潘伟老师材料化学第三章缺陷化学，基本包括了所有的缺陷反应(5)

离，可以用原子间距代替，单位为埃（A）；?为晶体的静态介电常数。?hs通常是可测的。这样就把缺陷缔合的浓度与微观量联系起来了。

从式3-4-2中还可以看出：温度升高使热骚动加剧，从而促进肖脱基缺陷的生成而不利于缺陷缔合；另外，缺陷缔合能为负绝对值较大的，有利于缺陷缔合。缺陷缔合有多种，也不一定是电中性，现举例如下：

1） 向NaCl中加入CaCl2：

CaCl2?NaCl???CaNa?2ClCl?VNa，CaNa?VNa?(CaNa?VNa)x 2） 向CdF2中加入Sm：SmCd?Fi?(SmCd?F')x

这里氟离子虽然是阴离子，但是由于它半径小，容易进入间隙，故形成了Fi。对硼、碳离子等也有此规律。

3） 向ZnS中加入Al3?3????'?'?'?'?'：AlZn?VZn?(AlZn?VZn)'

?''?'这就是一个带电的缺陷缔合。

3.5 电子结构（电子与空穴）

3.5.1 能带结构和电子密度

导体、半导体和绝缘体的电子能带结构如图3-9。

可见导体的价带和导带是有重叠的，在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流，从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。

半导体的价带和导带之间有较窄的能隙，称为禁带，一般禁带宽度Eg?2eV；绝缘体的禁带则较宽，从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg 约3～6 eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。正是由于这种电子结构的差异，才有导电性能的差异。当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带跃

21

迁到上面的空带中的，绝缘体和半导体可能会发生击穿。

图3-9 导体、半导体和绝缘体的的能带结构

由固体物理的知识，半导体中受激的电子浓度ne是与导带中的有效态密度NC、导带底的能级EC、费米能级Ef和温度T等有关的，可用下式表述：

ne?NC?exp(?*EC?EfkT) 式3-5-1

2?mekT3/2*h是普朗克常数；当)其中的NC?2?(，me是电子的有效质量，

h2T?300K 时，硅的NC为2.8?1019/cm3，砷化镓的NC为4.7?1017/cm3。

对于被激发的电子空穴浓度，也有：

np?NVexp(?Ef?EVkT) 式3-5-2

*2?mhkT3/2*)其中价带中空穴的态密度NV?2?(，mh是空穴的有效质量，当2hT?300K 时，求出硅的NV为1.04?1019/cm3，砷化镓的NV为7.0?1018/cm3。对本征

半导体，me?mh。

??3.5.2 掺杂后的点缺陷的局域能级

在本征半导体如Si（Eg?1.09eV）或Ge（Eg?0.71eV）中进行不等价掺杂，形成

22

的点缺陷处在禁带中接近导带底或价带顶的局域能级上，使价电子受激到导带中或使空穴受激到价带中变得容易，大大增加了受激的电子或空穴的数量。

1）Ge中加入VA族的As：由于Ge是VI族元素，外层有四个电子，而As是VA族，外层有五个电子，进入Ge的晶格后，多余的电子成为非局域性的―准自由电子‖，或者可以说：形成的AsGe缺陷的能级距导带底很近，容易受激而使该―准自由电子‖跃迁到导带中，对电导形成贡献。见图3-10

x

图3-10 半导体的N型掺杂

可以用AsGe?ED?AsGe?e' 来描述这一过程，此式中的ED就是AsGe缺陷所处的局域能级距离导带底的能隙，实验测出ED?0.0127也就是说，由于AseV??Eg(Ge)。的掺杂，产生了局域能级，使得电子被激到导带中去变得容易了。类似于AsGe这样能提供―准自由电子‖的缺陷叫―施主缺陷‖，对应的As掺杂Ge是n型半导体。

2）Ge中加入IIIA族的B：B的外层有3个电子，B 进入Ge的晶格后，容易使价带中的电子被激至一距离价带顶很近的局域能级上去，形成BGe缺陷，同时在价带内形成空穴。见图3-11

'xx?x 23

图3-11 半导体的P型掺杂

用Ea表示BGe缺陷所在能级与价带顶的能隙，测出的Ea?0.0104eV??Eg(Ge)。也就是说，由于B的掺入，产生了局域能级，使得空穴被激发到价带中去变得容易了。类似于BGe这样能―吸引‖价带中的电子而在价带中产生空穴的缺陷叫―受主缺陷‖，对应的B掺杂Ge是p型半导体。

类似的例子还有很多，比如：ZnS在真空中加热，会由于S的逸出而在晶体内留下硫空位和准自由电子：Vs?2e'?Vs''，形成的Vs''就是一个施主缺陷；但若ZnS在硫蒸气中加热，就会产生锌空位和空穴：VZn?2h??VZn，或者说VZn提供空穴，自身变成VZn，则VZn就是一个受主缺陷。见图3-12

??''??

图3-12 硫化锌的结构示意图

若将Al3?加入ZnS中，由于是不等价掺杂，情况类似于Ge中加入As：

24

继续进行还有：AlZn?ED'?AlZn?e'，由于ED'?ED，AlZn?ED?AlZn?e'，故第二步难度较大。

若将Ag?加入KCl中，生成AgK缺陷。此缺陷既可以给出电子到导带，也可以―吸引‖价带中的电子从而在价带中形成空穴，故称为―两性缺陷‖（amphoteric defects）。表达式为：

x????AgK?ED(6.4eV)?AgK?e'， AgK?EA(5.6eV)?AgK?h?

有关的趣味知识：

向掺杂的化合物或某些能产生准自由电子的非化学计量化合物（如TiO2）提供光、热等能量时，受激产生的准自由电子或空穴相当于处在电离态，有强氧化性。利用这种性质可制成有自净化和抑菌功能的材料如自净化玻璃等。这种玻璃在光照下会由于准自由电子或空穴的激发而使有机物、油污等不易附着，也叫―光催化效果‖。

x?x'3.6 半导体的光学性质

如果用适当波长的光照射半导体，那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在

价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收。半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：

Ix=I0(1-r)e

式中，I：距离表面x远处的光强；I：入射光强；

x

0

-αx

r：材料表面的反射率；

α：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关； 1.本征吸收

半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。

要发生本征光吸收必须满足能量守恒定律，也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度Eg，即

hν≥Eg （3-6-1）

从而有

ν0≥Eg/h

λ0≤h/Eg=1.24μm·eV/Eg

其中h是普朗克常量，ν是光的频率．C是光速，ν0：材料的频率阈值，λ0：材料的波长阈值，表3-2列出了常见半导体材料的波长阀值。

25

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说教育文库潘伟老师材料化学第三章缺陷化学，基本包括了所有的缺陷反应(5)在线全文阅读。