半导体物理第2章-半导体中杂质和缺陷能级课件.ppt

1、第2章 半导体中杂质和缺陷能级2.1硅、锗晶体中的杂质能级n实际晶体与理想晶体的区别q原子并非在格点上固定不动，在平衡位置附近振动q并不纯净，杂质的存在q缺陷n点缺陷（空位，间隙原子）n线缺陷（位错）n面缺陷（层错，晶粒间界）2.1.1替位式杂质、间隙式杂质n替位式杂质:取代晶格原子q杂质原子的大小与晶体原子相似qIII、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质n间隙式杂质:位于晶格原子间隙位置q杂质原子小于晶体原子n杂质浓度：单位体积内的杂质原子数2.1.2施主杂质、施主能级n施主杂质qV族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。n施主电离q施主

2、杂质释放电子的过程。n施主能级q被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能量为ED。nn型半导体q依靠导带电子导电的半导体。本征半导体结构示意图本征半导体：纯净的、不含其它杂质的半导体。本征半导体：纯净的、不含其它杂质的半导体。N型半导体2.1.3受主杂质、受主能级n受主杂质qIII族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。n受主电离q受主杂质释放空穴的过程。n受主能级q被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量为EAnp型半导体q依靠价带空穴导电的半导体。P型半导体杂质半导体的简化表示法 浅能级杂质n电离能小的杂质称

3、为浅能级杂质。n所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。n室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以全部电离。n五价元素磷（P）、砷（As）、锑（Sb）在硅、锗中是浅施主杂质n三价元素硼（B）、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)在硅、锗中为浅受主杂质。n浅能级杂质电离能比禁带宽度小得多，杂质种类对半导体的导电性影响很大。n在N型半导体中，电子浓度大于空穴浓度，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。n在P型半导体中，空穴浓度大于电子浓度，空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子。2.1.4 浅能级杂质电离能简单计算n类氢模型n氢原子中电子能量qn=1,2,3，为主量子数，

4、当n=1和无穷时2220408nhqmEn4012208m qEh 0E2202noh nrm q2012ohrm qr n氢原子基态电子的电离能n考虑到1、正、负电荷处于介电常数=0r的介质中 2、电子不在空间运动，而是处于晶格周期性势场中运动400122013.68m qEEEeVhn施主杂质电离能n受主杂质电离能*4*02222008nnDrrm qm EEhm 200*22024*8rprpAEmmhqmE2.1.5杂质的补偿作用n当NDNA时q ND-NA 为有效施主浓度n当NDNA时q NA-ND为有效受主浓度杂质的补偿作用的应用n利用杂质的补偿作用，根据扩散或离子注入的方利用杂质

5、的补偿作用，根据扩散或离子注入的方法来改变半导体某一区域的导电类型，制成各种法来改变半导体某一区域的导电类型，制成各种器件。器件。n在一块在一块 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为型主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为型半导体。半导体。2.1.6深能级杂质n非III、V族元素在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。n特点q不容易电离，对载流子浓度影响不大q深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。q能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低两性杂质 n两性杂质是指在半

6、导体中既可作施主又可作受主的杂质。n如-族GaAs中掺族Si。n如果Si替位族As，则Si为施主；n如果Si替位族Ga，则Si为受主。n所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。Au()在在Ge中的作用中的作用2262610261014261011 2 2 3 3 34 4445 5 56s sp s p dsp dfs p ds2.3.1点缺陷n热缺陷（由温度决定）q弗伦克耳缺陷n成对出现的间隙原子和空位q肖特基缺陷n只形成空位而没有间隙原子q对于化合物半导体，偏离正常的化学比q化合物半导体中的替位原子2.3缺陷、位错能级n空位易于间隙原子出现因为空位周围有四个不成对电子，所以空位表现出受

7、主作用；每个间隙原子有四个可以失去的电子，所以表现出施主作用。2.3.2位错n锗中的60棱位错q（111）面内位错线10-1和滑移方向1-10之间的夹角是60。q锗中位错具有受主及施主的作用。q晶格畸变00VVEEEcccc00VVEEEvvvv0)(VVEvcg思考题n2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？n2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出n型半导体。n2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出p型半导体。n2-4、掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响。n2-5、两性杂质和其它杂质有何异同？n2-6、深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？n2-7、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？n2-1n解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。n它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离受主）的离子，并同时向导带提供电子或向价带提供空穴。