
【化】 donor level; donor state
almsgiver; benefactor
【化】 energy level
在半导体物理学中,"施主能级"(英文:Donor Level)是指由掺入半导体中的施主杂质原子在禁带中引入的特定能级。这些杂质原子通过"施予"自由电子参与导电,从而改变半导体的电学性质。以下是详细解释:
施主杂质(Donor Impurity)
指掺入本征半导体(如硅、锗)中的五价元素(如磷P、砷As)。其最外层有5个电子,与周围四价半导体原子(如硅)形成共价键时,会多余1个价电子。该电子受杂质原子核的束缚较弱,在室温下即可电离为自由电子 。
施主能级的位置
施主能级位于半导体禁带内靠近导带底($E_C$)处,能量记为 $E_D$。电离过程可表示为:
$$ D^0 rightarrow D^+ + e^- $$
其中 $D^0$ 为中性施主,$e^-$ 为释放到导带的电子 。
特性 | 施主能级(Donor Level) | 受主能级(Acceptor Level) |
---|---|---|
杂质类型 | 五价元素(P, As) | 三价元素(B, Al) |
能级位置 | 靠近导带底 ($E_C$) | 靠近价带顶 ($E_V$) |
导电贡献 | 提供电子 →n型半导体 | 提供空穴 →p型半导体 |
施主能级的设计是半导体器件的关键技术,例如:
参考资料
施主能级是半导体物理中的重要概念,主要与杂质掺杂相关,具体解释如下:
定义与特性 施主能级指被施主杂质束缚的电子的能量状态。当该能级被电子占据时呈电中性,未被占据时带正电。例如在硅(Si)中掺入磷(P)等五价元素时,磷的价电子形成施主能级,该能级位于禁带中靠近导带底的位置。
物理作用 施主能级的电子只需较小能量(约十几至几十毫电子伏)即可跃迁到导带,成为自由电子导电。这一特性使施主杂质成为n型半导体的主要掺杂来源。
实际应用 在n型半导体中(如掺磷的硅),施主能级电离后释放电子,使材料主要依赖电子导电。施主能级的存在显著降低了半导体的电阻率。
对比受主能级 与受主能级(带负电时被电子占据)相反,施主能级带正电时处于未占据状态。两者分别对应半导体中的电子供体(施主)和空穴供体(受主)。
扩展说明:施主能级的位置直接影响半导体导电类型。例如,砷化镓(GaAs)中的硅杂质作为施主时,其能级位于导带下方约0.006 eV处,极易电离形成电子导电。
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