半導(dǎo)體物理學(xué) 第二章_半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷

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1、第 二 章 半 導(dǎo) 體 中 的雜 質(zhì) 和 缺 陷 理 想 半 導(dǎo) 體 ：1、 原 子 嚴(yán) 格 周 期 性 排 列 ， 具 有 完 整 的 晶 格 結(jié) 構(gòu) 。2、 晶 體 中 無(wú) 雜 質(zhì) ， 無(wú) 缺 陷 。3、 電 子 在 周 期 場(chǎng) 中 作 共 有 化 運(yùn) 動(dòng) ， 形 成 允帶 和 禁 帶 電 子 能 量 只 能 處 在 允 帶 中 的能 級(jí) 上 ， 禁 帶 中 無(wú) 能 級(jí) 。本 征 半 導(dǎo) 體 晶 體 具 有 完 整 的 （ 完 美 的 ）晶 格 結(jié) 構(gòu) ， 無(wú) 任 何 雜 質(zhì) 和 缺 陷 。 由 本 征 激發(fā) 提 供 載 流 子 。 實(shí) 際 半 導(dǎo) 體u 實(shí) 際 半 導(dǎo) 體 中 原 子 并

2、 不 是 靜 止 在 具 有嚴(yán) 格 周 期 性 的 晶 格 位 置 上 ， 而 是 在 其 平衡 位 置 附 近 振 動(dòng) ；u 實(shí) 際 半 導(dǎo) 體 并 不 是 純 凈 的 ， 而 是 含 有雜 質(zhì) 的 ；u 實(shí) 際 的 半 導(dǎo) 體 晶 格 結(jié) 構(gòu) 并 不 是 完 整 無(wú) 缺的 ， 而 是 存 在 著 各 種 形 式 的 缺 陷 ， 點(diǎn) 缺陷 ， 線 缺 陷 ， 面 缺 陷 ；雜 質(zhì) 和 缺 陷 可 在 禁 帶 中 引 入 能 級(jí) ， 從 而 對(duì) 半導(dǎo) 體 的 性 質(zhì) 產(chǎn) 生 了 決 定 性 的 作 用 主 要 內(nèi) 容 1. 淺 能 級(jí) 雜 質(zhì) 能 級(jí) 和 雜 質(zhì) 電 離 ； 2. 淺 能 級(jí)

3、雜 質(zhì) 電 離 能 的 計(jì) 算 ； 3. 雜 質(zhì) 補(bǔ) 償 作 用 4. 深 能 級(jí) 雜 質(zhì) 的 特 點(diǎn) 和 作 用 1、 等 電 子 雜 質(zhì) ； 2、 族 元 素 起 兩 性 雜 質(zhì) 作 用 2-1 元 素 半 導(dǎo) 體 中 的 雜 質(zhì) 能 級(jí) 2-3 缺 陷 能 級(jí) 2-2 化 合 物 半 導(dǎo) 體 中 的 雜 質(zhì) 能 級(jí) 點(diǎn) 缺 陷 對(duì) 半 導(dǎo) 體 性 能 的 影 響 雜 質(zhì) 的 來(lái) 源 ： 有 意 摻 入無(wú) 意 摻 入根 據(jù) 雜 質(zhì) 在 能 級(jí) 中 的 位 置 不 同 ： 替 位 式 是 雜 質(zhì)間 隙 式 雜 質(zhì) 在 金 剛 石 型 晶 體 中 ， 晶 胞 中 原 子 的 體 積 百 分 數(shù)

4、 為34%， 說(shuō) 明 還 有 66%是 空 隙 。 Si 中 的 雜 質(zhì) 有 兩 種 存 在方 式 ，a： 間 隙 式 雜 質(zhì) 特 點(diǎn) ： 雜 質(zhì) 原 子 一 般 較 小 ， 鋰 元 素b： 替 位 式 雜 質(zhì) 特 點(diǎn) ： 雜 質(zhì) 原 子 的 大 小 與 被 替 代 的 晶 格 原 子 大小 可 以 相 比 ， 價(jià) 電 子 殼 層 結(jié) 構(gòu) 比 較 相 近 ， 和 族元 素 在 Si ， Ge中 都 是 替 位 式以 硅 為 例 說(shuō) 明單 位 體 積 中 的 雜 質(zhì) 原 子 數(shù) 稱 為 雜 質(zhì) 濃 度 B:替 位 式 雜 質(zhì) 占 據(jù) 格 點(diǎn)位 置 。 大 小 接 近 、 電 子殼 層 結(jié) 構(gòu) 相

5、 近Si： r=0.117nmB： r=0.089nmP： r=0.11nm SiSiSi SiSiSiSiPSi Li N型 半 導(dǎo) 體 P型 半 導(dǎo) 體 復(fù) 合 中 心 陷 阱雜 質(zhì) 分 類(lèi)淺 能 級(jí) 雜 質(zhì) 深 能 級(jí) 雜 質(zhì) 雜 質(zhì) 能 級(jí) 位 于 禁 帶 中Eg淺 能 級(jí) 施 主 雜 質(zhì)施 主 能 級(jí) Ei 受 主 雜 質(zhì) 受 主 能 級(jí) EcEv淺 能 級(jí) (1)VA族 的 替 位 雜 質(zhì) 在 硅 Si中 摻 入 PSiSiSi SiSiSiSiP +Si 磷 原 子 替 代 硅 原子 后 ， 形 成 一 個(gè)正 電 中 心 P 和 一個(gè) 多 余 的 價(jià) 電 子未 電 離電 離 后

6、2、 元 素 半 導(dǎo) 體 的 雜 質(zhì) （ a） 電 離 態(tài) （ b） 中 性 施 主 態(tài) 過(guò) 程 ：1.形 成 共 價(jià) 鍵 后 存 在 正 電 中 心 P+；2.多 余 的 一 個(gè) 電 子 掙 脫 束 縛 ， 在 晶 格 中 自 由 動(dòng) ；雜 質(zhì) 電 離3. P+成 為 不 能 移 動(dòng) 的 正 電 中 心 ；雜 質(zhì) 電 離 ， 雜 質(zhì) 電 離 能 ， 施 主雜 質(zhì) （ n型 雜 質(zhì) ） ， 施 主 能 級(jí) 電 離 的 結(jié) 果 ： 導(dǎo) 帶 中 的 電 子 數(shù) 增 加 了 ， 這即 是 摻 施 主 的 意 義 所 在 。1.施 主 處 于 束 縛 態(tài) ， 2.施 主 電 離 3施 主 電 離 后

7、處 于離 化 態(tài)能帶圖中施主雜質(zhì)電離的過(guò)程 電 離 時(shí) ， P原 子 能 夠 提 供 導(dǎo) 電 電 子 并 形 成 正 電中 心 ， 。施 主 雜 質(zhì) 施 主 能 級(jí)被 施 主 雜 質(zhì) 束 縛 的 電 子的 能 量 比 導(dǎo) 帶 底 Ec低 ，稱 為 ， ED。施 主 雜 質(zhì) 少 ， 原 子 間 相互 作 用 可 以 忽 略 ， 施 主能 級(jí) 是 具 有 相 同 能 量 的孤 立 能 級(jí) ED施 主 濃 度 ： ND 施 主 電 離 能 ED=弱 束 縛 的 電 子 擺 脫 雜 質(zhì) 原 子束 縛 成 為 晶 格 中 自 由 運(yùn) 動(dòng) 的 電 子 （ 導(dǎo) 帶 中 的 電 子 ） 所 需要 的 能 量E

8、CE D ED =EC ED 施 主 電 離 能 E V-束 縛 態(tài) 離 化 態(tài)+ 施 主 雜 質(zhì) 的 電 離 能 小 ，在 常 溫 下 基 本 上 電 離 。含 有 施 主 雜 質(zhì) 的 半 導(dǎo) 體 ， 其 導(dǎo) 電 的 載 流 子 主 要是 電 子 N型 半 導(dǎo) 體 ， 或 電 子 型 半 導(dǎo) 體晶體 雜 質(zhì)P As SbSi 0.044 0.049 0.039Ge 0.0126 0.0127 0.0096 定 義 ：n 施 主 雜 質(zhì)V族 元 素 在 硅 、 鍺 中 電 離 時(shí) 能 夠 釋 放 電 子 而產(chǎn) 生 導(dǎo) 電 電 子 并 形 成 正 電 中 心 ， 稱 此 類(lèi) 雜 質(zhì)為 施 主 雜

9、 質(zhì) 或 n型 雜 質(zhì) 。n 施 主 電 離施 主 雜 質(zhì) 釋 放 電 子 的 過(guò) 程 。n 施 主 能 級(jí)被 施 主 雜 質(zhì) 束 縛 的 電 子 的 能 量 狀 態(tài) ， 記 為 E D，施 主 電 離 能 量 為 ED。n n型 半 導(dǎo) 體依 靠 導(dǎo) 帶 電 子 導(dǎo) 電 的 半 導(dǎo) 體 。 3、 受 主 能 級(jí) ： 舉 例 ： Si 中 摻 硼 B 在 Si單 晶 中 ， 族 受 主 替 位 雜 質(zhì) 兩 種 電 荷 狀 態(tài) 的 價(jià) 鍵（ a） 電 離 態(tài) （ b） 中 性 受 主 態(tài) 2、 受 主 能 級(jí) ： 舉 例 ： Si 中 摻 硼 B過(guò) 程 ： 1.形 成 共 價(jià) 鍵 時(shí) ，從 Si

10、 原 子 中 奪 取 一 個(gè) 電 子 ，Si 的 共 價(jià) 鍵 中 產(chǎn) 生 一 個(gè) 空穴 ；2.當(dāng) 空 穴 掙 脫 硼 離 子 的 束縛 ， 形 成 固 定 不 動(dòng) 的 負(fù) 電中 心 B-受 主 電 離 ， 受 主 電 離 能 ， 受 主雜 質(zhì) （ p型 雜 質(zhì) ） ， 受 主 能 級(jí) 電 離 的 結(jié) 果 ： 價(jià) 帶 中 的 空 穴 數(shù) 增 加 了 ， 這 即 是摻 受 主 的 意 義 所 在1.受 主 處 于 束 縛 態(tài) ， 2， 受 主 電 離 3， 受 主 電 離 后處 于 離 化 態(tài)能帶圖中受主雜質(zhì)電離的過(guò)程 在 Si中 摻 入 BB具 有 得 到 電 子 的 性 質(zhì) ， 這 類(lèi) 雜 質(zhì)

11、 稱 為 受 主 雜 質(zhì) 。受 主 雜 質(zhì) 向 價(jià) 帶 提 供 空 穴 。 B獲 得 一 個(gè) 電 子 變 成負(fù) 離 子 ， 成 為 負(fù) 電 中心 ， 周 圍 產(chǎn) 生 帶 正 電的 空 穴 。B EA受 主 濃 度 ： N A VAA EEE EcEvEA 受 主 電 離 能 和 受 主 能 級(jí)受 主 電 離 能 EA=空 穴 擺 脫 受 主 雜 質(zhì) 束 縛 成 為 導(dǎo) 電 空 穴 所 需 要 的 能 量-束 縛 態(tài) 離 化 態(tài)+ 受 主 雜 質(zhì) 的 電 離 能 小 ， 在常 溫 下 基 本 上 為 價(jià) 帶 電 離的 電 子 所 占 據(jù) 空 穴 由受 主 能 級(jí) 向 價(jià) 帶 激 發(fā) 。含 有 受

12、 主 雜 質(zhì) 的 半 導(dǎo) 體 ， 其 導(dǎo) 電 的 載 流 子 主 要是 空 穴 P型 半 導(dǎo) 體 ， 或 空 穴 型 半 導(dǎo) 體 。晶體 雜 質(zhì)B Al GaSi 0.045 0.057 0.065Ge 0.01 0.01 0.011 定 義 ：n 受 主 雜 質(zhì)III族 元 素 在 硅 、 鍺 中 電 離 時(shí) 能 夠 接 受 電 子 而產(chǎn) 生 導(dǎo) 電 空 穴 并 形 成 負(fù) 電 中 心 ， 稱 此 類(lèi) 雜 質(zhì)為 受 主 雜 質(zhì) 或 p型 雜 質(zhì) 。n 受 主 電 離受 主 雜 質(zhì) 釋 放 空 穴 的 過(guò) 程 。n 受 主 能 級(jí)被 受 主 雜 質(zhì) 束 縛 的 空 穴 的 能 量 狀 態(tài) ，

13、記 為 EA。受 主 電 離 能 量 為 E An p型 半 導(dǎo) 體依 靠 價(jià) 帶 空 穴 導(dǎo) 電 的 半 導(dǎo) 體 。 施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P 和As 受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的B小 結(jié) ！ 等 電 子 雜 質(zhì) N型 半 導(dǎo) 體特 征 ：a 施 主 雜 質(zhì) 電 離 ， 導(dǎo) 帶 中出 現(xiàn) 施 主 提 供 的 導(dǎo) 電 電 子b 電 子 濃 度 n 空 穴 濃 度 pP 型 半 導(dǎo) 體特 征 ：a 受 主 雜 質(zhì) 電 離 ，

14、價(jià) 帶 中出 現(xiàn) 受 主 提 供 的 導(dǎo) 電 空 穴b空 穴 濃 度 p 電 子 濃 度 n ECEDE VEA - - -+ + + +- - -+ + + +EgN型 和 P型 半 導(dǎo) 體 都 稱 為 極 性 半 導(dǎo) 體 P型 半 導(dǎo) 體 價(jià) 帶 空 穴 數(shù) 由 受 主 決 定 ， 半 導(dǎo) 體導(dǎo) 電 的 載 流 子 主 要 是 空 穴 。 空 穴 為 多 子 ， 電子 為 少 子 。N型 半 導(dǎo) 體 導(dǎo) 帶 電 子 數(shù) 由 施 主 決 定 ， 半 導(dǎo) 體導(dǎo) 電 的 載 流 子 主 要 是 電 子 。 電 子 為 多 子 ， 空穴 為 少 子 。多 子 多 數(shù) 載 流 子少 子 少 數(shù) 載

15、流 子 雜 質(zhì) 向 導(dǎo) 帶 和 價(jià) 帶 提 供 電 子 和 空 穴 的 過(guò) 程 （ 電子 從 施 主 能 級(jí) 向 導(dǎo) 帶 的 躍 遷 或 空 穴 從 受 主 能 級(jí)向 價(jià) 帶 的 躍 遷 ） 稱 為 雜 質(zhì) 電 離 或 雜 質(zhì) 激 發(fā) 。 具有 雜 質(zhì) 激 發(fā) 的 半 導(dǎo) 體 稱 為 雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體 雜 質(zhì) 激 發(fā)3. 雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體電 子 從 價(jià) 帶 直 接 向 導(dǎo) 帶 激 發(fā) ， 成 為 導(dǎo) 帶 的 自 由電 子 ， 這 種 激 發(fā) 稱 為 本 征 激 發(fā) 。 只 有 本 征 激 發(fā)的 半 導(dǎo) 體 稱 為 本 征 半 導(dǎo) 體 。本 征 激 發(fā)N型 和 P型 半 導(dǎo) 體 都 是 雜

16、質(zhì) 半 導(dǎo) 體 施 主 向 導(dǎo) 帶 提 供 的 載 流 子=1016 1017/cm3 本 征 載 流 子 濃 度雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體 中 雜 質(zhì) 載 流 子 濃 度 遠(yuǎn) 高 于本 征 載 流 子 濃 度Si的 原 子 濃 度 為 1022 1023/cm3摻 入 P的 濃 度 /Si原 子 的 濃 度 =10-6例 如 ： Si 在 室 溫 下 ， 本 征 載 流 子 濃 度 為1010/cm3， 上 述 雜 質(zhì) 的 特 點(diǎn) ：施 主 雜 質(zhì) ：受 主 雜 質(zhì) ： 淺 能 級(jí) 雜 質(zhì)雜 質(zhì) 的 雙 重 作 用 ：u 改 變 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 性u(píng) 決 定 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 類(lèi) 型雜

17、 質(zhì) 能 級(jí) 在 禁 帶 中 的 位 置 gD EE gA EE 4. 淺 能 級(jí) 雜 質(zhì) 電 離 能 的 簡(jiǎn) 單 計(jì) 算+ -施 主- +受 主淺 能 級(jí) 雜 質(zhì) =雜 質(zhì) 離 子 +束 縛 電 子 （ 空 穴 ）類(lèi) 氫 模 型 2 22oH o hr nm q玻 爾 原 子 電 子 的 運(yùn) 動(dòng) 軌 道 半 徑 為 ：n=1為 基 態(tài) 電 子 的 運(yùn) 動(dòng) 軌 跡4 2 2 28 on om qE h ne= -玻 爾 能 級(jí) ： 玻 爾 原 子 模 型 n 類(lèi) 氫 模 型氫 原 子 中 電 子 能 量n=1,2,3， 為 主 量 子 數(shù) ， 當(dāng) n=1和 無(wú) 窮 時(shí)2220 408 nhqm

18、En 0,8 220 401 EhqmE n 氫 原 子 基 態(tài) 電 子 的 電 離 能n 考 慮 到 正 、 負(fù) 電 荷 處 于 介 電 常 數(shù) = 0 r的 介 質(zhì) 中 ， 且 處 于 晶 格 形 成 的周 期 性 勢(shì) 場(chǎng) 中 運(yùn) 動(dòng) ， 所 以 電 子 的 慣 性 質(zhì)量 要 用 有 效 質(zhì) 量 代 替 eVhqmEEE 6.138 220 4010 類(lèi) 氫 模 型 ： 計(jì) 算 束 縛 電 子 或 空 穴 運(yùn) 動(dòng) 軌 道半 徑 及 電 離 能 2 2* 2r ohr nm q 運(yùn) 動(dòng) 軌 道 半 徑 ： 4* 4 * * 02 2 2 2 2 2 21 18 8 or o o r o o

19、rm qm q m mE Eh m h m 電 離 能 ： n 施 主 雜 質(zhì) 電 離 能n 受 主 雜 質(zhì) 電 離 能 200*2202 4*8 rnr nD EmmhqmE 200*2202 4*8 rpr pA EmmhqmE 對(duì) 于 Si中 的 P原 子 ， 剩 余 電 子 的 運(yùn) 動(dòng) 半 徑約 為 24.4 ： Si: a=5.4剩 余 電 子 本 質(zhì) 上 是在 晶 體 中 運(yùn) 動(dòng)SiSiSi SiSiSiSi SiSiSi SiSiSiSiP SiSi SiSi SiSiSiSiSi SiSiSi SiSiSiSiSiSi SiSiSi 4.24126.012 22 qmhr oo

20、 12)( Sir * 0.26e om mSi： r=1.17 施 主 能 級(jí) 靠 近 導(dǎo) 帶 底 部 100,16,12 2 rrGerSi * *0 00.26 , 0.12eSi eGem m m m= =對(duì) 于 Si、 Ge摻 PEcEvED * 021eD o rmE Em eVE SiD 025.0, eVE GeD 064.0, 估 算 結(jié) 果 與 實(shí) 測(cè) 值 有相 同 的 數(shù) 量 級(jí) * 021PA o rmE Em 0.04 A SiE eV 對(duì) 于 Si、 Ge摻 B 0.01 A GeE eV EcEvEA EcED電 離 施 主電 離 受 主Ev5. 雜 質(zhì) 的 補(bǔ)

21、償 作 用(1) ND NA半 導(dǎo) 體 中 同 時(shí) 存 在 施 主 和 受 主 雜 質(zhì) ， 施 主 和 受主 之 間 有 互 相 抵 消 的 作 用此 時(shí) 半 導(dǎo) 體 為 n型 半 導(dǎo) 體 有 效 施 主 濃 度 n=ND-NA EA EcEDEAEv電 離 施 主電 離 受 主(2) NDNA時(shí) n= ND-NA ND， 半 導(dǎo) 體 是 n型 的n 當(dāng) NDNA時(shí) p= NA-ND NA， 半 導(dǎo) 體 是 p型 的n 當(dāng) NDNA時(shí)補(bǔ) 償 半 導(dǎo) 體n 有 效 雜 質(zhì) 濃 度補(bǔ) 償 后 半 導(dǎo) 體 中 的 凈 雜 質(zhì) 濃 度 。 6. 深 雜 質(zhì) 能 級(jí)根 據(jù) 雜 質(zhì) 能 級(jí) 在 禁 帶 中

22、的 位 置 ， 雜 質(zhì) 分 為 ：淺 能 級(jí) 雜 質(zhì) 能 級(jí) 接 近 導(dǎo) 帶 底Ec或 價(jià) 帶 頂 Ev， 電 離 能 很 小深 能 級(jí) 雜 質(zhì) 能 級(jí) 遠(yuǎn) 離 導(dǎo) 帶底 Ec或 價(jià) 帶 頂 Ev， 電 離 能 較大 ECEDEVEAEg E CEAEVEDEggD EE gA EE 深 能 級(jí) 雜 質(zhì)n 非 III、 V族 元 素 （ 52頁(yè) 圖 2-8/9）n 特 點(diǎn)多 為 替 位 式 雜 質(zhì)硅 、 鍺 的 禁 帶 中 產(chǎn) 生 的 施 主 能 級(jí) 距 離 導(dǎo) 帶 底 和價(jià) 帶 頂 較 遠(yuǎn) ， 形 成 深 能 級(jí) ， 稱 為 深 能 級(jí) 雜 質(zhì) 。深 能 級(jí) 雜 質(zhì) 能 夠 產(chǎn) 生 多 次

23、電 離 ， 每 次 電 離 均 對(duì)應(yīng) 一 個(gè) 能 級(jí) 。 有 的 雜 質(zhì) 既 能 引 入 施 主 能 級(jí) ， 又能 引 入 受 主 能 級(jí) 。 例 1： Au（ 族 ） 在 Ge中Au在 Ge中 共 有 五 種 可 能 的 狀 態(tài) ： （ 1） Au+； （ 2） Au0 ； （ 3） Au一 ； （ 4） Au二 ； （ 5） Au三 。 在 Ge中 摻 Au 可 產(chǎn) 生 3個(gè) 受 主 能 級(jí) ， 1個(gè) 施 主 能 級(jí)AuGe GeGeGe Au+Au0Au-Au2-Au3- 1. Au失 去 一 個(gè) 電 子 施 主Au EcEvED E D=Ev+0.04 eV EcEvEDEA1Au2.

24、 Au獲 得 一 個(gè) 電 子 受 主 EA1= Ev + 0.15eV 3.Au獲 得 第 二 個(gè) 電 子 EcEvEDEA1Au2 E A2= Ec - 0.2eVEA2 4.Au獲 得 第 三 個(gè) 電 子 EcEvEDEA1 E A3= Ec - 0.04eVEA2EA3Au3 深 能 級(jí) 雜 質(zhì) 特 點(diǎn) ：n 不 容 易 電 離 ， 對(duì) 載 流子 濃 度 影 響 不 大 ；n 一 般 會(huì) 產(chǎn) 生 多 重 能 級(jí) ，甚 至 既 產(chǎn) 生 施 主 能 級(jí)也 產(chǎn) 生 受 主 能 級(jí) 。n 能 起 到 復(fù) 合 中 心 作 用 ，使 少 數(shù) 載 流 子 壽 命 降低 。 EcEvEDEAAu dop

25、ed Silicon0.35eV0. 54eV1.12eV 0.29eV 0.35 2-2 化 合 物 半 導(dǎo) 體 中 的 雜 質(zhì) 能 級(jí) 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體 中 的 雜 質(zhì)理 想 的 GaAs晶 格價(jià) 鍵 結(jié) 構(gòu) ：含 有 離 子 鍵 成 分 的共 價(jià) 鍵 結(jié) 構(gòu) Ga-As Ga GaAsGaAs+GaAs 施 主 雜 質(zhì)替 代 族 元 素受 主 雜 質(zhì)替 代 III族 元 素 兩 性 雜 質(zhì)III、 族 元 素等 電 子 雜 質(zhì) 同 族 原 子 取 代 等 電 子 雜 質(zhì) 等 電 子 雜 質(zhì) 是 與 基 質(zhì) 晶 體 原 子 具 有 同 數(shù) 量?jī)r(jià) 電 子 的 雜 質(zhì) 原 子 替 代

26、 了 同 族 原 子 后 ，基 本 仍 是 電 中 性 的 。 但 是 由 于 共 價(jià) 半 徑 和電 負(fù) 性 不 同 ， 它 們 能 俘 獲 某 種 載 流 子 而 成為 帶 電 中 心 。 帶 電 中 心 稱 為 等 電 子 陷 阱 。例 如 ， N取 代 GaP中 的 P而 成 為 負(fù) 電 中 心電 子 陷 阱 空 穴 陷 阱 等 電 子 陷 阱 俘 獲 一 種 符 號(hào) 的 載 流 子 后 ，又 因 帶 電 中 心 的 庫(kù) 侖 作 用 又 俘 獲 另 一種 帶 電 符 號(hào) 的 載 流 子 ， 形 成 束 縛 激 子 。 兩 性 雜 質(zhì)舉 例 ： GaAs中 摻 Si （ 族 ） Ga： 族

27、 As： 族 Si Ga 施 主 兩 性 雜 質(zhì) Si As 受 主兩 性 雜 質(zhì) ： 在 化 合 物 半 導(dǎo) 體 中 ， 某 種 雜 質(zhì)在 其 中 既 可 以 作 施 主 又 可 以 作 受 主 ， 這種 雜 質(zhì) 稱 為 兩 性 雜 質(zhì) 。 點(diǎn) 缺 陷 ： 空 位 、 間 隙 原 子線 缺 陷 ： 位 錯(cuò)面 缺 陷 ： 層 錯(cuò) 、 晶 界 SiSiSi SiSiSiSiSiSi1、 缺 陷 的 類(lèi) 型 2-4 缺 陷 能 級(jí) 2.元 素 半 導(dǎo) 體 中 的 缺 陷(1) 空 位 SiSiSi SiSiSiSiSi原 子 的 空 位 起 受 主 作 用 。 (2) 填 隙 SiSiSi SiS

28、iSiSiSiSiSi間 隙 原 子 缺 陷 起 施 主 作 用 AsGaAs AsAsAsGaAsGaGa GaAs GaAsGaAs 反 結(jié) 構(gòu) 缺 陷GaAs受 主 AsGa施 主3. GaAs晶 體 中 的 點(diǎn) 缺 陷 空 位 VGa、 VAs VGa受 主 VAs 施 主 間 隙 原 子 GaI、 AsI GaI施 主 AsI受 主 e 4. 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體 的 缺 陷 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體離 子 鍵 結(jié) 構(gòu)負(fù) 離 子 正 離 子+-+-+-+ -+-+- +-+-+ +-+-+-+-+- a.負(fù) 離 子 空 位產(chǎn) 生 正 電 中 心 ， 起 施 主 作 用+-+-

29、+ -+-+- +-+-+ +-+-+-+-+- +-+-+ -+- +-+-+ +-+-+-+-+- 電 負(fù) 性 小 b.正 離 子 填 隙產(chǎn) 生 正 電 中 心 ， 起 施 主 作 用+-+-+ -+-+- +-+-+ +-+-+-+-+- +-+-+ -+- +-+-+ +-+-+-+-+- + 產(chǎn) 生 負(fù) 電 中 心 ， 起 受 主 作 用c.正 離 子 空 位+-+-+ -+-+- +-+-+ +-+-+-+-+- +-+-+ -+- +-+ +-+-+-+-+- 電 負(fù) 性 大 產(chǎn) 生 負(fù) 電 中 心 ， 起 受 主 作 用d.負(fù) 離 子 填 隙+-+-+ -+-+- +-+-+

30、+-+-+-+-+- +-+-+ -+- +-+-+ +-+-+-+-+- - 負(fù) 離 子 空 位 產(chǎn) 生 正 電 中 心 ， 起 施 主 作 用正 離 子 填 隙正 離 子 空 位負(fù) 離 子 填 隙 產(chǎn) 生 負(fù) 電 中 心 ， 起 受 主 作 用 第 二 章 半 導(dǎo) 體 中 的 雜 質(zhì) 和 缺 陷 能 級(jí)1.什 么 叫 淺 能 級(jí) 雜 質(zhì) ？ 它 們 電 離 后 有 何 特 點(diǎn) ？2.什 么 叫 施 主 ？ 什 么 叫 施 主 電 離 ？ 施 主 電 離 前 后有 何 特 征 ？ 試 舉 例 說(shuō) 明 之 ， 并 用 能 帶 圖 表 征 出 n型 半 導(dǎo) 體 。3.什 么 叫 受 主 ？ 什

31、么 叫 受 主 電 離 ？ 受 主 電 離 前 后有 何 特 征 ？ 試 舉 例 說(shuō) 明 之 ， 并 用 能 帶 圖 表 征 出 p型 半 導(dǎo) 體 。4.摻 雜 半 導(dǎo) 體 與 本 征 半 導(dǎo) 體 之 間 有 何 差 異 ？ 試 舉例 說(shuō) 明 摻 雜 對(duì) 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 性 能 的 影 響 。5.兩 性 雜 質(zhì) 和 其 它 雜 質(zhì) 有 何 異 同 ？6.深 能 級(jí) 雜 質(zhì) 和 淺 能 級(jí) 雜 質(zhì) 對(duì) 半 導(dǎo) 體 有 何 影 響 ？7.何 謂 雜 質(zhì) 補(bǔ) 償 ？ 雜 質(zhì) 補(bǔ) 償 的 意 義 何 在 ？ 1、 解 ： 淺 能 級(jí) 雜 質(zhì) 是 指 其 雜 質(zhì) 電 離 能 遠(yuǎn) 小 于 本 征

32、半 導(dǎo) 體 的 禁帶 寬 度 的 雜 質(zhì) 。 它 們 電 離 后 將 成 為 帶 正 電 （ 電 離 施 主 ） 或 帶負(fù) 電 （ 電 離 受 主 ） 的 離 子 ， 并 同 時(shí) 向 導(dǎo) 帶 提 供 電 子 或 向 價(jià) 帶提 供 空 穴 。2、 解 ： 半 導(dǎo) 體 中 摻 入 施 主 雜 質(zhì) 后 ， 施 主 電 離 后 將 成 為 帶 正 電離 子 ， 并 同 時(shí) 向 導(dǎo) 帶 提 供 電 子 ， 這 種 雜 質(zhì) 就 叫 施 主 。 施 主 電 離 成 為 帶 正 電 離 子 （ 中 心 ） 的 過(guò) 程 就 叫 施 主 電 離 。施 主 電 離 前 不 帶 電 ， 電 離 后 帶 正 電 。 例

33、 如 ， 在 Si 中 摻 P， P為 族 元 素 。 本 征 半 導(dǎo) 體 Si 為 族 元 素 ， P摻 入 Si 中 后 ， P的 最 外 層 電 子有 四 個(gè) 與 Si 的 最 外 層 四 個(gè) 電 子 配 對(duì) 成 為 共 價(jià) 電 子 ， 而 P的 第 五個(gè) 外 層 電 子 將 受 到 熱 激 發(fā) 掙 脫 原 子 實(shí) 的 束 縛 進(jìn) 入 導(dǎo) 帶 成 為 自由 電 子 。 這 個(gè) 過(guò) 程 就 是 施 主 電 離 。 3、 解 ： 半 導(dǎo) 體 中 摻 入 受 主 雜 質(zhì) 后 ， 受 主 電 離后 將 成 為 帶 負(fù) 電 的 離 子 ， 并 同 時(shí) 向 價(jià) 帶 提 供空 穴 ， 這 種 雜 質(zhì)

34、就 叫 受 主 。 受 主 電 離 成 為 帶 負(fù) 電 的 離 子 （ 中 心 ） 的過(guò) 程 就 叫 受 主 電 離 。受 主 電 離 前 帶 不 帶 電 ， 電 離 后 帶 負(fù) 電 。例 如 ， 在 Si 中 摻 B， B為 族 元 素 ， 而 本 征 半導(dǎo) 體 Si 為 族 元 素 ， P摻 入 B中 后 ， B的 最 外 層三 個(gè) 電 子 與 Si 的 最 外 層 四 個(gè) 電 子 配 對(duì) 成 為 共價(jià) 電 子 ， 而 B傾 向 于 接 受 一 個(gè) 由 價(jià) 帶 熱 激 發(fā) 的電 子 。 這 個(gè) 過(guò) 程 就 是 受 主 電 離 。 4、 解 ： 在 純 凈 的 半 導(dǎo) 體 中 摻 入 雜 質(zhì)

35、 后 ， 可 以 控 制 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo)電 特 性 。 摻 雜 半 導(dǎo) 體 又 分 為 n型 半 導(dǎo) 體 和 p型 半 導(dǎo) 體 。例 如 ， 在 常 溫 情 況 下 ， 本 征 Si 中 的 電 子 濃 度 和 空 穴 濃 度 均 為1.5x1010cm-3。 當(dāng) 在 Si 中 摻 入 1.0 x1016cm-3 的 P后 ， 半 導(dǎo) 體 中 的 電子 濃 度 將 變 為 1.0 x1016cm-3， 而 空 穴 濃 度 將 近 似 為 2.25x104cm-3。半 導(dǎo) 體 中 的 多 數(shù) 載 流 子 是 電 子 ， 而 少 數(shù) 載 流 子 是 空 穴 。5、 解 ： 兩 性 雜 質(zhì) 是

36、指 在 半 導(dǎo) 體 中 既 可 作 施 主 又 可 作 受 主 的 雜質(zhì) 。 如 - 族 GaAs中 摻 族 Si 如 果 Si 替 位 族 As， 則 Si 為 施主 ； 如 果 Si 替 位 族 Ga， 則 Si 為 受 主 。 所 摻 入 的 雜 質(zhì) 具 體 是 起施 主 還 是 受 主 與 工 藝 有 關(guān) 。6、 解 ： 深 能 級(jí) 雜 質(zhì) 在 半 導(dǎo) 體 中 起 復(fù) 合 中 心 或 陷 阱 的 作 用 。淺 能 級(jí) 雜 質(zhì) 在 半 導(dǎo) 體 中 起 施 主 或 受 主 的 作 用 。7、 當(dāng) 半 導(dǎo) 體 中 既 有 施 主 又 有 受 主 時(shí) ， 施 主 和 受 主 將 先 互 相 抵消 ， 剩 余 的 雜 質(zhì) 最 后 電 離 ， 這 就 是 雜 質(zhì) 補(bǔ) 償 。利 用 雜 質(zhì) 補(bǔ) 償 效 應(yīng) ， 可 以 根 據(jù) 需 要 改 變 半 導(dǎo) 體 中 某 個(gè) 區(qū) 域 的導(dǎo) 電 類(lèi) 型 ， 制 造 各 種 器 件 。 第 二 章 習(xí) 題1. P64 習(xí) 題 72. 設(shè) 計(jì) 一 個(gè) 實(shí) 驗(yàn) ： 首 先 將 一 塊 本 征 半 導(dǎo) 體變 成 N型 半 導(dǎo) 體 ， 然 后 再 設(shè) 法 使 它 變 成 P型 半 導(dǎo) 體 。