哇材料科学与肢术 有些杂质和陷,或者者的络含物,电可以在禁带中产生能缏特球是全原、9铁币金场杂 质它们約能级位于碰禁带屮部,称为汊佬圾杂质。电∫和空究可以道过这些能级复合使少数载流 子的命降低另外,中氧围右能十能绣有受上能级具体与硅品体的热历史有关,对鞋性能也 有定影响,华导体材料中各种陷也以在禁替中产生能吸,严重的妹将酸坏理想格,两而 虑破坏禁替 1.3.2导电类型 半导体针的共价键性质和能带结构,决定了品体的导电性不同于导体绝体由于存在 电了和空汽两种类型的碳流子,它的种类和数量决定了硅品体的不同导电裂 1本征半导体 它荛完全没有杂质和结构缺陷的半导体,在温度了m时,满带被电子填满,导带完仝是空 的在有限度下,流子来自车征激发即电子了从满装热煮发进人导带,芹在满带中价下空穴 因此,本半导体的电子浓度n与空穴嵘度p相等 式中,E是禁带宽度,m:和回;分为电子和空灾约有效质量可见举导体的载流子浓度成电导 率不仅取央于材料本身的特征(禁带宽度和电了空有效质量大小,面H温度还辕感,这种 导电类梨称大本征导电A.=n称为本征载液子浓度 2非本征半导体 实际半导体材粹总有定数量的杂质,当其中架质所形或的电导超过本征电导时就称为丰本 任导体或杂质半导体,通常使用的都是本征半导体,可以说半导体技界的发在定程度 取决于动导体中杂质和缺陷的控制技不的发 (])中施卡和N型硅单晶 乘表明,导体鞋中檐入傲馓杂驻的温格基本不变,它的能带结构也本上与米能带 结构相同。有两个面要区别壁的南了核个正电荷而5族杂质了核带个正电{,族 杂的离了核带1个工电荷②的每个原了有1个价电子,}、1单子分别为5个和3个价电 f。这两点差別引起能绣充情况的改变,并两葡可以人为泡控制半导体的电性 族元素杂质的5个价电了中1个价电代替原来硅草子1含价电了形暖1个共价键,还多 出·个价电子,初石起米它是自向的,填充在导带1足,考虑离子核皆5个汇电荷 它与4个价电了的负电荷中和后,还多出个电{,形正电中心,这个止电中心来博另个多 余的价电子所以多出约价电了是束到态电了,因此,它约能f导管底下杂质电f的能级可 银简单的近方法术带,考虑到品整制场的影响电子质量用有效质辕出代替.因北,问题 变为其有有镦顶址为m的电了在个正咆荮(e场中的运动它的能然与氯原」能级相 似再考虑到华导体介质影响,若以守带为零点,其能级为 式中,负号表明杂质能比导萦底低,为介电常数,为电子电 当=1时,为基态以E表示 细果位F能级昼态(-1)的电子得到能量,它演可解除束博,到导带能,自起流子作 用所能量称为你质电离能 其中,n一为氢草子电离能以E为带能,则△F=E一E=E
一幸的本性质 从上式可以五出,族余原了为正电中心,当它把原被它束缚约电了释放出米时,变为 对导电有的电子这种止电中心1杂质)称为慈全质中以蓮上身上的举导体称为N半导 体或电千半导体,束练在施丰上約电了能级(E称为葱主能级,它于禁话中在骨底 处,由实轮测哥 对「些近午带底约施主杂,称为浅主杂质由于EE,优在室温 02V)下书束在施主的电子从施主能级氤发到异带上,远比将价替电数发带上容 易同比拉制这类余质原f的数械,也就控骑了我流子的数日由此可以上分敏感地改变半导体的 (21硅申受主P製单品 材于1族杂子{例如哥),它只有三个价电子,两不能将价带满南存在能蟹空苦的状 态,或者说余质草子的电子能组度三个共价键,让缺个电子,因北有空状态,称为“空穴”1族 的了的离了核带3个正电荷{;e,它比址少个正电荷,所以在品格如同有个负电中会 e),剂好把带正电荷的空束住,你为空究,只有将空穴电离解束,才患获得起成流∫作 用的在价带内错顶附近的自由空穴,从电子观点看所谓空六电离实质上是使价带附近状态 的电子跃判束空穴使缓状态1,表现出束空穴诱失同时在价带中形成t自由)空穴,空相 于正电有,瓦,完全类似于主能级样址理,求空穴电离能 其中,为罕汽有效质当-1时、为葉态E空穴电离能为 其中E为包了电病能 空能级某套位十价带顶上面的E处,也氧是说在禁带底部对于1熊这种形就负电中右的 质,由它能接受价中电了向形成志载流作用韵价带(自由)空穴,称为受主杂质其能级称 及受F能级以受下为上的半与体为P卡午体(或字究形半体 对受F能级的杂质,“E,因此,也能明导改变半导体的性能 在般情况下,中跃有隐丰质也有受上杂质由于佬级北受丰能线高菌主能上约 电子首先填允受上徒级,这时,德主头上电荷电,受主得到电f劳负电,这种作用称为补偿,当 Nn空}1时,了填充受主能缓外信能级仍有人量电子,可以联导带成为我谎子,这时 单晶奶为x↑导体,反之,毕N》x时,为P导体,车≈}时,杂原导电的两种类假 此补伫,其电阻半可能很大以全接近参征电牢这种理象称为杂质的高度补偿,这种材料如果单 从电阻半断容钻误认方纯半导体 经过补信际,导体中的净杂质浓度称为有效杂质度当节3÷N,M一N为有效贿 浓度:当、一}时,}:一为h效受}法度 利目杂骚补径作用就能根据需委泪扩撒或离了注入米改复平持体中某区域的电,以 制造各种器 L.3.3载流子浓度 棒朵节导体中载流子浓度随温度的变化从低到高乱轻了电离从,中到电离区,强 、过改区和本任聚发区,以N为例,如图1.28所示、我们特别关心的是强电离区,为在室温是 处厅北,这时移A的王大体都电离了,电离栀上漆度约等下施上杂质浓度A在强电离时,有
哇材料科学与技素 等得费末能级E为 杂浓度 (1.27) 式中,E1为导带底的能量N为导替的布贊状态密 度为耳登受常数,为绝对温度从式(1.2)可 以看出,费米能级E由温度和胞主杂质度决定在5 摻杂浓度下M>Nn,故式中第联是负的,费米 佬缀E位于禁带内 在滥度7·定时,大,E就越闰午带方面 近,在蕴主杂质浓度N。定时温度越高,F鹱捷 本征费米能线E方山苇近如图1.29,在施主杂质全 都电离时电子浓度为 1.28)B1.23N至计中了苏度与温度关系 个酒线 用129贺米能饭与温度和杂团法度的关系 这时载流了度打温度太关载流子浓度保持等】杂质隙度的温度区域称为饱和区, 当E1-E》时蕴主能级上的电了落度可以用下式表示 式中,E为施主杂质能级将式(1.27)代入得 (32 是主会质浓度,是未电离的施卡度,从(1.32)式可知,D定是未电离施它占施丰杂质数 五分比,若施主杂质电离了9%,么D的为10%,由式(1.3)可,D温度杂质浓度和 朵攻电离能都有关系,所以,杂质达到全部电离的度不仅决定十电离德面民和杂质度有关杂 质度越高,达到全都电离的温度孩越高,常所说的室下能缓全部电离,是忽略了杂贾度 这因素当超过呆·杂质维度时就公綢考虑这个因素。例加排磷的N型硅,宰时M2=2.8X t”,△E。-4eV,灯=.2k写,代人式11)磷全部电离的派度上限N1约为3x
章哇的本性 在窠遇下,的本饪载流子度为L5X10y<m2。杂质浓度比它至少大1个数级时,能保 持以杂质电离为上以在室下中磷維度=10~3×10°cn-“葩目内,可认为是以杂质电 离为主,百H处于杂质全事电离的齿和风 当N杂质擦杂浓度很高,以致EE重合线在E之上,也煮是费米能级E,进人了导带 当P型杂质擦杂浓度很高,以致E与H重合或在E之F,也就是责米能缓E进入了纷,这时 将发生载流子的简片化发生泉流子简并化的半导体称为简并半导体,重掺单品是简井十导体,它 是·类重要的材料简井时杂质没有充分电离 .3.4输还性质 现在我们讨论在外加电场积磁场作用下,华导体中电子和空穴运功所引起的几种电荷输函现 1电导 如果在半导体上麓加电场E萤有屯液流过半导体设电流密度为J,对干立方晶格导体,在 弱电场情况下有 -oF 此式是欧划定律,式中为电导是与电场无关的常数,存半导体的格结构不限于克方品格 的情说下,踏定律的改分形式为 就电导半的各向异性钩粒情况百言,电导半比该用条量表示 在弱电扬作泪下,电子和空汽获得的平均速度分别为电了漂移速度=和空穴漂移菌度u+ 与v,2半导体电子密度它穴密度的关系为 式中c是电子电荷的绝对值在病电场情况卜,2和14都正比于E,有 式中分别为电子利空穴的漂移移半,是导体的垂要表让李数在低电场强度下,它们与 电场无关,面是度和浅杂质浓度的雨数有美系式 也常用电阻卒P表华导体的导电能力p-1(,可见p与、,民、有关面在定泪度下,p 又都取决十浅杂质鼋主还是受主其浓度(假设没有补偿)在30K下E的电阻率与浅杂 质浓度的关系见图1.30 这吃宙线是向实骑得来的自然包括了杂质射对迁移辛的影响,并假定没有山家能级杂质 或闰浅能级杂质的明蔓补位丙此适用上卡补偿或轻补偿的材料 轻掺杂(杂质浓度小十1cm》时,家温下杂质可以认为全部电桌,式中载流∫浓度近以地等 于杂度,即≈N,声≈}迁移随杂质浓度的变化也不大因面电团率方杂质溶度成栉单 反比关系,杂质浓度越高电团卡题小,在图上近似为直线 掺杂浓度增高讨,线偏离貞线,要原因有两个,是杂在室温下不能全电离,低重排杂 的简炸半特体中情况为产重;是迁移车随会质袜度的增禹显景下降 利用围1.3可以点便地走行电零与染质浓度的换算例如硅中人日分之韵,N2 ,从图中查出电率到2,,比电霍降低了10方倍反之测 可临图确之所含的杂质浓度,产上靠用这些由线计算掺会以及检美材料的纯度们对高补偿材
材料科学与菠末 誹載誹 W2461 6l21612462461 图1.3t,猜即化单品电率与染度关系曲线(JKP 料,仅仅测暨电率反映不出材料的杂质含址 2载流子迁移 在理慰的同期鼎格中,个载筑子所处的运状态k是不随吋闽面改变的.`实际半导体出格 中总存在些杂质和法箱面品格原都在其衡位置附近作热动导致晶势场能周開 势使戟流了不断从个运功状态跃迁判另个运动状态这过程称力淹f射,例如,在电导 利题中,电场装载子定向运动面数射短h使载流子运功系乱的作用,设电场和盟度都不随 时间及空间位置而变,半导体也是均匀的南f的分函数()满足足态皲抖兹曼方程 fia减 (1.38 式中,(k,)为单位叶同载子由星状态散射到k状态的几半:在定条件下,方程式可化简为 式中f()是热平衡状况下的载流子分函数,r(k)是像时,右 k)1-C0量, 式中太k)为k与之间的夹角,近考虑N学导体的电子导电,在电场,半导体为这方品体 反导电了可以用标蟹有效质量m握述的条件下