1、半 導(dǎo) 體 物 理 學(xué),劉恩科等 國(guó)防工業(yè)出版社,參考書目：,1. 半導(dǎo)體物理學(xué)作者: 李名復(fù)頁(yè)數(shù):376科學(xué)出版社，出版日期:1991年2月第1版(凝聚態(tài)物理學(xué)叢書). 2.半導(dǎo)體物理學(xué)作者:果玉忱頁(yè)數(shù):271國(guó)防工業(yè)出版社，出版日期:1988年12月第1版 3.半導(dǎo)體物理學(xué)（上冊(cè)）作者:葉良修頁(yè)數(shù):511高等教育出版社，出版日期:1987年11月第2版 4.高等學(xué)校教學(xué)參考書 半導(dǎo)體物理學(xué)作者:劉文明頁(yè)數(shù):627吉林科學(xué)技術(shù)出版社,出版日期:1986年第1版 5半導(dǎo)體物理學(xué) 孟憲章,康昌鶴編，吉林大學(xué)出版社, 1993.12 6.半導(dǎo)體物理學(xué)顧祖毅等著，北京 : 電子工業(yè)出版社 1995,

2、簡(jiǎn) 介,普通物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、量子力學(xué) 固體物理學(xué) 半導(dǎo)體物理學(xué) 、 電介質(zhì)物理學(xué),電場(chǎng)的作用：,產(chǎn)生電流,產(chǎn)生電荷感應(yīng),應(yīng)用范圍,半導(dǎo)體器件、IC器件等電荷運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。 半導(dǎo)體材料、陶瓷(半導(dǎo)化)材料的導(dǎo)電機(jī)理。 新型有機(jī)材料及其復(fù)合材料的機(jī)理分析。 各種發(fā)光材料的電荷運(yùn)動(dòng)機(jī)理。,課程概括,單晶材料中的電子狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律 處于熱電平衡時(shí)： 晶體材料的結(jié)構(gòu)與能帶- 第一章 雜質(zhì)和缺陷- 第二章 電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)- 第三章* 運(yùn)動(dòng)規(guī)律- 第四章* 非電學(xué)平衡- 第五章* 器件工作機(jī)理- 第六章,第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài),研究方法：假設(shè)(近似)、理論、驗(yàn)證 已經(jīng)了解：?jiǎn)蝹€(gè)原子的電子結(jié)構(gòu) 不了解：多

3、個(gè)原子排列在一起出現(xiàn)的問(wèn)題。電子 原子、電子 - 電子的相互作用以及原子- 原子排列形成的勢(shì)場(chǎng)等多體問(wèn)題。,簡(jiǎn)單化：忽略電子 - 電子的相互作用，價(jià)電子在平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，原子固定不動(dòng): “單電子近似” 。 (Hi-i, H e-e)分別消除。 研究一個(gè)電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中的狀態(tài)(單電子近似-平均勢(shì)場(chǎng)-能帶論),1.1 半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì),1 金剛石型結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵 許多材料的結(jié)構(gòu)與金剛石相同，故稱之為金剛石型結(jié)構(gòu)。 這些材料的第IV族的 C(碳)、Si(硅)、Ge(鍺)、Sn(錫)，而Si和Ge均是重要的半導(dǎo)體材料。 特點(diǎn)：1.金剛石型結(jié)構(gòu)為兩個(gè)面心立方的套構(gòu)。一個(gè)基元有兩個(gè)原子，相距為對(duì)

4、角線長(zhǎng)度的1/4，n=2。因此，晶格的格波有3n支離子振動(dòng)格波，3個(gè)聲學(xué)波和3n-3個(gè)光學(xué)波。 正四面體：頂角、中心有原子 電子云密度大-共價(jià)鍵-配位數(shù),結(jié) 構(gòu) 分 析,2.任何一個(gè)原子的最近鄰均有4個(gè)原子。例如，離0點(diǎn)對(duì)角線1/4處的原子的最近鄰原子為0點(diǎn)原子和三個(gè)面心原子，它們形成了一個(gè)正四面體。共價(jià)鍵。 3.每個(gè)原子的最外層價(jià)電子為一個(gè)s態(tài)電子和三個(gè)p態(tài)電子。在與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合時(shí)，四個(gè)共用電子對(duì)完全等價(jià)，難以區(qū)分出s與p態(tài)電子，因而人們提出了“雜化軌道”的概念：一個(gè)s和三個(gè)p軌道形成了能量相同的sp3雜化軌道。,原 胞,(a):構(gòu)成了固體物理學(xué)原胞，基矢有兩個(gè)原子。 (b):每個(gè)實(shí)心

5、的原子有四個(gè)相鄰的空心原子(反之成立)，每個(gè)相鄰的連線方向可以形成一個(gè)四面體。故一個(gè)原子成為了四個(gè)四面體的頂角。 (c):結(jié)晶學(xué)原胞,固體物理學(xué)原胞：基于固體物理學(xué)中的基矢平衡構(gòu)成的原胞，體積最小； 結(jié)晶學(xué)原胞：外觀觀測(cè)、對(duì)稱性好，易于分析。 圖1-1： (a)四面體，(b)金剛石型結(jié)構(gòu)，(c)晶胞,金剛石的原子排列,(d)(111)面的堆積，(e)100面的投影 注：表示 100,010,等六個(gè)晶格方向； 110表示(110),(101),等六個(gè)密勒指數(shù)的晶面方向。 (d):取垂直于(c)中對(duì)角線的平面，如一個(gè)頂角最近鄰的三個(gè)頂角，這三個(gè)頂角構(gòu)成了(111)面。該層包含了套構(gòu)的原子，形成了雙

6、原子層的A層。面心立方為ABC層排列。 (e):從上到下分為五層。,需要記憶的參數(shù),晶格常數(shù)：硅 0.543nm, 鍺 0.566nm 密度： 5.00*1022cm-3, 4.42*1022cm-3 共價(jià)半徑： 0.117nm, 0.122nm.,2.閃鋅礦型結(jié)構(gòu)和混合鍵,價(jià)鍵：共價(jià)鍵，有一定成份的“離子鍵”，稱之為：混合鍵 即具有“離子性”-“極性半導(dǎo)體”。 (極性物質(zhì)：正負(fù)電荷中心不重合的物質(zhì)，會(huì)形成“電偶極子”) 如砷化鎵中，砷具有較強(qiáng)的電負(fù)性(得電子能力)。因此，砷(V)相當(dāng)于負(fù)離子，鎵(III)相當(dāng)于正離子。光學(xué)支格波存在。 雙原子層：電偶極層。 IIIV：111方向，III族原子

7、層為111面。 結(jié)論：共價(jià)結(jié)合占優(yōu)勢(shì)的情況下，此類物質(zhì)傾向于構(gòu)成 “閃鋅礦結(jié)構(gòu)”。,在金剛石結(jié)構(gòu)中，若由兩類原子組成，分別占據(jù)兩套面心立方-閃鋅礦結(jié)構(gòu)。 兩類原子：III族(銦,鎵)和V族(磷,砷,銻),3。纖鋅礦型結(jié)構(gòu),六角密堆積結(jié)構(gòu)和面心立方結(jié)構(gòu)具有相似的地方：ABABAB;ABCABC。 兩套面心的套構(gòu)形成了閃鋅礦結(jié)構(gòu)； 兩套六角的套構(gòu)形成了纖鋅礦結(jié)構(gòu)。 每個(gè)原子與最近鄰的四個(gè)原子依然保持 “正四面體”結(jié)構(gòu)。 主要由II和VI族原子構(gòu)成，它們的大小、電負(fù)性差異較大。呈現(xiàn)較強(qiáng)的離子性，如：硫化鋅、硫化鎘等。,1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶,1.原子的能級(jí)和晶體的能帶 原子能級(jí)的簡(jiǎn)并及消失

8、 當(dāng)N個(gè)原子相距很遠(yuǎn)時(shí)，每個(gè)原子的電子殼層完全相同，即電子有相同的能級(jí)，此時(shí)為簡(jiǎn)并的。 當(dāng)N個(gè)原子相互靠近時(shí)，相鄰原子的電子殼層開始交疊，電子不再局限在一個(gè)原子上，通過(guò)交疊的軌道，可以轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上，由此導(dǎo)致電子在整個(gè)晶體上的“共有化”運(yùn)動(dòng)。 另外，由于2個(gè)電子不能有完全相同的能量，交疊的殼層發(fā)生分裂，形成相距很近的能級(jí)帶以容納原來(lái)能量相同的電子。原子相距越近，分裂越厲害，能級(jí)差越大。由此導(dǎo)致簡(jiǎn)并的消失。,內(nèi)殼層的電子，軌道交疊少，共有化運(yùn)動(dòng)弱，可忽略。 外層的價(jià)電子，軌道交疊多，共有化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，能級(jí)分裂大，被視為“準(zhǔn)自由電子”。 原來(lái)簡(jiǎn)并的N個(gè)原子的s能級(jí)，結(jié)合成晶體后分裂為N個(gè)十

9、分靠近的能級(jí)，形成能帶(允帶)，因N值極大，能帶被視為“準(zhǔn)連續(xù)的”。,提問(wèn) 1. 能否用實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證上述準(zhǔn)連續(xù)的能帶？,2. 非晶態(tài)物質(zhì)中是否存在能帶結(jié)構(gòu)？,N個(gè)堿金屬原子的s能級(jí)分裂后形成了N個(gè)準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)，可容納2N個(gè)電子。因此，N個(gè)電子填充為半滿，導(dǎo)電。 N個(gè)堿土金屬的s能級(jí)被2N個(gè)電子填滿，因上下能帶交疊而導(dǎo)電。,金剛石、硅、鍺單個(gè)原子的價(jià)電子為2個(gè)s和2個(gè)p電子；形成晶體后為1個(gè)s電子和3個(gè)p電子；經(jīng)過(guò)軌道雜化后N個(gè)原子形成了復(fù)雜的2N個(gè)低能帶和2N個(gè)高能帶，4N個(gè)電子填充在低能帶，又稱價(jià)帶；而上面的能帶為空帶，又稱導(dǎo)帶。兩者之間為禁帶。,2.半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)和能帶,在晶體中的電子

10、，存在著電子和電子之間的相互作用，也存在電子與離子的相互作用。為了理論計(jì)算的方便，必須作簡(jiǎn)化處理。 單電子近似：忽略電子之間的相互作用，僅考慮離子的周期性勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的影響，同時(shí)認(rèn)為原子核是固定不動(dòng)的。這種近似也叫做“獨(dú)立電子近似”。 電子運(yùn)動(dòng)滿足的規(guī)律：,電子的運(yùn)動(dòng)方程,單電子近似認(rèn)為，電子與原子的作用相當(dāng)于電子在原子的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。周期性的原子排列產(chǎn)生了周期性的勢(shì)場(chǎng)。在一維晶格中，x處的勢(shì)能為：,電子所滿足的波函數(shù)為布洛赫波函數(shù)：,為周期函數(shù)，反映電子在每個(gè)原子附近的運(yùn)動(dòng)情況。,平面波函數(shù)，空間各點(diǎn)出現(xiàn)的幾率相同，共有化。,布里淵區(qū)與能帶,什么是電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由電子波矢k的大小和方

11、向確定，求解 (k)與k的關(guān)系，可以得到電子的能量，如圖1-10.,圖中虛線為自由電子的關(guān)系，實(shí)線為周期勢(shì)場(chǎng)的關(guān)系曲線，在布里淵區(qū)邊界出現(xiàn)了不連續(xù)，形成了允帶和禁帶。允帶出現(xiàn)的條件是：第一布里淵區(qū)出現(xiàn)在中間，第二、第三分別在兩邊。將能量值(k)作布里淵區(qū)整數(shù)倍的平移，總可以將其他布里淵區(qū)的值平移到第一布里淵區(qū)。因倒空間的周期性，這種平移不改變能量的大小。因此，第一布里淵區(qū)有晶體能量的全部信息。常稱此區(qū)域?yàn)楹?jiǎn)約布里淵區(qū)。根據(jù)周期性邊界條件，三個(gè)波矢分量為,1.3 半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng) 有效質(zhì)量,1. 半導(dǎo)體中(k)與k的關(guān)系 起主要作用的是處于能帶頂部和底部的電子。在能帶頂部和底部的電子能量為,能

12、帶頂部的底部的波矢均為k=0，同時(shí)dE/dk=0，其結(jié)果為,能帶頂部和底部電子的有效質(zhì)量分別為負(fù)和正。,半導(dǎo)體中電子的平均速度和加速度,電子含時(shí)間的波函數(shù)為：,電子的平均速度(波包的速度)為：,在能帶極值附近的電子速度為：,電子的加速度為：,其中,有效質(zhì)量的意義,加速度的公式中，外力作用于有效質(zhì)量而不是慣性質(zhì)量。其原因是，電子受的總力為外電場(chǎng)力和內(nèi)部原子的勢(shì)場(chǎng)力。因此，加速度是內(nèi)外場(chǎng)作用的綜合效果。使用有效質(zhì)量可以使問(wèn)題變簡(jiǎn)單：可以不涉及半導(dǎo)體的內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)，而又可以從實(shí)驗(yàn)測(cè)定有效質(zhì)量。 在k=0附近，內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)很弱，接近自由電子，有效質(zhì)量為正。 在布里淵區(qū)邊界，內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的作用很強(qiáng)，大于外場(chǎng)，

13、使有效質(zhì)量呈現(xiàn)負(fù)值。 作業(yè)：P32 習(xí)題1和2。,1.4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) 空穴,機(jī)構(gòu)：指產(chǎn)生機(jī)理的物質(zhì)。 本征半導(dǎo)體中本征的含義：本征方程、本征值， 即本來(lái)的特征，100%純的，無(wú)外來(lái)雜質(zhì)的，“理想的” 材料本身所特有的 材料如何導(dǎo)電？如何分析？用能帶：導(dǎo)帶、價(jià)帶，占滿電子。 只有不滿能帶的電子才能導(dǎo)電。 堿金屬：占半滿價(jià)帶，電子有移動(dòng)的空間。 堿土金屬：占滿價(jià)帶，電子沒(méi)有移動(dòng)空間，但三維布里淵區(qū)不對(duì)稱，導(dǎo)帶與價(jià)帶有交疊，使其導(dǎo)電。 三價(jià)金屬：半滿價(jià)帶，導(dǎo)電。 四價(jià)：非金屬。電子填滿了第二級(jí)允帶-價(jià)滿，其導(dǎo)帶為第三級(jí)允帶。 解釋：電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶底，在外場(chǎng)作用下，導(dǎo)帶電子參與導(dǎo)電；同時(shí)

14、，價(jià)帶不滿的狀態(tài)-空穴也參與了導(dǎo)電,電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶：成為可在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的共有化電子。 在結(jié)構(gòu)上理解為圖1-15：產(chǎn)生了一個(gè)空穴和一個(gè)填隙電子。 對(duì)于空穴：產(chǎn)生了一個(gè)正電荷的空狀態(tài)； 對(duì)于電子：在外電場(chǎng)E作用下，受外力作用，電子的k狀態(tài)不斷變化：,空狀態(tài)的電流：,所有電子的k狀態(tài)均變化相同， 在價(jià)帶頂，,，空穴帶正電，力為qE, m*n0,令mp*=- mn*,表示空穴的 有效質(zhì)量在價(jià)頂為正。,引入 概念，把價(jià)帶中大量電子對(duì)電流的貢獻(xiàn)用少量的空穴表達(dá)。因此，半導(dǎo)體中的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)有兩種：電子和空穴。而金屬只有電子一種。 作業(yè)： P32 1、2,討論,1有效質(zhì)量,為了便于研究，將公式變?yōu)?2外電

15、場(chǎng)對(duì)電子的作用 當(dāng)外電場(chǎng)加在電子上，波矢k隨時(shí)間變化,電子電流為,電子受力加速運(yùn)動(dòng)平均速度為,其中，電子運(yùn)動(dòng)方向和波矢變化方向均與外電場(chǎng)方向相反。見(jiàn)圖,1.5回旋共振,三維的半導(dǎo)體材料，能帶結(jié)構(gòu)顯示為各向異性：沿不同的波矢k的方向，k關(guān)系不同。此關(guān)系可以由回旋共振確定。 1. K空間等能面 三維情況下理想的導(dǎo)帶底能量為,此k空間球形等能面的半徑為,然而，各向異性表現(xiàn)為：1)在不同的k方向，電子的有效質(zhì)量不同； 2)能帶極值不一定位于k=0處，設(shè)位于k0處，導(dǎo)帶底能量為,2. 回旋共振,磁場(chǎng)強(qiáng)度為B作用在速度為v的電子上，磁場(chǎng)力為,電子作回旋運(yùn)動(dòng)，回旋速度和加速度分別為,由此導(dǎo)出的回旋頻率為,外

16、加交變電場(chǎng)，則電子會(huì)吸收電場(chǎng)能量，加快回旋。測(cè)量被吸收的電場(chǎng)能量，可以得到吸收譜： (1) 在回旋頻率有較大的吸收峰 (2) 有幾個(gè)吸收峰就有幾個(gè)有效質(zhì)量。,計(jì)算方法：,取磁場(chǎng)B為任意方向 經(jīng)過(guò)計(jì)算，各向異性的回旋頻率也滿足上式，只是,可以得出結(jié)論：等能面橢球的徑向與B的夾角余弦決定了有效質(zhì)量。,若mx= my =mt，mx =ml 。,分別為B分別在三個(gè)方向的方向余弦。,1.6硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu),1 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu) 回旋共振硅的吸收峰： B沿111晶軸方向，有一個(gè)；沿110晶軸方向，有二個(gè) 沿100晶軸方向，有二個(gè)；沿任意晶軸方向，有三個(gè) 為解釋上述結(jié)果，提出的模型認(rèn)為：導(dǎo)帶底等能面沿100

17、方向，共有六個(gè)，如圖22所示。設(shè)徑向?yàn)閦方向，縱向和橫向有效質(zhì)量分別為,等能面方程為,有效質(zhì)量為,運(yùn)用上述理論分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 1)B沿111方向，六個(gè)方向的夾角余弦只有一個(gè)相同值，有效質(zhì)量 只有一個(gè)取值； 2) B沿110方向，六個(gè)方向的夾角余弦有二個(gè)值0和1/2。有效質(zhì)量有2個(gè)值； 3) B沿100方向，六個(gè)方向的夾角余弦有二個(gè)值0和1。有效質(zhì)量有2個(gè)值； 4)任意方向，六個(gè)方向的夾角余弦有三個(gè)值，有效質(zhì)量有3個(gè)值。 硅的三維等能面見(jiàn)圖24a，鍺和硅的晶格常數(shù)不同，三維等能面也不同。在方向的簡(jiǎn)約布里淵區(qū)的八個(gè)面上，見(jiàn)圖24a。 作業(yè) P33：習(xí)題3 和 4。,第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí),半

18、導(dǎo)體偏離理想的情況：,2)含雜質(zhì)，不純凈,1)在平衡位置附近振動(dòng)，不靜止在格點(diǎn)上,3)存在缺陷(點(diǎn)、線、面),主要討論雜質(zhì)和缺陷：,雜質(zhì)的影響：105個(gè)硅原子中有一個(gè)雜質(zhì)硼原子，室溫電導(dǎo)率增加103個(gè)數(shù)量級(jí)。,缺陷的影響：硅平面器件要求位錯(cuò)密度控制在103cm2以下。,原因1.破壞了周期性勢(shì)場(chǎng)； 2.在禁帶中引入了雜質(zhì)能級(jí)。,2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí),1.替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì) 雜質(zhì)來(lái)源：原料、工藝、人為摻入。,雜質(zhì)存在位置：金剛石晶體中，原子占全部的34%，空隙占66%。 空隙-間隙位置，如金剛石原胞中央的位置T和三個(gè)面心、三個(gè)體心原子的中央H。,存在方式：間隙式雜質(zhì)，間隙原子存在于間隙

19、位置(小原子) 替位式雜質(zhì)，雜質(zhì)原子替換晶體原子(人為摻入)，原子大小相近。,雜質(zhì)含量：用雜質(zhì)濃度表示，單位 cm-3。,2施主雜質(zhì)、施主能級(jí),在純硅中摻入5價(jià)的磷P，磷的5個(gè)價(jià)電子中的4個(gè)形成了共價(jià)鍵，剩余一個(gè)價(jià)電子+多余一個(gè)正電荷中心P+。 價(jià)電子束縛在正電中心P+周圍，此價(jià)電子很容易掙脫束縛，成為導(dǎo)電電子在晶格中運(yùn)動(dòng)，因磷離子為不動(dòng)的正電荷中心，基本不參與導(dǎo)電。這種電子脫離雜質(zhì)束縛的過(guò)程稱為“雜質(zhì)電離”。電子脫離束縛所需要的能量為“雜質(zhì)電離能ED”。 V族雜質(zhì)能夠施放(提供)導(dǎo)帶電子被稱為“施主雜質(zhì)”或n型雜質(zhì)。將施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為“施主能級(jí)”記為ED。施主能級(jí)離導(dǎo)帶底Ec的距離

20、為ED。 結(jié)論：摻磷(5價(jià))，施主，電子導(dǎo)電，n型半導(dǎo)體。,3 受主雜質(zhì) 受主能級(jí),在硅中摻入3價(jià)的硼B(yǎng)，硼原子有3個(gè)價(jià)電子，與周圍四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，缺少一個(gè)電子，必須從周圍獲得一個(gè)電子，成為負(fù)電中心B-。 硼的能級(jí)距價(jià)帶能級(jí)頂部很近，容易得到電子。 負(fù)電中心B-不能移動(dòng)；而價(jià)帶頂?shù)目昭ㄒ子诒恢車娮犹畛?，形成空穴的移?dòng)，即“導(dǎo)電空穴”。 這種能夠接受電子的雜質(zhì)稱之為“受主雜質(zhì)”，或P型雜質(zhì)。 受主雜質(zhì)獲得電子的過(guò)程稱之為“受主電離”； 受主束縛電子的能量狀態(tài)稱之為“受主能級(jí)EA”； 受主能級(jí)比價(jià)帶頂EV高“電離能EA” 。,電離能的大小：,硅中摻磷為0.044，摻硼為0.045(eV)。

21、 鍺中摻磷為0.0126，摻硼為0.01(eV)。 這種電離能很小，雜質(zhì)可以在很低的溫度下電離。故稱之為“淺能級(jí)雜質(zhì)”，在室溫幾乎全部電離。 雜質(zhì)能級(jí)用短線表示，因雜質(zhì)濃度與硅相比很低，雜質(zhì)原子相互之間幾乎無(wú)作用，雜質(zhì)能級(jí)相同，量子的排斥原理對(duì)低濃度的雜質(zhì)摻雜不起作用。,4淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算,使用類氫模型計(jì)算：,E0=13.6eV(氫基態(tài))， m0電子慣性質(zhì)量， r相對(duì)介電常數(shù),5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用,同時(shí)摻入P型和n型兩種雜質(zhì)，它們會(huì)相互抵消。 若NDNA,則為n型半導(dǎo)體，n= ND-NA ； 反之為P型，p= NA-ND。 其凈雜質(zhì)濃度稱之為“有效雜質(zhì)濃度”。 值得注意的是，當(dāng)兩種雜質(zhì)

22、的含量均較高且濃度基本相同時(shí)，材料容易被誤認(rèn)為是“高純半導(dǎo)體”，實(shí)際上，過(guò)多的雜質(zhì)含量會(huì)使半導(dǎo)體的性能變差，不能用于制造器件。,6 深能級(jí)雜質(zhì),重金屬元素?fù)饺氚雽?dǎo)體中會(huì)引入深能級(jí)。,“+”或“-”號(hào)分別表示該能級(jí)是施主或受主能級(jí),一個(gè)深能級(jí)雜質(zhì)能產(chǎn)生多個(gè)雜質(zhì)能級(jí)。如I族的銅、銀、金能產(chǎn)生三個(gè)受主能級(jí)；II族元素鋅、鎘、汞在硅、鍺中各產(chǎn)生兩個(gè)受主能級(jí)。,其原因是什么呢？,金在鍺中的多能級(jí),金 是1價(jià)元素，中性的金有一個(gè)價(jià)電子。在鍺中，金的價(jià)電子若電離躍入導(dǎo)帶，則成為施主。然而，此價(jià)電子被多個(gè)共價(jià)鍵束縛，電離能很大，故為“深施主”。另一方面，金比鍺少三個(gè)電子。鍺的整體結(jié)構(gòu)要求每個(gè)原子為四價(jià)，因此，

23、金有可能接受三個(gè)電子，形成EA1、 EA2、EA3三個(gè)受主能級(jí)。當(dāng)金接受了一個(gè)電子后，成為Au-，再接受一個(gè)電子將受到負(fù)電中心的排斥作用，難度更大。因而受主能級(jí)EA2將更大。 EA3最大，能級(jí)最深，非常靠近導(dǎo)帶。如圖2-10。 含量很少。作用是捕獲電子，即電子陷阱。由于它能夠消除積累的空間電荷，減少電容，故可提高器件速度。,2.2 III V 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí),III-V族化合物是兩種元素1:1構(gòu)成的物質(zhì)。雜質(zhì)進(jìn)入后，可以成為間隙或替位式雜質(zhì)。 當(dāng)III族雜質(zhì)和V族雜質(zhì)摻入III-V族化合物中時(shí)，實(shí)驗(yàn)中測(cè)不到雜質(zhì)的影響，因?yàn)樗鼈儧](méi)有在禁帶中引入能級(jí)。 但有些V族元素的取代會(huì)產(chǎn)生能級(jí)，此能級(jí)為等電子能級(jí)，效應(yīng)稱之為“等電子雜質(zhì)效應(yīng)”：,雜質(zhì)電子與基質(zhì)原子的價(jià)電子數(shù)量相等。替代格點(diǎn)原子后，仍為電中性。但是，原子序數(shù)不同導(dǎo)致了原子的“共價(jià)半徑”和“電負(fù)性”不同，即對(duì)電子的束縛能力不同于格點(diǎn)原子，能俘獲電荷成為帶電中心，形成電子陷阱或正電荷陷阱。,該陷阱俘獲載流子后，又能俘獲相反符號(hào)的電荷，形成“束縛激子”。這種束縛激子在間接帶隙半導(dǎo)體制成了發(fā)光器件中起主要作用。,IV族元素碳、硅、鍺等摻入