第二章_02载流子模型-掺杂

1、1,本征半导体和本征激发 本征半导体：纯净的、不含任何杂质和缺陷的半导体称为 本征半导体。 本征激发：共价键上的电子激发成为准自由电子，也就是 价带电子激发成为导带电子的过程。 本征激发的特点：成对的产生导带电子和价带空穴。,杂质：半导体中存在的与本体元素不同的 其它元素。,2,实际半导体晶格偏离理想情况,杂质 缺陷 原子在平衡位置附近振动,3,杂质和缺陷,原子的周期性势场受到破坏,在禁带中引入能级,决定半导体的物理和化学性质,4,5,6,7,Si,P ,Li,8,杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏。,9,正电中心,10,P原子中这个多余的电子的运动半径远远大于其余

2、四个电子，所受到的束缚最小，极易摆脱束缚成为自由电子。,施主杂质:,束缚在杂质能级上的电子被激发到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为正电中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。,施主杂质具有提供电子的能力。,掺杂：在半导体里掺入一定的特殊杂质原子，从而增加电子和空穴的浓度,11,导带电子,电离施主 P+,12,对氢原子,氢原子中电子的能量,13,14,设 施主杂质能级为ED,施主杂质的电离能ED：即弱束缚的电子摆脱束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量。,施主的电离能,15,施 主 电 离 能：ED=EC-ED,ED=EC-ED,EC,ED,Eg,EV,16,17,对于Si

3、、Ge掺P,Ec,Ev,施主能级靠近导带底部,ED,18,施主杂质的电离能小， 在常温下基本上电离。,19,价带,导带,20,（1）在 Si 中掺入 B,2.元素半导体中A族替位杂质的能级,B 获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。,21,受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为负电中心（负离子）。这种杂质称为受主杂质。,受主杂质具有得到电子的性质， 向价带提供空穴。,22,23,电离的结果：价带中的空穴数增加了， 这即是掺受主的意义所在。,受主能级 EA,24,受主能级靠近价带顶部,(2)受主电离能和受主能级,25,Si、Ge中 族

4、杂质的电离能EA（eV） 晶体 杂 质 B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011,26,受主能级EA,受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离的电子所占据（空穴由受主能级向价带激发）。,27,杂质电离或杂质激发： 杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）。,本征激发： 电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为。,只有本征激发的半导体称为本征半导体。,所需要的能量称为杂质的电离能。,28,29,掺施主的半导体的导带电子数主要由施主决定，半导

5、体导电的载流子主要是电子（电子数空穴数），对应的半导体称为N型半导体。 称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。,30,掺受主的半导体的价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴（空穴数电子数），对应的半导体称为P型半导体。 空穴为多子，电子为少子。,31,Ec,ED,电离施主,电离受主,Ev,3. 杂质的补偿作用,(1) NDNA,半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用,此时为n型半导体,n=ND-NA,EA,32,Ec,ED,EA,Ev,电离施主,电离受主,(2) NDNA,此时为p型半导体,p=NA- ND,33,(3) NDNA,杂质的

6、高度补偿,Ec,Ev,EA,ED,不能向导带和价 带提供电子和空穴,34,35,(2) 间隙,Si,间隙原子缺陷起施主作用,36,1. 族化合物半导体中的杂质和缺陷,三、 化合物半导体中的杂质和缺陷,37,施主杂质,族元素(Se、S、Te) 在 GaAs 中通常都替代族元素As原子的晶格位置。 族杂质在GaAs中一般起施主作用，为浅施主杂质。,38,受主杂质,族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代族元素 Ga 原子的晶格位置。 族元素杂质在 GaAs 中通常起受主作用，均为浅受主杂质。,39,中性杂质, 族元素（B、Al、In）和族元素（P、Sb）在 GaAs 中通常分别

7、替代 Ga 和 As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数，因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性，对 GaAs 的电学性质没有明显影响。,在禁带中不引入能级,40, 两性杂质,族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs 中的作用比较复杂，可以取代族的 Ga，也可以取代族的 As，甚至可以同时取代两者。 族杂质不仅可以起施主作用和受主作用，还可以起中性杂质作用。,41,在掺 Si 浓度小于 11018 cm-3 时，Si 全部取代 Ga 位而起施主作用，这时掺 Si 浓度和电子浓度一致； 而在掺 Si 浓度大于 1018 cm-3 时，部分 Si 原子开始取代 As 位，出现补偿作用，使电子浓度逐渐偏低。,例如：,42,43,Ec,Ev,ED,44,Ec,Ev,ED,EA1,45,Ec,Ev,ED,EA1,EA2,46,Ec,Ev,ED,EA1,EA2,EA3,47,深能级一般作为复合中心 对载流子和导电类型影响较小,深能级瞬态谱仪测量杂质的深能级,例1、使用能带模型，形象而简要地说明半导体：(1) 电子、空穴、施主、受主 (2) 本征半导体、n型半导体、p型半导体,48,例2、能带模型，砷化镓的价键模型如