勢場近似: :電子在周期性勢場中運

17、動，其波電子在周期性勢場中運動，其波函數(shù)具有函數(shù)具有Bloch波形式。波形式。 kxikenaxux2)( 192022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶自由電子的能級自由電子的能級 xEdxxdm220220mhk0222)(mkhkE202022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶Kronig-Penney 模型模型212022-6-27Prof.LEIE(k)-k關(guān)系關(guān)系1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶222022-6-27Prof.LEI1.2

18、1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶E(k)-k關(guān)系關(guān)系232022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶：當當), 2, 1, 0( 2/nank 能量出現(xiàn)不連續(xù)，形成一系列能量出現(xiàn)不連續(xù)，形成一系列允帶允帶和和禁帶禁帶。禁。禁帶出現(xiàn)在布里淵區(qū)的邊界上（帶出現(xiàn)在布里淵區(qū)的邊界上（k = n / 2a）。）。對于無限晶體，對于無限晶體，E(k) k在允帶連續(xù)變化！在允帶連續(xù)變化！；第一布里淵區(qū)： 2121 aka.231 123 121 211 akaakaakaaka，第三布里淵區(qū)：；，第二布里淵區(qū)：)()();()(a

19、nkEkEkEkE242022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶)22 ;,( iiiiiiNnNzyxiLnk 對于有限的晶體，根據(jù)周期性邊界條件，波矢對于有限的晶體，根據(jù)周期性邊界條件，波矢 k 只能取只能取 N 個分立值：個分立值： 由于由于k值取分立值，所以布里淵區(qū)中的能級為準連值取分立值，所以布里淵區(qū)中的能級為準連續(xù)，每一支能帶中有續(xù)，每一支能帶中有N個能級，可容納個能級，可容納2N個電子。個電子。, )21,21,21(1: , )0 ,43,43(1: ),0 , 0 , 1 (1: , )0 , 0 , 0(1 :aLaK

20、aXa210 430 10 , ),(1: , )0 ,(1: ),0 , 0 ,(1 :aaa252022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶導體、導體、能帶能帶電子剛好填滿最后一個能帶電子剛好填滿最后一個能帶最后一個帶僅僅是部分被電子占有最后一個帶僅僅是部分被電子占有導體導體. .絕緣體和半導體絕緣體和半導體導帶導帶: :具有空的能級具有空的能級, ,可以起導電作用的能帶可以起導電作用的能帶. .價帶價帶: :已被價電子占滿的能帶稱為價帶。已被價電子占滿的能帶稱為價帶。本征激發(fā)本征激發(fā)：價帶電子激發(fā)成為導帶電子的過程。：價帶電子激發(fā)成為

21、導帶電子的過程。262022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶零勢場與周期勢場中的電子狀態(tài)零勢場與周期勢場中的電子狀態(tài)一、零勢場中自由電子的能量狀態(tài)一、零勢場中自由電子的能量狀態(tài) 自由電子的能量自由電子的能量 E E 和動量和動量 P P 與描述其波動性的平面波與描述其波動性的平面波頻率頻率 和波矢和波矢 k 之間的關(guān)系分別為之間的關(guān)系分別為 hE kporkhp0222mkE由于波矢由于波矢 k 可以連續(xù)變化，因而可以連續(xù)變化，因而 自由電子的能量可取從零到無限大的任意值自由電子的能量可取從零到無限大的任意值! ! 272022-6-2

22、7Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶二、周期勢場中電子的波函數(shù)、周期勢場中電子的波函數(shù) 以電子在一維周期勢場中的情況為例。一維周期勢場以電子在一維周期勢場中的情況為例。一維周期勢場可表示為可表示為)()(naxVxV一維周期勢場中電子所遵守的薛定諤方程為一維周期勢場中電子所遵守的薛定諤方程為)()()()(22202xExxVdxxdm根據(jù)布洛赫定理，布洛赫電子的波函數(shù)具有如下形式根據(jù)布洛赫定理，布洛赫電子的波函數(shù)具有如下形式ikxkkexux)()()()(anxuxukk282022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與

23、能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶圖1-10 一維周期勢場中電子的E(k)函數(shù)及其與自由電子E(k)函數(shù)（虛線）的比較 292022-6-27Prof.LEI說明：說明： 1 1）零勢場中，自由電子的能量）零勢場中，自由電子的能量 E 是波矢是波矢 k 的的單值函數(shù)單值函數(shù)，且可隨，且可隨 k 值值連續(xù)、單調(diào)連續(xù)、單調(diào)變化。變化。 1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶0222mkE302022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶 2 2）無限周期勢場無限周期勢場導致電子能量取值范圍發(fā)生變化，允許導致電子能量取值范圍發(fā)生

24、變化，允許取值的區(qū)域稱為取值的區(qū)域稱為允帶允帶，禁止取值的區(qū)域稱為，禁止取值的區(qū)域稱為禁帶禁帶或能隙?；蚰芟?。)2()(ankEkEmm E 是波矢是波矢k 的的多值函數(shù)多值函數(shù)，且隨，且隨 k 連續(xù)、周期性連續(xù)、周期性變化！變化！ 312022-6-27Prof.LEI1.2 1.2 半導體中的電子狀態(tài)與能帶半導體中的電子狀態(tài)與能帶 3 3）有限周期勢場有限周期勢場受周期性邊界條件限制受周期性邊界條件限制導致波矢導致波矢 k 取值取值的量子化的量子化。iiiiiaNnLnk22 在允帶內(nèi)，電子的能量在允帶內(nèi)，電子的能量E 是波矢是波矢k 的的多值函數(shù)多值函數(shù)，且隨，且隨 k 準連續(xù)、周期性連

25、續(xù)、周期性變化！變化！ )2(ankEEmkmk322022-6-27Prof.LEI一、半導體中的載流子一、半導體中的載流子 假定在一個單位截面導體中有假定在一個單位截面導體中有 N 個具有不同速度個具有不同速度i的電的電子，則流經(jīng)該導體的電流密度可表示為子，則流經(jīng)該導體的電流密度可表示為 Niiqj1對于波矢為對于波矢為 k 的電子，其能量為的電子，其能量為 ，則，則0222/ mkEdkkdEmkmp)(1001 1、滿帶電子不導電、滿帶電子不導電1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量332022-6-27Prof.LEI)()(kEkE 在允帶中的狀態(tài)全部被電

26、子填充的情況下，由于在允帶中的狀態(tài)全部被電子填充的情況下，由于 E(k) 函函數(shù)的中心對稱性，對應(yīng)于同一個能量總存在兩個波矢分別為數(shù)的中心對稱性，對應(yīng)于同一個能量總存在兩個波矢分別為k和和 -k 的電子。其速度大小相等方向相反，因而總電流密度的電子。其速度大小相等方向相反，因而總電流密度01Niiqj)()()(1)()(1)( kkdkdEkdkdEk即：即：滿帶（電子占滿的能帶）電子滿帶（電子占滿的能帶）電子 對半導體的導電無貢獻！對半導體的導電無貢獻！1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量342022-6-27Prof.LEI2 2、導電靠的是非滿帶、導電靠的是

27、非滿帶 晶體的電子電導主要決定于晶體中的非滿帶（未被電子占晶體的電子電導主要決定于晶體中的非滿帶（未被電子占據(jù)滿的能帶）。據(jù)滿的能帶）。 非滿帶有兩種極端情況，一種是空狀態(tài)極多非滿帶有兩種極端情況，一種是空狀態(tài)極多電子電子極少，另極少，另一種是電子極多一種是電子極多空狀態(tài)空狀態(tài)極少。極少。1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量352022-6-27Prof.LEI3 3、近滿帶和空穴、近滿帶和空穴 假設(shè)滿帶中只有一個假設(shè)滿帶中只有一個 k 態(tài)沒有電子，態(tài)沒有電子，I( k )表示在這種情況下整個近滿帶的總電表示在這種情況下整個近滿帶的總電流。同時假想在空的流。同時假想

28、在空的 k 態(tài)放入一個電子，態(tài)放入一個電子，該電子形成的荷電流為該電子形成的荷電流為放入電子后，能帶被完全填滿，總的電流為零。因此放入電子后，能帶被完全填滿，總的電流為零。因此表明：近滿帶的總電流如同是一個帶正電荷 q 的粒子，其速度等于處在 k 狀態(tài)的電子速度 (k)。這種空的狀態(tài)稱為空穴空穴。)(kq0)()(kqkI)()(kqkI1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量362022-6-27Prof.LEI 3 3、引入空穴的意義：、引入空穴的意義： 可將價帶大量電子對電流的貢可將價帶大量電子對電流的貢獻用少量的空穴表達出來。獻用少量的空穴表達出來。 當滿帶中缺

29、少當滿帶中缺少 n 個電子時，它在外場作用下所產(chǎn)生的總個電子時，它在外場作用下所產(chǎn)生的總電流與電流與 n 個空穴所產(chǎn)生的電流相等。個空穴所產(chǎn)生的電流相等。 2 2、空穴帶有正電荷、空穴帶有正電荷+ +q?？昭ǖ奶攸c空穴的特點 1 1、空穴是一個假想粒子，、空穴是一個假想粒子， k 態(tài)空穴的變化規(guī)律與態(tài)空穴的變化規(guī)律與 k 態(tài)電子態(tài)電子的變化相同；的變化相同；1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量372022-6-27Prof.LEI1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量 對于大多數(shù)半導體，對導電起主要作用的往往是導帶底對于大多數(shù)半導體，對導電

30、起主要作用的往往是導帶底附近的電子和價帶頂附近的空穴。附近的電子和價帶頂附近的空穴。二、能帶極值附近的二、能帶極值附近的 E E( (k k) ) 函數(shù)函數(shù) 以一維情況為例，首先考慮以一維情況為例，首先考慮 E(k) 在波數(shù)在波數(shù) k0 處取極處取極小值的情況。將小值的情況。將 E(k) 在在k0 附近按泰勒級數(shù)展開，附近按泰勒級數(shù)展開， 2022021)0()(kdkEdkdkdEEkEkknkkmkkdkEdkdkEdEkE22121)0()(222202222022022211kndkEdm 為能帶底電子的為能帶底電子的有效質(zhì)量有效質(zhì)量，對于給定的半導體為一常量。對于給定的半導體為一常量

31、。nm382022-6-27Prof.LEI1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量 同理，設(shè)能帶頂也位于同理，設(shè)能帶頂也位于k=0=0，則有，則有nkmkkdkEdEkE221)0()(222022 即：即：電子在能量極小值電子在能量極小值（能帶底）（能帶底）附近的有效質(zhì)量為正附近的有效質(zhì)量為正值，在能量極大值值，在能量極大值（能帶頂）（能帶頂）附近的有效質(zhì)量為負值！附近的有效質(zhì)量為負值！三、電子和空穴的有效質(zhì)量三、電子和空穴的有效質(zhì)量1 1、電子的有效質(zhì)量、電子的有效質(zhì)量能量狀態(tài)處于極值附近的電子，其有效質(zhì)量能量狀態(tài)處于極值附近的電子，其有效質(zhì)量 0222)/(kn

32、dkEdm392022-6-27Prof.LEI1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量2 2、空穴的有效質(zhì)量、空穴的有效質(zhì)量 在半導體中，導電電子恰好分布于導帶極小值附近。用有在半導體中，導電電子恰好分布于導帶極小值附近。用有效質(zhì)量替代慣性質(zhì)量后，其效質(zhì)量替代慣性質(zhì)量后，其 E(k) 函數(shù)即與自由電子在形式函數(shù)即與自由電子在形式上相同。上相同。. ,nnmfamkpnnmqmqmfdtkdaEE)(在外力在外力 f 的作用下，的作用下，價帶頂附近電子價帶頂附近電子的加速度可表示為的加速度可表示為 0222/ )(knpdkkEdmm402022-6-27Prof.LE

33、I1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量0222/ )(knpdkkEdmm即：即：外力作用下價帶頂電子的運動相當于一個具有正的有效外力作用下價帶頂電子的運動相當于一個具有正的有效質(zhì)量的正電荷的運動質(zhì)量的正電荷的運動。3 3、有效質(zhì)量的意義、有效質(zhì)量的意義 有效質(zhì)量概括了半導體內(nèi)部勢場的作用，有效質(zhì)量概括了半導體內(nèi)部勢場的作用，引入有效質(zhì)量引入有效質(zhì)量可直接把外力可直接把外力 f 和電子加速度和電子加速度 a 聯(lián)系起來。聯(lián)系起來。. ,0amfamffn內(nèi)說明：說明：1 1）有效質(zhì)量是波矢）有效質(zhì)量是波矢 k 的函數(shù)，即電子處于不同的狀的函數(shù)，即電子處于不同的狀態(tài)（不

34、同態(tài)（不同 k）有不同的有效質(zhì)量，甚至正負也會改變；）有不同的有效質(zhì)量，甚至正負也會改變；412022-6-27Prof.LEI1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量2 2）在三維空間，有效質(zhì)量為一張量，其分量為：）在三維空間，有效質(zhì)量為一張量，其分量為：)(1kEhk.12fEhakk.12222222222222zyxzyzxzzyyxyzxyxxzyxfffkEkkEkkEkkEkEkkEkkEkkEkEhaaa3 3）有效質(zhì)量與材料有關(guān)，可通過實驗測量。）有效質(zhì)量與材料有關(guān)，可通過實驗測量。.1122kkEhm422022-6-27Prof.LEI1.3 1.

35、3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量用回旋共振實驗測量有效質(zhì)量用回旋共振實驗測量有效質(zhì)量原理原理: :在恒定外磁場作用下，晶體中的電在恒定外磁場作用下，晶體中的電子（或空穴）作螺旋運動，回轉(zhuǎn)頻率為：子（或空穴）作螺旋運動，回轉(zhuǎn)頻率為：ncmqBzyxzyxnmmmmmmm2221 若在垂直磁場的方向上加頻率為若在垂直磁場的方向上加頻率為的交變電場，當?shù)慕蛔冸妶?，?c 時，時，交變電場的能量將被電子共振吸收，該現(xiàn)象稱交變電場的能量將被電子共振吸收，該現(xiàn)象稱回旋共振回旋共振。若設(shè)。若設(shè) 沿沿 的方向余弦分別為的方向余弦分別為 ，則有，則有Bzyxkkk、實驗：實驗：將高純半導體樣

36、品置于均勻恒定的磁場中，在垂直磁將高純半導體樣品置于均勻恒定的磁場中，在垂直磁場方向加高頻電場，改變交變電磁場的頻率，測出共振吸收場方向加高頻電場，改變交變電磁場的頻率，測出共振吸收峰；當磁場強度相對于晶軸有不同的取向時，可以得到為數(shù)峰；當磁場強度相對于晶軸有不同的取向時，可以得到為數(shù)不等的共振吸收峰個數(shù)。不等的共振吸收峰個數(shù)。432022-6-27Prof.LEI1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量四、各向異性半導體中載流子的有效質(zhì)量四、各向異性半導體中載流子的有效質(zhì)量 對實際晶體，標識其電子的能量和運動對實際晶體，標識其電子的能量和運動狀態(tài)的全部波矢狀態(tài)的全部波

37、矢 k 構(gòu)成三維構(gòu)成三維 k 空間?？臻g。2222zyxkkkk 設(shè)導帶底位于設(shè)導帶底位于 k = 0 處，則處，則)(2)0()(2222zyxnkkkmEkE 當當E( (k) )為某一定值時，對應(yīng)于許多組不同的為某一定值時，對應(yīng)于許多組不同的( (kx,ky,kz) )，若，若將這些不同的代表點連接起來即可構(gòu)成一個封閉面，面上的能將這些不同的代表點連接起來即可構(gòu)成一個封閉面，面上的能量值均相等，稱為量值均相等，稱為等能面等能面。442022-6-27Prof.LEI1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量 晶體的各向異性表現(xiàn)在能帶結(jié)構(gòu)上即為：晶體的各向異性表現(xiàn)在能

38、帶結(jié)構(gòu)上即為：E( (k) )與與 k 的關(guān)的關(guān)系與方向有關(guān)，反映出沿不同的系與方向有關(guān)，反映出沿不同的 k 方向，電子的有效質(zhì)量不方向，電子的有效質(zhì)量不一定相同，而且能帶極值也不一定相同，而且能帶極值也不定位于定位于k=0處。處。 利用等能面可求出三維晶體在導帶底位于利用等能面可求出三維晶體在導帶底位于 k 空間任意點空間任意點時的電子有效質(zhì)量。時的電子有效質(zhì)量。 1 1、導帶底不在布里淵區(qū)中心的一般情況、導帶底不在布里淵區(qū)中心的一般情況1 1）導帶底附近電子的有效質(zhì)量和等能面）導帶底附近電子的有效質(zhì)量和等能面 設(shè)導帶底位于設(shè)導帶底位于 k0 處的一般情況，將處的一般情況，將 E(k) 函數(shù)

39、在函數(shù)在 k0 附近附近泰勒展開，略去高次項后，得泰勒展開，略去高次項后，得 *20*20*2020)()()(2)()(zzzyyyxxxmkkmkkmkkkEkE452022-6-27Prof.LEI1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量*20*20*2020)()()(2)()(zzzyyyxxxmkkmkkmkkkEkE其中其中 0222*kxxdkEdm0222*kyydkEdm0222*kzzdkEdm, 222000*22212()2()2()yyxxzzxCyCzCkkkkkkm EEmEEm EE則有則有 462022-6-27Prof.LEI1.3

40、 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量222000*22212()2()2()yyxxzzxCyCzCkkkkkkm EEmEEm EE式中式中ECE(k0)，表示導帶底的，表示導帶底的能量。由于能量。由于EEC是一個常數(shù)是一個常數(shù)，則滿足上式的全部，則滿足上式的全部 k 狀態(tài)具狀態(tài)具有相同的能量。有相同的能量。上式表明：上式表明： 對各向異性的有效質(zhì)量，導帶底附近的電子等能面是環(huán)對各向異性的有效質(zhì)量，導帶底附近的電子等能面是環(huán)繞繞 k0 的一系列橢球面。對于等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面的情況，一的一系列橢球面。對于等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面的情況，一般沿旋轉(zhuǎn)軸方向的有效質(zhì)量般沿旋轉(zhuǎn)軸方向的

41、有效質(zhì)量 ml 叫縱有效質(zhì)量，沿垂直于旋轉(zhuǎn)叫縱有效質(zhì)量，沿垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的兩個相等的有效質(zhì)量軸方向的兩個相等的有效質(zhì)量 mt 叫橫有效質(zhì)量。叫橫有效質(zhì)量。 472022-6-27Prof.LEI1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量2 2）等價能谷）等價能谷 由于晶體的對稱性，由于晶體的對稱性，k0 在在 k 空間可能有若干對稱的等價空間可能有若干對稱的等價點，在這些等價點上必然存在著相同的能量極值及其等能面。點，在這些等價點上必然存在著相同的能量極值及其等能面。 如立方晶體，若在如立方晶體，若在 k k 空間的空間的100100方向某點有一導帶極小值（能谷），且方

42、向某點有一導帶極小值（能谷），且其附近的等能面是長軸沿其附近的等能面是長軸沿100100方向的旋方向的旋轉(zhuǎn)橢球面，則六個等價轉(zhuǎn)橢球面，則六個等價方向上的等方向上的等價點上都應(yīng)有同樣的極值和同樣的旋轉(zhuǎn)價點上都應(yīng)有同樣的極值和同樣的旋轉(zhuǎn)橢球等能面，橢球等能面， tzylxxCmkkmkkEkE222022)(482022-6-27Prof.LEI1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量2 2、導帶底在布里淵區(qū)中心且有效質(zhì)量各向同性的情況、導帶底在布里淵區(qū)中心且有效質(zhì)量各向同性的情況 設(shè)導帶底位于布里淵區(qū)中心，即設(shè)導帶底位于布里淵區(qū)中心，即 k0，其能值，其能值E(0)=EC

43、，且，且有效質(zhì)量各向同性，則導帶底附近的等能面方程變?yōu)橛行з|(zhì)量各向同性，則導帶底附近的等能面方程變?yōu)?22*22)(zyxnCkkkmEkE這是一個球面方程，其半徑這是一個球面方程，其半徑 )(21*222CnkyxEkEmkkk即：即：在導帶底位于布里淵區(qū)中心且有效質(zhì)量各向同性的情況在導帶底位于布里淵區(qū)中心且有效質(zhì)量各向同性的情況下，波矢相等的狀態(tài)，其能量也相等下，波矢相等的狀態(tài)，其能量也相等。492022-6-27Prof.LEI1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量【例題例題】設(shè)有晶格常數(shù)為設(shè)有晶格常數(shù)為a = 0.314 nm的一維晶格，其導帶的一維晶格，其導

44、帶底附近能量底附近能量EC(k)和價帶頂附近能量和價帶頂附近能量EV(k)分別為分別為0212022)(3)(mkkmkkEC022021236)(mkmkkEV 和和 式中，式中，m0 0為電子慣性質(zhì)量，為電子慣性質(zhì)量，k1 =1/2a。試求：。試求：禁帶寬度；禁帶寬度；導帶底電子和價帶頂空穴的有效質(zhì)量；導帶底電子和價帶頂空穴的有效質(zhì)量；價帶頂電子躍遷到導帶底時準動量的變化。價帶頂電子躍遷到導帶底時準動量的變化。 解：解： 求禁帶寬度即求導帶極小值與價帶極大值之差。由求禁帶寬度即求導帶極小值與價帶極大值之差。由0)(23201202mkkmkdkdEC502022-6-27Prof.LEI1

45、.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量知導帶在知導帶在kC=3k1/4=3/(8a)處有其唯一的極小值：處有其唯一的極小值： 202022202min,16)8321()83(3ammaaamEC同理，由同理，由0602mkdkdEV知價帶在知價帶在kV=0處有其唯一的極大值處有其唯一的極大值 2022102max,246amkmEV512022-6-27Prof.LEI1.3 1.3 半導體中載流子的有效質(zhì)量半導體中載流子的有效質(zhì)量于是知禁帶寬度于是知禁帶寬度eVamamamEEEVCg16. 0482416202202202max,min, 按電子有效質(zhì)量的定義，欲

46、求導帶底電子的有效質(zhì)量須按電子有效質(zhì)量的定義，欲求導帶底電子的有效質(zhì)量須首先求出導帶底附近首先求出導帶底附近E E( (k k) )函數(shù)二階導數(shù)的值，即由函數(shù)二階導數(shù)的值，即由0202022238232mmmdkEdC83)/(0222mdkEdmCkkn同理，由同理，由02226mdkEdV6)/(0222mdkEdmCkkVp522022-6-27Prof.LEI1.3 1.3 半導體中電子的運動半導體中電子的運動 (3) (3) 價帶頂電子躍遷到導帶底時準動量的變化由導帶極價帶頂電子躍遷到導帶底時準動量的變化由導帶極小值和價帶極大值所對應(yīng)的小值和價帶極大值所對應(yīng)的 k 值之差決定，即值之

47、差決定，即)m/skg(1026. 183)(2500akkkPVC532022-6-27Prof.LEI1.4 1.4 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級 半導體的實用價值與雜質(zhì)和缺陷的精確控制密切相關(guān)！半導體的實用價值與雜質(zhì)和缺陷的精確控制密切相關(guān)！將半導體的滿帶和空帶轉(zhuǎn)化為未滿帶的主要途徑是摻雜！將半導體的滿帶和空帶轉(zhuǎn)化為未滿帶的主要途徑是摻雜！ 雜質(zhì)和缺陷的存在會改變結(jié)晶半導體中的周期勢場，從雜質(zhì)和缺陷的存在會改變結(jié)晶半導體中的周期勢場，從而在禁帶中引入電子的允許能級，改變材料的電特性。而在禁帶中引入電子的允許能級，改變材料的電特性。雜質(zhì)的施、受主作用及其能級雜質(zhì)的施、受

48、主作用及其能級一、真實晶體及其中的雜質(zhì)一、真實晶體及其中的雜質(zhì) 晶體中的原子雖然都是緊密排列，但其中的晶體中的原子雖然都是緊密排列，但其中的大量空隙為雜質(zhì)的摻入和穩(wěn)定存在提供了機會。大量空隙為雜質(zhì)的摻入和穩(wěn)定存在提供了機會。 radia83:3334arN占空比%3416334833ar金剛石結(jié)構(gòu)：542022-6-27Prof.LEI1.4 1.4 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級 晶體中的雜質(zhì)有晶體中的雜質(zhì)有替位和填隙替位和填隙兩種存在方式。填隙雜質(zhì)占據(jù)兩種存在方式。填隙雜質(zhì)占據(jù)晶格中的空隙，一般不與主體原子成鍵，而替位雜質(zhì)占據(jù)主體晶格中的空隙，一般不與主體原子成鍵，而替位

49、雜質(zhì)占據(jù)主體晶格的格點，與最近鄰原子形成共價結(jié)合。晶格的格點，與最近鄰原子形成共價結(jié)合。 雜質(zhì)在半導體中起什么作用，決定于它與被它替換的主體雜質(zhì)在半導體中起什么作用，決定于它與被它替換的主體原子在價電子數(shù)和電負性上的差別。原子在價電子數(shù)和電負性上的差別。 552022-6-27Prof.LEI1.4 1.4 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級1 1、共價環(huán)境與雜質(zhì)原子、共價環(huán)境與雜質(zhì)原子 半導體中原子的主要結(jié)合方式是共價鍵，雜質(zhì)原子要溶入半導體中原子的主要結(jié)合方式是共價鍵，雜質(zhì)原子要溶入這個共價環(huán)境，必須適應(yīng)主體晶格對共價電子數(shù)的要求。若主這個共價環(huán)境，必須適應(yīng)主體晶格對共價電子

50、數(shù)的要求。若主體晶格提供給外來原子的是一個體晶格提供給外來原子的是一個過配位過配位的共價環(huán)境，它就必須的共價環(huán)境，它就必須接受其欠缺的電子或釋放其多余的電子接受其欠缺的電子或釋放其多余的電子。 過配位意味著雜質(zhì)原子帶來的可參與共價結(jié)合的電子數(shù)與過配位意味著雜質(zhì)原子帶來的可參與共價結(jié)合的電子數(shù)與主體晶體對它所要求的共價電子數(shù)不合。富余的要向主體晶格主體晶體對它所要求的共價電子數(shù)不合。富余的要向主體晶格施放多余的電子，被稱為施放多余的電子，被稱為施主施主；欠缺的要從主體晶格接受電子；欠缺的要從主體晶格接受電子以補其不足，稱為以補其不足，稱為受主受主。 2 2、施主雜質(zhì)、施主雜質(zhì) 比被其替代的晶格主

51、體原子多一個價電子的替位式雜質(zhì)，比被其替代的晶格主體原子多一個價電子的替位式雜質(zhì)，它們在適當?shù)臏囟认履軌蚴┓胚@個多余的價電子而在半導體它們在適當?shù)臏囟认履軌蚴┓胚@個多余的價電子而在半導體中引入非本征自由電子，并使自身電離。中引入非本征自由電子，并使自身電離。 562022-6-27Prof.LEI1.4 1.4 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級 所有所有V族元素對族元素對Ge、Si等等IV族元素半導體和族元素半導體和IV-IV族化合族化合物半導體而言都是施主雜質(zhì)。物半導體而言都是施主雜質(zhì)。 按此原則，在按此原則，在III-V族化合物半導體中替換其族化合物半導體中替換其III族原

52、子的族原子的IV族原子，或替換其族原子，或替換其V族原子的族原子的VIVI族原子，例如族原子，例如Si和和S，皆為，皆為施主雜質(zhì)；在施主雜質(zhì)；在II-VI族化合物半導體中替換其族化合物半導體中替換其II族原子的族原子的III族族原子，或替換其原子，或替換其VI族原子的鹵族元素原子，例如族原子的鹵族元素原子，例如Ga和和Cl，皆，皆為施主雜質(zhì)。為施主雜質(zhì)。 572022-6-27Prof.LEI1.4 1.4 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級3 3、受主雜質(zhì)、受主雜質(zhì) 比被其替代的晶格主體原子少一比被其替代的晶格主體原子少一個價電子的替位式雜質(zhì)，它們在適當個價電子的替位式雜質(zhì)，它

53、們在適當?shù)臏囟认履軌蚪邮苤黧w晶格價帶中的的溫度下能夠接受主體晶格價帶中的電子而在半導體中引入非本征自由空電子而在半導體中引入非本征自由空穴，并使自身電離。穴，并使自身電離。 所有所有III族元素對族元素對Ge、Si等等IV族元素半導體和族元素半導體和IV-IV族化族化合物半導體而言都是受主；合物半導體而言都是受主； 在在III-V族化合物半導體中替換其族化合物半導體中替換其V族原子的族原子的IV族原子，族原子，或替換其或替換其III族原子的族原子的II族元素原子，例如族元素原子，例如Si和和Zn，皆為受主，皆為受主雜質(zhì)；在雜質(zhì)；在II-VI族化合物半導體中替換其族化合物半導體中替換其II族原子

54、的族原子的I族元素原族元素原子，或替換其子，或替換其VI族原子的族原子的V族原子，例如族原子，例如Li和和P，皆為受主雜，皆為受主雜質(zhì)。質(zhì)。 582022-6-27Prof.LEI1.4 1.4 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級二、雜質(zhì)能級二、雜質(zhì)能級雜質(zhì)能級位于禁帶中雜質(zhì)能級位于禁帶中EvEc雜質(zhì)能級592022-6-27Prof.LEI1.4 1.4 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級1 1、類氫模型雜質(zhì)電離能的簡單計算、類氫模型雜質(zhì)電離能的簡單計算 電子在半導體晶體中圍繞施主正電中心的運動與其在真空電子在半導體晶體中圍繞施主正電中心的運動與其在真空中圍繞氫原

55、子核的運動十分相似，只要用半導體的電容率中圍繞氫原子核的運動十分相似，只要用半導體的電容率0 0替替換真空電容率換真空電容率 0 0，用電子的有效質(zhì)量替換慣性質(zhì)量，就可以利，用電子的有效質(zhì)量替換慣性質(zhì)量，就可以利用氫原子電離能的計算方法來估算雜質(zhì)電離能，稱此方法為計用氫原子電離能的計算方法來估算雜質(zhì)電離能，稱此方法為計算雜質(zhì)電離能的算雜質(zhì)電離能的類氫模型類氫模型。 eVE6 .131 , 3 , 2 , 18222040nnhqmEneVEEE6 .1310602022-6-27Prof.LEI1.4 1.4 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級)(6 .1382020022220

56、4eVmmEmmnhqmErnrnrnD)(6 .13820200222204eVmmEmmnhqmErprprpA0.0340.0650.0570.0450.0290.0390.0490.044Si0.00890.0110.0100.0100.00920.00960.01270.0120Ge受主計算值GaAlB施主計算值SbAsP表表1-3 1-3 GeGe、SiSi中施、受主雜質(zhì)電離能的實測值和用類氫模型計算的值（中施、受主雜質(zhì)電離能的實測值和用類氫模型計算的值（eVeV）612022-6-27Prof.LEI1.4 1.4 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級2 2、施主能級

57、和受主能級、施主能級和受主能級 被施主被施主( (受主受主）雜質(zhì)弱束縛著的電子）雜質(zhì)弱束縛著的電子( (空穴空穴) )獲得電離能獲得電離能ED(EA) )后，就能從束縛態(tài)躍遷到導帶成為導電電子（后，就能從束縛態(tài)躍遷到導帶成為導電電子（價帶價帶空穴空穴），將電子（），將電子（空穴空穴）被施主（）被施主（受主受主）雜質(zhì)束縛著的能量狀）雜質(zhì)束縛著的能量狀態(tài)稱為施主能級，記為態(tài)稱為施主能級，記為ED ( (EA) ) 。圖1-15 施主能級和施主雜質(zhì)的電離 圖1-16 受主能級和受主雜質(zhì)的電離 把因含有一定濃度施主雜質(zhì)而主要依靠電子導電的半導體把因含有一定濃度施主雜質(zhì)而主要依靠電子導電的半導體稱為稱為

58、n n型半導體。把因含有一定濃度受主雜質(zhì)而主要依靠空型半導體。把因含有一定濃度受主雜質(zhì)而主要依靠空穴導電的半導體稱為穴導電的半導體稱為p p型半導體。型半導體。 622022-6-27Prof.LEI1.4 1.4 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級三、施主與受主之間的補償三、施主與受主之間的補償 半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，施主和受主之間有半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，施主和受主之間有互相抵消的作用。互相抵消的作用。1、ND NA此時半導體為此時半導體為n n型半導體型半導體 EcED電離施主電離受主Evn=ND-NA2、NDNAEcEDEAEv電離施主電離受主半導體為半

59、導體為p p型半導體型半導體 p=NA- ND3、NDNA雜質(zhì)的高度補償！雜質(zhì)的高度補償！632022-6-27Prof.LEI1.4 1.4 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì) 除除、族元素可在鍺、硅等族元素可在鍺、硅等族元素半導體中引入雜質(zhì)族元素半導體中引入雜質(zhì)能級外，其它族元素也可在鍺、硅中產(chǎn)生雜質(zhì)能級。而且，能能級外，其它族元素也可在鍺、硅中產(chǎn)生雜質(zhì)能級。而且，能級通常有如下特點：級通常有如下特點：1 1）它們產(chǎn)生的施主（它們產(chǎn)生的施主（受主受主）能級距導帶底（）能級距導帶底（價帶頂價帶頂）較遠，）較遠，電離能大！通常稱這些能級為電離能大！通常稱這些能

60、級為深能級深能級，產(chǎn)生這些深能級的雜質(zhì)產(chǎn)生這些深能級的雜質(zhì)稱為稱為深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)；2 2）這些雜質(zhì)在硅、鍺的禁帶中往往可以引入若干個能級，有這些雜質(zhì)在硅、鍺的禁帶中往往可以引入若干個能級，有的屬于兩性雜質(zhì)的屬于兩性雜質(zhì)（施主能級（施主能級或或受主能級）受主能級）；3 3）主要以替位形式存在；）主要以替位形式存在；4 4）深能級雜質(zhì)的行為與雜質(zhì)原子的電子殼層結(jié)構(gòu)、原子大小、深能級雜質(zhì)的行為與雜質(zhì)原子的電子殼層結(jié)構(gòu)、原子大小、雜質(zhì)在半導體晶格中的位置等因素有關(guān)雜質(zhì)在半導體晶格中的位置等因素有關(guān)。642022-6-27Prof.LEI1.4 1.4 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級半導體中的雜質(zhì)和缺陷