电子缺陷PPT演示课件

第二章电子缺陷和能级,2.1电子缺陷2.2费米几率分布与费米能级2.3缺陷能级和杂质能级2.4缺陷的缔合,1,2.1电子缺陷,2.1.1晶体中的电子状态2.1.2固体中的能带模型2.1.3固体中的电子缺陷2.1.4电子缺陷运动的两种模型2.1.5各种原子缺陷与电子缺陷的关系,2,2.1.1晶体中的电子状态,原子中的电子在原子核的势场和其它电子的作用下，形成电子壳层，每一壳层对应于确定的能量。这时孤立原子中的电子组态及相应能级都是相同的，成为简并能级。当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有了一定程度的交叠，相邻原子最外壳层交叠最多，内壳层交叠较少。,3,由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原于转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动,注意：各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层间转移。,4,当原子相距很远时，每个能级都有两个态与之相应，是二度简并的当互相靠近时，原子中的电子受本身势场作用和另一个原子势场的作用，每个二度简并的能级都分裂为二个彼此相距很近的能级；两个原子靠得越近，分裂得越厉害。,电子共有化运动使能级分裂为能带,2.1.2固体的能带模型,5,原先自由原子中电子的s能级分裂为和原来能级很接近N个能级，形成一个能带，称为s能带。其中N为组成晶体的原子数。,6,分裂的新能级在一定能量范围内，一般不超过102eV数量级，而晶体原子数目N极大。所以分裂而成的新能级形成一个连续分布的能量带，称能带，也称容许带。在相邻的容许带之间可能出现不容许能级存在的能隙，称为禁带。自由原子中电子能级越高，对应能带越宽。,结论：,7,固体为什么分为导体、绝缘体和半导体呢？能带论解释固体导电的基本观点是：满带电子不导电，而不满带中的电子对导电有贡献。晶体中电子有能量本征值分裂成一系列能带，每个能带均由N个准连续能级组成（N为晶体原胞数），每个能带可容纳2N个电子。晶体电子从最低能级开始填充，被电子填满的能带称作满带，被电子部分填充的能带称为不满带，没有电子填充的能带称为空带。,2.1.3固体中的电子缺陷,8,金属、绝缘体、半导体的能带特征,Eg,Eg,金属,绝缘体,半导体,价带,导带,9,2.1.4电子缺陷运动的两种模型,（1）能带模型（类氢模型）束缚在杂质上的电子或空穴的电离看做类氢原子电离例：磷掺杂硅晶体的缺陷的电离,10,（2）跳跃电子模型NiO中，3d电子波函数重叠很少，共有化程度小，需要一个较大的电离能，比3d带的宽度要大。这种物质的导电过程是通过从一个缺陷原子跳向另一个缺陷原子实现的，叫做跳跃电子模型。电子和空穴在某种程度上受着缺陷的束缚，即局域在缺陷原子的附近。这些电子或空穴的导电过程是由它们从一个缺陷原子跳向另一个缺陷原子而实现的，这种导电机制叫跳跃电子模型。,（3）两种模型的主要区别：外层电子波函数的重叠大小,11,2.1.5原子缺陷与电子缺陷,施主型杂质原子缺陷与电子缺陷,族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质,12,以硅中掺磷P为例：磷原子占据硅原子的位置。一个多余的价电子束缚在正电中心P的周围。价电子只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动，这一过程称为杂质电离。这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子P，它是一个不能移动的正电中心。,13,施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。施主杂质的电离过程：当电子得到能量后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底低。所以施主能级位于离导带底很近的禁带中。,14,2.受主型杂质原子缺陷与电子缺陷,族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。,15,以硅中掺硼B为例：B原子占据硅原子的位置。与周围的四个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子，这就在Si形成了一个空穴。这时B原子就成为多了一个价电子的硼离子B，它是一个不能移动的负电中心。空穴束缚在正电中心B的周围。空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动,16,受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。受主杂质的电离过程：当空穴得到能量后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，所以电子被受主杂质束缚时的能量比价带顶高。所以受主能级位于离价带顶很近的禁带中,17,纯晶体Ge中掺入Li原子于结点间隙位置，形成缺陷Lii，它是一个正电中心，将束缚一个电子。,3.间隙原子与电子缺陷,4.空位与电子缺陷,CdS在真空中加热，少量中性硫原子从晶格上失去，形成硫离子空位Vs，这两个电子很容易被激发到导带中去，形成施主缺陷。如CdS在硫蒸气中加热，则会造成晶体中S含量大于化学计量比，相当于生成一些镉离子空位VCd，这两个空穴可以被激发“下降”到价带中去，形成受主缺陷。,18,5.离子不等价取代与电子缺陷当一种较高（低）价金属离子取代晶体中的正离子时，生成的缺陷相当于一个正（负）价离子上松弛地束缚着一个电子（空位）。,19,2.2费米几率分布与费米能级,2.2.1费米分布函数热平衡时，电子占据能量为E的状态的几率费米统计分布函数是在热平衡状态下，电子在允许的量子态上如何分布的一个统计分布函数。称为费米能级或费米能量，和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。,20,21,将f(E)乘以能量在EE+dE之间的状态数N(E)dE，就得到能量在EE+dE之间的电子平均数dN。这样，系统中电子的总数N就可表示为：由于f(E)中包含费米能，故上式可用来确定系统的,22,费米分布函数的特性当T=0K时：若EEF,f(E)=0在绝对零度时，能量比费米能量小的量子态被电子占据的几率是百分之百；而能量比EF大的量子态，被电子占据的几率是零，因而这些量子态上都没有电子。故在绝对零度时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。,23,当系统的温度高于绝对零度时，如果量子态的能量比费米能级低，则该量子态被电子占据的几率大于百分之五十；若量子态的能量比费米能级高，则该量子态被电子占据的几率小于百分之五十。因此，费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空的一个标志。而当量子态的能量等于费米能级时，则该量子态被电子占据的几率是百分之五十。,当T0K时：若E1/2若E=EF,则f(E)=1/2若EEF,则f(E)p0。,当用适当波长的光照射该半导体，只要光子的能量大于半导体的禁带宽度，那么，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子-空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子n，价带比平衡时多出一部分空穴p，n和p就是非平衡载流子浓度n=p。,28,当半导体的平衡态遭到破坏而存在非平衡载流子时，可以认为，分别就导带和价带中的电子讲，它们各自基本上处于平衡态，而导带和价带之间处于不平衡状态。因而费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然适用，可以分别引入导带费米能级和价带费米能级，它们都是局部的费米能级，称为“准费米能级”。,29,在非平衡状态时，导带和价带的不平衡就表现在它们的准费米能级是不重合的。导带的准费米能级也称为电子的准费米能级，相应地，价带的准费米能级称为空穴准费米能级，分别用EFn和EFp表示。一般在非平衡时，往往总是多数载流子的准费米能级和平衡态的费米能级偏离不多，而少数载流子的准费米能级则偏离较大。电子和空穴的准费米能级偏离的大小反映了半导体偏离热平衡状态的程度。它们偏离越大，说明不平衡情况越显著；两者靠得越近，则说明越接近平衡态，两者重合时，形成统一的费米能级，半导体处于平衡态。因此引入准费米能级，可以形象地了解非平衡态的情况。,30,2.3缺陷能级和杂质能级,2.3.1点缺陷的局域能级由于缺陷的存在破坏了晶体点阵的周期性，点缺陷周围的电子能级不同于正常点阵原子处的能级，因此在晶体的禁带中造成了能量高低不同的各种局域能级。局域能级是指束缚着电子时的缺陷的能量状态，不论是施主还是受主，都是指它带有电子时的状态。,31,2.3.2本征原子缺陷的局域能级,施主缺陷D受主缺陷A,32,2.3.3杂质缺陷的局域能级,（1）KCl晶体中的取代杂质Ag+,即可表现为施主缺陷，给出一个电子，又可表现为受主缺陷，电离出一个空穴，这种缺陷叫做两性缺陷(Amphotericdefects)。,33,（2）ZnS中掺入微量Cu+，生成取代杂质缺陷,34,2.4缺陷的缔合,晶体中存在一定的机会使得两个或更多的缺陷占据相邻的格位，这样它们就可以相互缔合形成缺陷的缔合体。缺陷的缔合主要通过单一缺陷之间的库仑引力实现，另外还有：偶极距作用力、共价键作用力、晶格弹性作用力。,35,例：KCl中的杂质缺陷与本征缺陷之间通过库仑引力相互吸引形成缔合体：q：电子电荷；r：两个缺陷之间的距离；：固体的静介电常数；Z：晶体中距离最近的可以被占据的格位数；f：由于缺陷缔合所引起的振动熵变,36,由于热运动，缔合的缺陷可以以一定的几率分解为单一缺陷，因此在低温以及没有动力学势垒的情况下，容易产生缔合缺陷，温度越高，缔合缺陷的浓度就越低。缔合缺陷的性质不同于组成它的单一缺陷性质的加和，因此，缺陷的缔合体新的缺陷种类。缺陷的缔合体和单一缺陷一样，也可以在禁带中造成局域的电子能级。,37,缺陷的缔合可在多种种类的缺陷之间发生。AgCl中：CdF2Sm3+中：ZnS+Al3+中：Ca4(PO4)2F2中：,38,卤化物晶体中存在着各种缺陷的缔合体，由于这些缺陷的缔合体与晶体的光学性质有着密切的关系，因此被称作色心。NaCl在Na(g)中退火一段时间后，淬火至室温，晶体变为褐色。附着在晶体表面的Na原子放出电子，与缔合：,39,所携带的电子很象类氢原子中的1s电子，可以吸收可见光而激发到2p状态，所以这个缔合缺陷是一种色中心，叫做F中心。F中心的颜色与电子的来源无关，仅与基质晶体相关。证据：在Na或K蒸气中处理KCl晶体，其吸收谱带波长几乎完全相同。,40,碱金属卤化物MX中各类色心,41