理想晶體中出現了異類原子，可以替代原有原子，這樣的雜質分為替代雜質和填隙雜質；若這種雜質類似於氫原子，常被稱之為類氫雜質。
基本介紹
- 中文名：類氫雜質
- 外文名：Hydrogenic impurity
- 計算模型：類氫模型
定義,實例,模型計算,
定義
類氫雜質（Hydrogenic impurities）：假定在由n價原子構成的共價鍵晶體中，考慮的點缺陷是一個n+1價的替代雜質原子，這樣，在滿足和周圍最近鄰原子共價鍵之需要外，多出一個電子；同時離子實際上也多了一個正電荷，電子為正電荷所束縛；這種雜質類似與氫原子，常被稱之為類氫雜質。
實例
例如，當矽（Si）中的施主雜質磷（P）原子時，在施主雜質處於舒服態的情況下，這個磷原子將比周圍的矽原子多一個電子電荷的正電中心和一個束縛著的價電子。這種情況，好像在矽晶體中附加了一個“氫原子”，於是可以用氫原子的結果來討論。其上多出的一個價電子受到雜質原子中心的束縛較弱，在晶體中的軌道半徑較大，類似氫原子上的電子，該多出的一個價電子很容易被熱激發而成為自由的載流子（即進入導帶）；這就意味著，這種施主雜質的能級離開導帶底很近（電離能很小），是所謂淺能級。這種施主或者受主雜質就稱為類氫雜質，有時也稱為淺能級雜質。
模型計算
因為氫原子中電子的量子化能量為：
式中，n=1，2，3…，為主量子數。當n=1時，得到的是基態能量，當n=∞時，是氫原子的電離態。則氫原子基態電子的電離能為
對於半導體中的施主或者受主雜質原子，它對其價電子的束縛比較弱，則可以採用類氫模型來近似計算它們的電離能，但是這裡的電子態又與氫原子的有兩點不同：
1)電子處於半導體中，若半導體的介電常數為
，則電子受到正電中心的引力將減弱
倍，束縛能量也將相應地減小
倍;
2)電子在晶格周期性勢場中運動,則電子的質量需用有效質量
來代替
。因此，對於施主雜質，得到電離能為
;對於受主雜質，電離能則為
。
可見，淺能級雜質的電離能與晶體的有效質量成正比、與介電常數成反比。
