2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体浅能级杂质

半导体浅能级杂质 1.轻度掺杂 ①施主杂质 ●施主原子的能级低于本征半导体的导带底，施主原子经热电离，填充在导带中, 成为带正电中心,可束缚电子. 电子可以在晶体中运动. ●施主通常由被取代原子所在族的右边取代原子形成，如N或P取代Ge或Si, Si取代GaAs中Ga，Cl取代ZnSe中Se，Ga或In取代Zn等等.另外，施主也可由有一个弱束缚电子的填隙原子形成，如II-VI化合物中H,Li或Na. ● n型半导体：主要靠电子带电. ●施主电离能 Ⅳ族在Ge 和Si中 与室温下 可比,因此, 室温下施主杂 质绝大部分是电离的. ②受主杂质 ●受主杂质：能够从价带接受电子，自身成为负离子的杂质. h填充在价带中,可以在晶体中运动. 成为带负电中心,可束缚空穴. ●受主通常由被取代原子所在族的左边取代原子形成，如Ga或B 取代Ge或Si, 由如Li或Na 取代II-VI化合物中阳离子， N取代阴离子， GaAs 中Si取代As，而Be取代Ga. ●受主电离能 Ⅲ族原子在Ge 和Si中 ● p型半导体：主要靠空穴带电. 与室温下 可比,因此, 室温下受主杂质 绝大部分是电离的.掺入少量受主杂质可 使空穴浓度大大增加. ③浅能级杂质 ●带电中心形成附加（短程）势场,有可能 ●类氢模型 使载流使子束缚在杂质或缺陷周围,产生局域态,其能级位于能隙中. 严格理论可以证明：只要晶体中附加势场变化足够缓慢,导带中电子在该势场中的运动就可以由有效质量加以描述.电子围绕正电中心的运动与围绕氢原子核的运动完全相似,只是库仑势场的作用大大 Ge Si 削弱, 束缚能为 其中 为氢原子里德堡能量， 为主量子数，ε为介电常数. 对于轨道半径 范围从1至20nm,取决于材料参数. 归结为有效质量的利用.另外, 形成施主或受主原子的化学性质也会产生影响，这称为中心晶胞修正，或化学移动. 随着浅施主或受主的轨道半径减小， ●类似于声子局域模,浅施主或受主的波函数可以描述为布洛赫波函数的叠加， 取值范围增大. ●热平衡条件下，施主或受主的占有率由费米统计决定， 其中 描述能级的简并度，例如电离施 主基态对应电子自旋相反两个状态. ④施主或受主对:一对施主或受主在空间非常接近，它们的波函数重叠. 施主或受主对不但存在于体材料中，也存在于量子结构中, 但是情况要复杂些. 例如电子对施主束缚能取决于施主相对势垒材料界面的位置. ⑤与(M)QW有关的两种掺杂方法： δ掺杂是在外延生长过程中掺入二维杂质原子层，生长方向的浓度几乎是δ函数截面. 调制掺杂： 在(M)QW势垒中掺入杂质原子. 电子（空 $$