高二物理竞赛半导体中杂质和缺陷能级课件 (2).pptx

1、半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级1. 半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级杂质的存在形态杂质的存在形态施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级杂质的补偿作用杂质的补偿作用深能级杂质深能级杂质2.2. 缺陷、位错能级缺陷、位错能级施主杂质与施主能级施主施主(doner)(doner)：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中的P和As施主能级施主能级施主杂质施主杂质受主杂质与受主能级受主受主(acceptor)(acceptor)：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中的B受主能级受主能级受主杂质受主杂质同时存在施主和受主杂质DANNN型半导体N型半导体ADNNP型半导体P型半导体同时存在施主和受主杂质为什么电子能够占据能量较高的能级？ 热激发热激发 费米分布费米分布 晶格热振动 电子热运动 载流子的产生：电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴。（本征激发） 载流子的复合：电子从导带跃迁到价带，同时减少导带电子和价带空穴，并向晶格放出能量。 两个过程动态平衡 载流子产生、复合的热平衡0T 电子和晶格的热平衡 载流子的来源： 本征激发 杂质电离电子由施主能级跃迁到导带电子由价带跃迁到受主能级（产生空穴） 导带、价带、杂质能级上的电子分布都是动态平衡的 在一定温度下，载流子的产生和载流子的复合建立起一动态平衡，这时的载流子称为热平衡载流子热平衡载流子。 半导体的热平衡状态受温度温度影响，某一特定温度对应某一特定的热平衡状态。 半导体的导电性导电性受温度温度影响剧烈。状态密度（态密度）状态密度（态密度）考虑电子对于导带/价带/杂质能级的占据泡利不相容原理：每个量子态最多填充两个电子需要知道可以占据的量子态的数目态密度的概念态密度的概念 能带中能量能带中能量 附近每单位能量间隔内的量子态附近每单位能量间隔内的量子态数。数。 能带中能量为能带中能量为 无限小的能量间隔内无限小的能量间隔内有有 个量子态，则状态密度个量子态，则状态密度 为为( )g EEEdE（）zdE( )dzg EdE态密度的计算态密度的计算 状态密度的计算状态密度的计算 空间单位体积的量子态数空间单位体积的量子态数能量能量 在在 空间中所对空间中所对 应的体积应的体积前两者相乘得状态数前两者相乘得状态数根据定义公式求得态密度根据定义公式求得态密度( )g EEEdE（）kdzk( )dzg EdEk空间中的量子态空间中的量子态 晶格中的波矢：2(0, 1, 2,2(0, 1, 2,2(0, 1, 2,xxxyyyzzznknLnknLnknL ）L为晶体的线度格点即晶体中允许的电子状态k空间中的量子态空间中的量子态 体积为 的立方体中有一个格点 允许的轨道状态密度为 考虑电子自旋简并度，电子的允许量子态密度为 ，每个量子态最多只能容纳一个电子。38/V3/ 8V（）3/ 4V（）