《无机材料物理性能》第五章 导电性能（5.5）半导体材料的电导

55半导体材料的电导 551半导体中的缺陷能级 实际晶体的缺陷: 原子在其平衡位置附近振动 材料含有杂质 存在点缺陷 极微量的杂质和缺陷,对材料的物理性能、化学 性能产生决定性的影响 杂质和缺陷的存在禁带中引入允许电子存在单位的 状态

5.5.1 半导体中的缺陷能级 实际晶体的缺陷： 原子在其平衡位置附近振动 材料含有杂质 存在点缺陷 极微量的杂质和缺陷，对材料的物理性能、化学 性能产生决定性的影响。 杂质和缺陷的存在禁带中引入允许电子存在单位的 状态。 5.5 半导体材料的电导

1.硅晶体中杂质能级s③⑤③S s⑧s③⑧s s⑧s③⑧ (1)施主杂质施主能级⑧⑤s●⑤ s⑧s③⑧s ●替位式杂质 间隙式杂质 多余价电子 p正电中心磷离子

Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si - 替位式杂质 间隙式杂质 多余价电子 P+ 正电中心磷离子 1. 硅晶体中杂质能级 （1） 施主杂质 施主能级

杂质电离:正电中心磷离子对多余价电子的束缚比共 价键作用弱得多,这种电子仅需很少的能量成为导电 电子,在晶格中自由运动,这一过程称为杂质电离 杂质电离能:弱束缚电子成为导电电子所需的能量。 杂质电离能举例: 硅中的磷:0.044; 硅中的砷:0.049 用能带图表示施主杂质的电离: oO Ec E D E g Ey

杂质电离：正电中心磷离子对多余价电子的束缚比共 价键作用弱得多，这种电子仅需很少的能量成为导电 电子，在晶格中自由运动，这一过程称为杂质电离。 杂质电离能：弱束缚电子成为导电电子所需的能量。 杂质电离能举例： 硅中的磷： 0.044； 硅中的砷： 0.049 用能带图表示施主杂质的电离： — — — — — — — — + + + Eg Ec Ev ED ED

(2)受主杂质受主能级 B Ec ③◎E △E OOOLV

（2） 受主杂质 受主能级 Si Si B￾Si + — — — — — —- —- —- Eg Ec Ev EA EA

2.氧化物中缺陷能级 杂质缺陷 不同于被取代离子价态的杂质 组分缺陷 引起非计量配比的化合物: 还原气氛引起氧空位; 阳离子空位; 间隙离子

2. 氧化物中缺陷能级 杂质缺陷 不同于被取代离子价态的杂质 组分缺陷 引起非计量配比的化合物： 还原气氛引起氧空位； 阳离子空位； 间隙离子

(1)价控半导体陶瓷杂质能级的形成 1)价控半导体陶瓷: 用不同于晶格离子价态的杂质取代晶格离子,形成 局部能级,使绝缘体实现半导化而成为导电陶瓷。 2)杂质离子需满足的条件 杂质离子应具有和被取代离子几乎相同的尺寸;杂 质离子本身有固定的价态 例如 BaTio3的半导化通过添加微量的稀土元素,在其禁 带间形成杂质能级,实现半导化。添加La的 Batio3原料在空气中烧成

（1） 价控半导体陶瓷杂质能级的形成 例如： BaTiO3的半导化通过添加微量的稀土元素，在其禁 带间形成杂质能级，实现半导化。添加 La的 BaTiO3原料在空气中烧成, 用不同于晶格离子价态的杂质取代晶格离子，形成 局部能级，使绝缘体实现半导化而成为导电陶瓷。 杂质离子应具有和被取代离子几乎相同的尺寸；杂 质离子本身有固定的价态。 1）价控半导体陶瓷： 2）杂质离子需满足的条件

反应式如下: Baztti402-3+xLa3+=Ba2++Ti4 xTi+02-3+xBa2+ 缺陷反应: La2O3=LaB2+2e+20。+O2l/2(g) 添加Nb实现 Batio3的半导化,反应式如下: BaztTi4+02-3+yNb5+=Ba2+[Nb5+,Ti+12vTi3* J02 3+yBa2+ 缺陷反应:Nb2O5=2Lami+2e+40+O21/2(g) 氧化镍中加入氧化锂,空气中烧结, 反应式如下: X/2Li20+(1-x)NiO+X/402=(Li, Ni2+12x Ni2+)02 缺陷反应:L2O+O212(g)=2LN1+2h+20

反应式如下: Ba2+Ti 4+O2- 3+xLa3+=Ba2+ 1-xLa3+ x (Ti 4+ 1-xTi3+ x )O2- 3+xBa2+ 缺陷反应： La2O3 =LaBa ·+2e´ +2Oo × +O21/2(g) 添加 Nb实现BaTiO3的半导化，反应式如下： Ba2+Ti 4+O2- 3+yNb5+=Ba2+[Nb5+ y (Ti4+ 1-2yTi3+ y )]O2- 3+yBa2+ 缺陷反应： Nb2O5 =2LaTi ·+2e´ +4Oo × +O21/2(g) 氧化镍中加入氧化锂，空气中烧结， 反应式如下： X/2Li2O+(1-x)NiO+x/4O2=(Li+ xNi2+ 1-2xNi2+ x )O2- 缺陷反应： Li2O +O21/2(g)=2LiNi ´ +2h ·+2Oo ×

3)杂质能带 Ec D B E D 弱束缚电1g 子和自由 电子 Ey 价电子 Ec ●2LiNi 、9 2h o。Ev

— — — — — —- —- —- Eg Ec Ev EA EA - 价电子 2LiNi ´ 2h · 3）杂质能带 — — — — — — — — + + + Eg Ec Ev ED + La ED Ba · 弱束缚电 子和自由 电子

(2)组分缺陷 1)阳离子空位及缺陷能级 化学计量配比的化合物分子式:MO 有阳离子空位的氧化物分子式:M1、O 形成非化学计量配比的化合物的原因:由温度和气氛 引起。 平衡状态,缺陷反应如下:O21/2(g)=VM1×+20 VuX=VMth VMth 出现此类缺陷的阳离子往往具有正二价和正三价

化学计量配比的化合物分子式： MO 有阳离子空位的氧化物分子式： M 1-xO 形成非化学计量配比的化合物的原因：由温度和气氛 引起。 平衡状态，缺陷反应如下： O21/2(g)=VM ×+2Oo × VM × = VM ´ + h · VM ´ = VM ´´ + h · 出现此类缺陷的阳离子往往具有正二价和正三价。 （2） 组分缺陷 1）阳离子空位及缺陷能级

阳离子空位形成的缺陷能级 受主能级

阳离子空位形成的缺陷能级 受主能级 — — — VM × — — — VM ´ VM ´´