1、07_02_半導體中的雜質 半導體電子論07_02 半導體中的雜質半導體中的雜質 理想的半導體材料理想的半導體材料 沒有缺陷或沒有雜質沒有缺陷或沒有雜質 對純的半導體材料摻入適當的雜質，可以提供載流子對純的半導體材料摻入適當的雜質，可以提供載流子實際的半導體實際的半導體 除了與能帶對應的電子共有化狀態以外除了與能帶對應的電子共有化狀態以外 還有一些電子被雜質或缺陷原子所束縛還有一些電子被雜質或缺陷原子所束縛載流子載流子 激發到導帶中的電子和價帶中的空穴激發到導帶中的電子和價帶中的空穴01/1907_02_半導體中的雜質 半導體電子論實際的半導體實際的半導體 束縛電子具有確定的能級束縛電子具有確

2、定的能級 雜質能級位于帶隙中接近導帶的位置雜質能級位于帶隙中接近導帶的位置 一般溫度下，雜質束一般溫度下，雜質束 縛電子激發到導帶中縛電子激發到導帶中 對半導體的導電性對半導體的導電性 能產生很大的影響能產生很大的影響07_02_半導體中的雜質 半導體電子論 一個一個IV族元素族元素Ge(4價價)被一個被一個V族元素族元素As(5價價)取代取代As和近鄰的和近鄰的4個個Ge形成共價鍵形成共價鍵 剩余一個電子剩余一個電子共價鍵上的電子能量很低共價鍵上的電子能量很低 價帶中的電子價帶中的電子剩余電子受剩余電子受As+束縛作用微弱束縛作用微弱 位于帶隙，接近導帶底位于帶隙，接近導帶底吸收很小能量從帶

3、隙躍遷吸收很小能量從帶隙躍遷到導帶中到導帶中電子載流子電子載流子 07_02_半導體中的雜質 半導體電子論B和近鄰的和近鄰的4個個Si形成共價鍵形成共價鍵 尚缺一個電子尚缺一個電子 Si價帶中形成空穴價帶中形成空穴 B原子成為負離子原子成為負離子空穴的能量位于帶隙中空穴的能量位于帶隙中 非常接近價帶頂非常接近價帶頂 Si價鍵上電子容易價鍵上電子容易 填補填補B價鍵的空缺價鍵的空缺 一個一個IV族元素族元素Si(4價價)被一個被一個III族元素族元素B(3價價)所取代所取代07_02_半導體中的雜質 半導體電子論 一個一個IV族元素族元素Si被一個被一個III族元素族元素B所取代所取代05/19

4、07_02_半導體中的雜質 半導體電子論1 施主和受主施主和受主 摻雜元素對導電不同影響，雜質態可分為兩種類型摻雜元素對導電不同影響，雜質態可分為兩種類型 1) 施主施主雜質提供帶有電子的能級雜質提供帶有電子的能級 能級略低導帶底能量能級略低導帶底能量 很容易激發到導帶中很容易激發到導帶中 電子載流子電子載流子 N型半導體型半導體07_02_半導體中的雜質 半導體電子論2) 受主受主雜質提供帶隙中空的能級雜質提供帶隙中空的能級 價帶中電子容易激發價帶中電子容易激發 主要含有受主雜質的主要含有受主雜質的 半導體，價帶一些電半導體，價帶一些電 子被激發到施主能級子被激發到施主能級 價帶中產生許多空

5、穴價帶中產生許多空穴 空穴載流子空穴載流子 P型半導體型半導體 07_02_半導體中的雜質 半導體電子論2 類氫雜質能級類氫雜質能級 半導體摻雜形成的施主能級或受主能級的情況較為復雜半導體摻雜形成的施主能級或受主能級的情況較為復雜簡單的一類雜質能級簡單的一類雜質能級 類氫雜質能級類氫雜質能級N型半導體型半導體 在在IIIV族化合物中摻入族化合物中摻入VI族元素取代族元素取代V族元素族元素 特點半導體材料中有多余的電子特點半導體材料中有多余的電子 在在IV族族(Si，Ge)化合物中摻入化合物中摻入V族元素族元素(P，As，Sb)07_02_半導體中的雜質 半導體電子論P 型半導體型半導體 在在I

6、V族族(Si，Ge)化合物中摻入化合物中摻入III族元素族元素(Al，Ga，In) 在在IIIV族化合物中摻入族化合物中摻入II族元素取代族元素取代III族元素族元素 特點半導體材料中形成空穴特點半導體材料中形成空穴類氫雜質能級類氫雜質能級摻入多一個電子或少一個電子的原子摻入多一個電子或少一個電子的原子電子或空穴的運動類似于氫原子中的電子電子或空穴的運動類似于氫原子中的電子07_02_半導體中的雜質 半導體電子論 類氫雜質能級討論和分析類氫雜質能級討論和分析 氫原子中的電子運動氫原子中的電子運動2220( )( )24qrErmr 222041)2()4(nmqEneVmqEi6 .13)2(

7、)4(22040/( )r airCe電子的波動方程電子的波動方程能量本征值能量本征值基態能量基態能量基態波函數基態波函數C 歸一化常數歸一化常數10/1907_02_半導體中的雜質 半導體電子論 類氫施主雜質中電子的波函數類氫施主雜質中電子的波函數 )()()(0rurFrd 導帶底的布洛赫函數導帶底的布洛赫函數)(0ru導帶極值導帶極值 點的波函數點的波函數2220( )( )2*4drqF rE F rmr )(rF滿足方程滿足方程 電子的有效質量，電子的有效質量， r是半導體的相對介電常數是半導體的相對介電常數*m07_02_半導體中的雜質 半導體電子論2220( )( )24qrEr

8、mr 比較氫原子中電子方程比較氫原子中電子方程22*replacereplacermmqq 2220( )( )2*4drqF rE F rmr 07_02_半導體中的雜質 半導體電子論施主的電離能施主的電離能2*1iHirEmEm*1rmm22*110rmm42220*(4)(2)irm qE 4220(4) (2)HimqE 氫原子電子基態能量氫原子電子基態能量22*rmmqq施主態與氫原子中施主態與氫原子中電子的電離能之比電子的電離能之比 施主態的電離能較小施主態的電離能較小半導體半導體07_02_半導體中的雜質 半導體電子論電子電離電子電離 電子擺脫施主束縛能在導帶中運動電子擺脫施主束

9、縛能在導帶中運動42220*(4)(2)irm qE 施主的能量在導帶底施主的能量在導帶底E下面下面 激發到導帶中激發到導帶中帶隙中的電子獲得能量帶隙中的電子獲得能量07_02_半導體中的雜質 半導體電子論電子的基態波函數電子的基態波函數/( )r aF rCe200240.052*raanmm q 2220( )( )24qrErmr 0/( )r airCe22004/amq氫原子中電子氫原子中電子的薛定諤方程的薛定諤方程電子的基態波函數電子的基態波函數施主雜質電子施主雜質電子的薛定諤方程的薛定諤方程2220( )( )2*4drqF rE F rmr 15/1907_02_半導體中的雜質

10、 半導體電子論對于摻入少一個電子的原子構成受主的情況是類似的對于摻入少一個電子的原子構成受主的情況是類似的iE 滿帶中的空穴可以被雜質的負離子所束縛滿帶中的空穴可以被雜質的負離子所束縛一個束縛空穴的受主能級一個束縛空穴的受主能級位于滿帶位于滿帶E上面上面 滿帶中的一個電滿帶中的一個電 子需要吸收能量子需要吸收能量 躍遷到受主能級躍遷到受主能級 留下一自由空穴留下一自由空穴07_02_半導體中的雜質 半導體電子論 以上形成的施主或受主，稱為類氫雜質能級以上形成的施主或受主，稱為類氫雜質能級特點特點 束縛能很小，對于產生電子和空穴特別有效束縛能很小，對于產生電子和空穴特別有效施主或受主能級非常接近

11、導帶或價帶施主或受主能級非常接近導帶或價帶 淺能級雜質淺能級雜質3 深能級雜質深能級雜質摻雜在帶隙中引入較深的能級摻雜在帶隙中引入較深的能級 深能級雜質深能級雜質 摻摻Au的的Si半導體半導體 受主能級：導帶下受主能級：導帶下0.54 eV 施主能級：價帶上施主能級：價帶上0.35 eV07_02_半導體中的雜質 半導體電子論 深能級雜質的多重能級與荷電狀態深能級雜質的多重能級與荷電狀態深能級雜質為多重能級深能級雜質為多重能級 Si中摻雜的中摻雜的Au為兩重能級為兩重能級兩個能級均無電子填充兩個能級均無電子填充 Au原子帶正電原子帶正電2) 受主能級填充一個電子受主能級填充一個電子 施主能級無電子填充時施主能級無電子填充時 Au原子為中性狀態原子為中性狀態3) 受主和施主都有電子填充受主和施主都有電子填充 Au原子帶負電原子帶負電 反映了雜質帶電的情況反