8.4 杂质导电性.ppt

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1、8.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论半导体和杂质半导体和杂质 某些杂质和缺陷对半导体的电子性质有强烈影响。例某些杂质和缺陷对半导体的电子性质有强烈影响。例如：将硼以如：将硼以 1/105 的原子比例加入硅中，可使纯硅在室温的原子比例加入硅中，可使纯硅在室温下的电导率增大下的电导率增大 103 倍倍 在化合物半导体中一种组分对化学计量比的欠缺会起在化合物半导体中一种组分对化学计量比的欠缺会起到和杂质一样的作用，这种半导体称为到和杂质一样的作用，这种半导体称为欠缺半导体欠缺半导体 有意识地把杂质加入半导体称为有意识地把杂质加入半导体称为掺杂掺杂1

2、8.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论硅、锗与杂质硅、锗与杂质 锗和硅晶体都是金刚石型结构，每个原子与最近邻锗和硅晶体都是金刚石型结构，每个原子与最近邻4个原子形成四个共价键，化学价为个原子形成四个共价键，化学价为 4。AB五价杂质五价杂质 如果一个五价的杂质原子（例如果一个五价的杂质原子（例如如P,As,Sb）取代原来晶格中的一）取代原来晶格中的一个原子，那么它和最近邻形成四个个原子，那么它和最近邻形成四个共价键后，还有一个多余的价电子，共价键后，还有一个多余的价电子，该电子科用于传导该电子科用于传导 这种能够提供电子的杂质原子这种能够提供电

3、子的杂质原子称为称为施主施主28.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论8.4.1 施主态施主态 电子由施主能级激发到导带比由满带激发容易得多，电子由施主能级激发到导带比由满带激发容易得多，下图中杂质原子已失去电子而带有一正电荷，但晶体仍然下图中杂质原子已失去电子而带有一正电荷，但晶体仍然保持电中性（杂质原子失去的电子仍在晶体内）保持电中性（杂质原子失去的电子仍在晶体内）n 型型半导体半导体38.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论 这个这个额外额外的电子在杂质离子的库伦场中运动的电子在杂质离子的库伦

4、场中运动在共价晶体中，在共价晶体中，e 为介质的介电常量，因子为介质的介电常量，因子 1/e 是考虑了是考虑了介质的电极化后的结果。介质的电极化后的结果。上述讨论成立的条件：上述讨论成立的条件：轨道和原子间距相比很大，电子的运动如此之慢，轨道和原子间距相比很大，电子的运动如此之慢，使得轨道频率和相应于能隙的频率使得轨道频率和相应于能隙的频率 wg 相比非常之低相比非常之低 在在 GeGe 和和 Si Si 内，内，P P、As As 和和 SbSb 的施主电子能很好地满足的施主电子能很好地满足这些条件这些条件48.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论

5、导论 根据波尔的氢原子理论，氢原子的电离能为根据波尔的氢原子理论，氢原子的电离能为在加入多一个价电子的原子的半导体中，杂质原子正电荷在加入多一个价电子的原子的半导体中，杂质原子正电荷正好束缚多余的电子，就如同氢原子一样，因此很容易把正好束缚多余的电子，就如同氢原子一样，因此很容易把波尔理论加以推广波尔理论加以推广 在介电常量为在介电常量为 e 的半导体中，以的半导体中，以 e2/e 代替代替 e2，以有，以有效质量效质量 me 代替代替 m，得到半导体的施主电离能，得到半导体的施主电离能58.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论 氢原子的波尔半径

6、氢原子的波尔半径于是施主的波尔半径为于是施主的波尔半径为传导电子有效质量各向异性，要把杂质态理论应用于锗和传导电子有效质量各向异性，要把杂质态理论应用于锗和硅就显得很复杂。但介电常量对施主能量的影响是最主要硅就显得很复杂。但介电常量对施主能量的影响是最主要的，因为它以二次方出现，而有效质量仅以一次方出现的，因为它以二次方出现，而有效质量仅以一次方出现68.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论 对锗和硅内电子的有效质量分别取近似值对锗和硅内电子的有效质量分别取近似值 采用各向异性的有效质量张量计算表明采用各向异性的有效质量张量计算表明自由氢原子自由

7、氢原子远远小于远远小于78.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论 施主第一波尔半径增加为自由氢原子的施主第一波尔半径增加为自由氢原子的 em/me 倍倍 这两个半径都很大，因此在比较低的杂质浓度下（相这两个半径都很大，因此在比较低的杂质浓度下（相对于基质原子的数目）杂质轨道发生交叠。对于足够强的对于基质原子的数目）杂质轨道发生交叠。对于足够强的轨道交叠，由施主态构成一个所谓的轨道交叠，由施主态构成一个所谓的杂质带杂质带自由氢原子自由氢原子远大于远大于 在半导体的杂质带中，若半导体还存在一定量的在半导体的杂质带中，若半导体还存在一定量的受主受主原子

8、原子，则在较低施主浓度下，通过电子在施主之间的跳跃，则在较低施主浓度下，通过电子在施主之间的跳跃就可建立杂质带的传导过程。这时总有一些施主原子一直就可建立杂质带的传导过程。这时总有一些施主原子一直处于电离态处于电离态88.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论8.4.2 受主态受主态 在锗和硅内也可加入三价杂质原子在锗和硅内也可加入三价杂质原子 (例如例如 B、Al、Ga和和 In)取代原来的原子，这样的杂质称为取代原来的原子，这样的杂质称为受主受主，因为它，因为它们能从价带接受电子以便同近邻原子形成们能从价带接受电子以便同近邻原子形成 4 4 个

9、共价键，个共价键，并在价带中留下空穴并在价带中留下空穴p 型型半导体半导体98.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论Si 内施主与受主的电离能与室温内施主与受主的电离能与室温 kBT(26meV)可以相比拟，因此可以相比拟，因此室温下施主与受主的热电离对硅的电导率很重要室温下施主与受主的热电离对硅的电导率很重要 当一个受主电离时，就会释放出一个空穴，但需要当一个受主电离时，就会释放出一个空穴，但需要输入相应能量。和电子一样，波尔模型也可定性地用于输入相应能量。和电子一样，波尔模型也可定性地用于空穴，但价带顶的简并使有效质量的问题复杂化空穴，但价带

10、顶的简并使有效质量的问题复杂化108.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论 如果施主原子的数目显著大于受主的数目，则施主如果施主原子的数目显著大于受主的数目，则施主的热电离将释放电子进入导带。这时样品的电导率将受的热电离将释放电子进入导带。这时样品的电导率将受电子的控制，这种材料被称为电子的控制，这种材料被称为 n 型型n 型与型与 p 型半导体型半导体 如果受主占主要地位，空穴将释放电子进入价带，如果受主占主要地位，空穴将释放电子进入价带，电导率将受空穴的控制，这种材料被称为电导率将受空穴的控制，这种材料被称为 p 型型 用霍尔电压的测量确定材

11、料是用霍尔电压的测量确定材料是 n 型型还是还是 p 型型是一种是一种粗略的检测方法。另一个方便的实验判别方法是确定粗略的检测方法。另一个方便的实验判别方法是确定温温差电势差电势的符号的符号118.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论8.4.3 施主和受主的热致电离施主和受主的热致电离 电离施主所贡献的传导电子平衡浓度的计算和统计电离施主所贡献的传导电子平衡浓度的计算和统计力学中氢原子热致电离的标准计算完全一样力学中氢原子热致电离的标准计算完全一样 如果不存在受主，低温极限如果不存在受主，低温极限 kBTEd 下的结果为下的结果为 在无施主的情况

12、下，对在无施主的情况下，对受主受主可得到完全一样的结果可得到完全一样的结果Nd：施主浓度：施主浓度128.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论 如果施主与受主浓度可以相比拟，事情会变得相当如果施主与受主浓度可以相比拟，事情会变得相当复杂，这时需要数值求解。但从前面的讨论我们知道，复杂，这时需要数值求解。但从前面的讨论我们知道，在给定温度下在给定温度下 np 为常数为常数 施主的过量会提高电子浓度并降低空穴浓度，总和施主的过量会提高电子浓度并降低空穴浓度，总和 n+p 会增加会增加 如果两个迁移率相等，则电导率随如果两个迁移率相等，则电导率随 n+p 的增加而增加的增加而增加138.4 杂质导电性杂质导电性第第 8 章章 半导体晶体半导体晶体固体固体物理物理导论导论 相应于相应于 np=1020 cm-6 的温度下电导率和空穴浓度的计算值的温度下电导率和空穴浓度的计算值14