2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体中杂质和缺陷能级

半导体中杂质和缺陷能级2024/5/162半导体中杂质和缺陷能级理想半导体：1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本征激发提供载流子

本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。2024/5/163半导体中杂质和缺陷能级实际材料中1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。2、杂质电离提供载流子。2024/5/164半导体中杂质和缺陷能级2.1硅、锗晶体中的杂质能级2.2Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级2.3缺陷、位错能级2024/5/1652.1硅、锗晶体中的杂质能级1.替位式杂质间隙式杂质一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成是半径为r的圆球，则可以计算出这八个原于占据晶胞空间的百分数如下：说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的8个原子只占有晶胞体积的34%，还有66%是空隙2024/5/1662.1硅、锗晶体中的杂质能级金刚石型晶体结构中的两种空隙如图2-1所示。这些空隙通常称为间隙位置2024/5/1672.1硅、锗晶体中的杂质能级杂质原子进入半导体硅后，以两种方式存在一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质（A）另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，常称为替位式杂质（B）2024/5/1682.1硅、锗晶体中的杂质能级两种杂质特点：间隙式杂质原子一般比较小，如：Li原子，0.068nm替位式杂质1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近2）价电子壳层结构比较相近如：Ⅲ、Ⅴ族元素单位体积中的杂质原子数即杂质浓度来定量描述杂质含量的多少，杂质浓度的单位为1/cm3

。2024/5/1692.1硅、锗晶体中的杂质能级2.施主杂质施主能级以硅中掺磷P为例：磷原子占据硅原子的位置。磷原子有五个价电子。其中四个价电子与周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一个价电子。这个多余的价电子就束缚在正电中心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。2024/5/16102.1硅、锗晶体中的杂质能级Ⅴ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型杂质上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离使个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电离能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。2024/5/16112.1硅、锗晶体中的杂质能级施主杂质的电离过程，可以用能带图表示如图2-4所示.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。将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为，所以施主能级位于离导带底很近的禁带