§4.1 本征半导体与杂质半导体

§4.1本征半导体与杂质半导体载流子——激发到导带中的电子和价带中的空穴一、本征半导体理想的半导体材料—没有杂质、没有缺陷、严格周期排列n=p问题：n=p是否就一定是本征半导体？No——对纯的半导体材料掺入适当的杂质，可以提供载流子——除了与能带对应的电子共有化状态以外，还有一些电子被杂质或者缺陷原子所束缚二、杂质半导体室温硅的本征载流子浓度约为1.5×l016米-3。如果磷含量为百万分之一，即磷原子浓度约为1022米-3数量级，由于室温大约每个磷原子均可提供一个导带电子，掺杂使载流子浓度增加近十万倍。实际的半导体——束缚电子具有确定的能级，杂质能级位于带隙中接近导带的位置——一般温度下，可将杂质束缚的电子激发到导带中——对半导体的导电性能产生大的影响一个IV族元素Ge（4价）被一个V族元素As（5价）取代As原子和近邻的4个Ge原子形成共价键后尚剩余一个电子共价键是一种很强的化学键，束缚在共价键上的电子能量很低——价带中的电子多余一个电子受到As+静电束缚作用相当微弱——位于带隙之中，且非常接近导带底吸收很小的能量，从带隙跃迁到导带中——电子载流子——B原子和近邻的4个Si原子形成共价键尚缺一个电子在价带中形成一个空穴——B原子成为负离子空穴的能量位于带隙之中，且非常接近价带顶附近Si原子价键上的电子不需要增加多少能量便可以容易地来填补B原子周围价键的空缺一个IV族元素Si（4价）被一个III族元素B（3价）所取代一个IV族元素Si（4价）被一个III族元素B（3价）所取代1.施主和受主——掺杂元素对导电不同影响，杂质态可分为两种类型1)施主杂质在带隙中提供带有电子的能级，能级略低于导带底的能量，和价带中的电子相比较，很容易激发到导带中——电子载流子主要含有施主杂质的半导体，依靠施主热激发到导带的电子导电——N型半导体2)受主——杂质提供带隙中空的能级，电子由价带激发到受主能级要比激发到导带容易的多——主要含有受主杂质的半导体，因价带中的一些电子被激发到施主能级，而在价带中产生许多空穴，主要依靠这些空穴导电——P型半导体P型半导体——在IV族(Si，Ge)化合物中掺入III族元素(Al，Ga，In)——在III－V族化合物中掺入II族元素取代III族元素——特点半导体材料中形成空穴杂质能级定义：由于实际的半导体中含有杂质，而这些杂质在禁带中形成的能级，称为杂质能级每个施主杂质引进的杂质能级称为施主能级每个受主杂质引进的杂质能级称为受主能级施主电离能：受主电离能深能级杂质和浅能级杂质深能级杂质：杂质能级靠近禁带中心浅能级杂质：杂质能级靠近导带底或价带顶深能级杂质和缺陷的作用1)可以成为有效复合中心，大大降低载流子的寿命；2)可以成为非辐射复合中心，影响半导体的发光效率；3)可以作为补偿杂质，大大提高半导体材料的电阻率杂质补偿