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硅、锗晶体中的杂质能级
2023/3/9
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硅、锗晶体中的杂质能级
受主杂质 受主能级
以硅中掺硼B为例：
B原子占据硅原子的位置。磷原子有三个价电子。与周围的四个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子，这就在Si形成了一个空穴。
这时B原子就成为多了一个价电子的磷离子B－，它是一个不能移动的负电中心。
空穴束缚在负电中心B－的周围。空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动。
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硅、锗晶体中的杂质能级
Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。
使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为受主杂质电离能。
受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。
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2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
受主杂质的电离过程，可以用能带图表示
如图2-6所示.当空穴得到能量后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，所以电子被受主杂质束缚时的能量比价带顶
高 。将被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级，记为 ，所以受主能级位于离价带顶很近的禁带中
受主杂质电离能
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硅、锗晶体中的杂质能级
硅、锗晶体中Ⅲ族杂质的电离能
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2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
按杂质向半导体提供载流子的类型分类
n型半导体：以电子导电为主
本征半导体
p型半导体：以空穴导电为主
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2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
4. 浅能级杂质电离能的简单计算
Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗中的ΔEA 、 ΔED都很小，即施主能级ED距导带底EC很近，受主能级EA距价带顶EV很近，这样的杂质能级称为浅能级，相应的杂质就称为浅能级杂质。
如果Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族杂质浓度不太高，在包括室温的相当宽的温度范围内，晶格原子热振动的能量会传递给电子，使杂质几乎全部电离。
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2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
通常情况下半导体中杂质浓度不是特别高，半导体中杂质分布很稀疏，因此不必考虑杂质原子间的相互作用，被杂质原子束缚的电子(空穴)就像单个原子中的电子一样，处在互相分离、能量相等的杂质能级上而不形成杂质能带。
当杂质浓度很高(称为重掺杂)时，杂质能级才会交叠，形成杂质能带。
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2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
类氢模型
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2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
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2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
5. 杂质的补偿作用
如果在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，施主杂质和受主杂质具有相互抵消的作用，称为杂质的补偿作用。
从价键角度理解：
施主周围有多余的价电子，受主周围缺少价电子，施主多余的价电子正好填充受主周围的空缺，使价键饱和，这个时候系统的能量降低，处于稳定状态。
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2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
从能带角度理解：
对于杂质补偿的半导体，若ND>NA：
(a) T=0K
电子按顺序填充能量由低到高的各个能级，由于受主能级EA比施主能级ED低，电子将先填满受主能级EA，然后再填充施主能级ED，因此施主能级上的电子浓度为ND-NA。
(b) 室温
施主能级上的ND-NA个电子就全部被激发到导带，这时导带中的电子浓度n0=ND-NA，为n型半导体。

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