硅锗晶体中的杂质和缺陷解析课件.ppt

1、杂质半导体杂质半导体杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半导体的性质产生了决定性的作用导体的性质产生了决定性的作用杂质杂质与本体元素不同的其他元素与本体元素不同的其他元素Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmSiSiSiSiSiSiSiPSiLi1.VA族的替位杂质族的替位杂质在硅在硅Si中掺入中掺入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一个正电中心P和一个多余的价电子未电离未电离电离后电离后二、元素半导体的杂质二、元素半导体的杂质电离时，电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电原子能够提供导电电子并形成

2、正电中心，中心，。施主杂质施主杂质 施主能级施主能级被施主杂质束缚的电子被施主杂质束缚的电子的能量比导带底的能量比导带底Ec低，低，称为称为，ED。由于施主杂质少，原子由于施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，间相互作用可以忽略，施主能级是具有相同能施主能级是具有相同能量的孤立能级量的孤立能级ED施主浓度：施主浓度：ND施主电离能施主电离能ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中自由运动的束缚成为晶格中自由运动的 电子（导带中的电子）所需电子（导带中的电子）所需要的能量要的能量ECED ED=ECED施主电离能施主电离能EV-束缚态束缚态离化态离化态+施主杂质的电离能

3、小，施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。在常温下基本上电离。含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子是电子N型半导体，或电子型半导体型半导体，或电子型半导体晶晶体体杂质杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge 0.0126 0.0127 0.0096在在Si中掺入中掺入BB具有得到电子的性质，这类杂质称为具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质受主杂质。受主杂质向价带提供空穴。受主杂质向价带提供空穴。2.A族替位杂质族替位杂质受主杂质受主杂质B获得一个电子变成获得一个电子变成负离子，成为负电中负离子，成为负电中心，周围产生带正电心，

4、周围产生带正电的空穴。的空穴。BBEA受主浓度：受主浓度：NAVAAEEEEcEvEA(2)受主电离能和受主能级受主电离能和受主能级受主电离能受主电离能EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量空穴所需要的能量-束缚态束缚态离化态离化态+受主杂质的电离能小，在受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离常温下基本上为价带电离的电子所占据的电子所占据空穴由空穴由受主能级向价带激发。受主能级向价带激发。含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴是空穴P型半导体，或空穴型半导体型半导体，或空穴型半导体。晶晶体体杂质杂质

5、BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA施主施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如子。如Si中中掺掺的的P 和和As 受主受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向，掺入半导体的杂质原子向半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如子。如Si中掺的中掺的B小结！小结！等电子杂质等电子杂质N型半导体型半导体特征：特征：a 施主杂质电离，导带中施主杂质电离，导带中出现施主

6、提供的导电电子出现施主提供的导电电子b 电子浓度电子浓度n 空穴浓度空穴浓度pP 型半导体型半导体特征：特征：a 受主杂质电离，价带中受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴出现受主提供的导电空穴b空穴浓度空穴浓度p 电子浓度电子浓度n ECEDEVEA-+-+EgN型和型和P型半导体都称为型半导体都称为极性半导体极性半导体P型半导体型半导体价带空穴数由受主决定，半导体价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电子为少子。子为少子。N型半导体型半导体导带电子数由施主决定，半导体导带电子数由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子。电子

7、为导电的载流子主要是电子。电子为多子多子，空，空穴为穴为少子少子。多子多子多数载流子多数载流子少子少子少数载流子少数载流子杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）称为向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发杂质电离或杂质激发。具。具有杂质激发的半导体称为有杂质激发的半导体称为杂质半导体杂质半导体 杂质激发杂质激发3.杂质半导体杂质半导体电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为电子，这种激发称为本征激发本征激发

8、。只有本征激发。只有本征激发的半导体称为的半导体称为本征半导体本征半导体。本征激发本征激发N型和型和P型半导体都是型半导体都是杂质半导体杂质半导体 施主向导带提供的载流子施主向导带提供的载流子=10161017/cm3 本征载流子浓度本征载流子浓度杂质半导体中杂质载流子浓度远高于杂质半导体中杂质载流子浓度远高于本征载流子浓度本征载流子浓度Si的原子浓度为的原子浓度为10221023/cm3掺入掺入P的浓度的浓度/Si原子的浓度原子的浓度=10-6例如：例如：Si 在室温下，本征载流子浓度为在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，上述杂质的特点：上述杂质的特点：施主杂质：施主杂质：受主杂质：

9、受主杂质：浅能级杂质浅能级杂质杂质的双重作用：杂质的双重作用：u 改变半导体的导电性改变半导体的导电性u 决定半导体的导电类型决定半导体的导电类型杂质能级在禁带中的位置杂质能级在禁带中的位置gDEE gAEE EcED电离施主电离施主电离受主电离受主Ev杂质的补偿作用杂质的补偿作用(1)NDNA半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用主之间有互相抵消的作用此时半导体为此时半导体为n型半导体型半导体 有效施主浓度有效施主浓度n=ND-NAEAEcEDEAEv电离施主电离施主电离受主电离受主(2)NDNA此时半导体为此时半导体为p型半导

10、体型半导体 有效受主浓度有效受主浓度p=NA-ND(3)NDNA杂质的高度补偿杂质的高度补偿EcEDEAEv本征激发产生的导本征激发产生的导带电子带电子本征激发产生的价本征激发产生的价带空穴带空穴深杂质能级深杂质能级根据杂质能级在禁带中根据杂质能级在禁带中的位置，杂质分为：的位置，杂质分为：浅能级杂质浅能级杂质能级接近导带底能级接近导带底Ec或价带顶或价带顶Ev，电离能很小电离能很小深能级杂质深能级杂质能级远离导带能级远离导带底底Ec或价带顶或价带顶Ev，电离能较，电离能较大大ECEDEVEAEgECEAEVEDEggDEE gAEE 例：例：在在Ge中掺中掺Au 可产生可产生3个受主能级，个

11、受主能级，1个施主能个施主能级级Au的电子组态是：的电子组态是：5s25p65d106s1AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-多次电离，每一次电离相应地有一个能级既多次电离，每一次电离相应地有一个能级既能引入施主能级又能引入受主能级能引入施主能级又能引入受主能级1.Au失去一个电子失去一个电子施主施主AuEcEvEDED=Ev+0.04 eVEcEvEDEA1Au2.Au获得一个电子获得一个电子受主受主EA1=Ev+0.15eV3.Au获得第二个电子获得第二个电子EcEvEDEA1Au2EA2=Ec-0.2eVEA24.Au获得第三个电子获得第三个电子EcEvEDEA1EA3

12、=Ec-0.04eVEA2EA3Au3EcEvEDEAAu doped Silicon0.35eV0.54eV1.12eV迁移率迁移率所带电量所带电量有效杂质浓度有效杂质浓度1 1电阻率电阻率如果施主杂质占优势，则有：如果施主杂质占优势，则有：n nacceptoracceptordonordonor)e)eN N(N(N1 1迁移率迁移率所带电量所带电量受主杂质浓度)受主杂质浓度)(施主杂质浓度(施主杂质浓度1 1电阻率电阻率如果受主杂质占优势，则有：如果受主杂质占优势，则有：p pdonordonoracceptoracceptor)e)eN N(N(N1 1迁移率迁移率所带电量所带电量施

13、主杂质浓度)施主杂质浓度)(受主杂质浓度(受主杂质浓度1 1电阻率电阻率)(1(1)(1(11 1kgeK00)1(00)1(1dNwAgeuKdNwACmk思考：思考：为什么会是为什么会是 m=C0wA/dN0这一公式？这一公式？而不是而不是 m=wC0阿佛加德罗常数密度摩尔质量单晶质量杂质浓度杂质质量 C0:杂质浓度，每立方米晶体中所含的杂质数目杂质浓度，每立方米晶体中所含的杂质数目 单位：单位：个个cm-3w:单晶质量单晶质量 单位：单位：g A:杂质的摩尔质量杂质的摩尔质量 单位：单位：g mol-1 d:单晶的密度，单晶的密度，单位：单位：g cm-3N0:阿佛加德罗常数，阿佛加德罗

14、常数，单位单位：个个 mol-1gmolgcmgmolgcm13-1-3-个个单晶中杂质浓度锗密度母合金质量锗质量母合金中杂质浓度母合金密度母合金质量C0dMWCmdM)C0(dMW)Cm()d()M(单晶中杂质浓度锗密度母合金质量锗质量母合金中杂质浓度母合金密度母合金质量)C0(dW)Cm()d()M(单晶中杂质浓度锗密度锗质量母合金中杂质浓度锗密度母合金质量)Cm()C0(W)M(母合金中杂质浓度单晶中杂质浓度锗质量母合金质量0CtVRACicLscLsLfAxRACfAEAKdxdCx)()1()1(KCC1sL1KCCsL22 熔体熔体单晶单晶)exp(0tVEACCLL度度)C Cm

15、 m(母母合合金金中中杂杂质质浓浓(熔熔硅硅中中杂杂质质浓浓度度)C CW W硅硅质质量量M M(母母合合金金质质量量)L L0 0如果蒸发效应很小，则掺杂公式为如果蒸发效应很小，则掺杂公式为Cm)C(CW)M(L1L2硅母合金质量母合金质量HFE共发射极直流放大系数：当集电极电压与电流为规定值时，Ic与Ib之比。Charge Coupled Device电荷藕合器件电荷藕合器件，它是一种特殊半导体器件，上面有很多，它是一种特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。在摄像机里是一个极其重一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到要的部

16、件，它起到 将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。的好坏将直接影响到摄像机的性能。微缺陷形成原因微缺陷形成原因1.什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？2.什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出n型半导体。型半导体。3.什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出有

17、何特征？试举例说明之，并用能带图表征出p型半导体。型半导体。4.掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举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。例说明掺杂对半导体的导电性能的影响。5.两性杂质和其它杂质有何异同？两性杂质和其它杂质有何异同？6.深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？7.何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？1、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁、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。它们电离后将成为带正电（电离施主）或带带宽度的杂

18、质。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。提供空穴。2、解：半导体中掺入施主杂质后，施主电离后将成为带正电、解：半导体中掺入施主杂质后，施主电离后将成为带正电离子，并同时向导带提供电子，这种杂质就叫施主。离子，并同时向导带提供电子，这种杂质就叫施主。施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离。施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离。施主电离前不带电，电离后带正电。例如，在施主电离前不带电，电离后带正电。例如，在Si中掺中掺P，P为为族元素。族元素。本征半导体本征半导

19、体Si为为族元素，族元素，P掺入掺入Si中后，中后，P的最外层电子的最外层电子有四个与有四个与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而的最外层四个电子配对成为共价电子，而P的第五的第五个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自由电子。这个过程就是施主电离。由电子。这个过程就是施主电离。3、解：半导体中掺入受主杂质后，受主电离、解：半导体中掺入受主杂质后，受主电离后将成为带负电的离子，并同时向价带提供后将成为带负电的离子，并同时向价带提供空穴，这种杂质就叫受主。空穴，这种杂质就叫受主。受主电离成为带负电的离子（中心）的受主电离成为带负

20、电的离子（中心）的过程就叫受主电离。过程就叫受主电离。受主电离前带不带电，电离后带负电。受主电离前带不带电，电离后带负电。例如，在例如，在Si中掺中掺B，B为为族元素，而本征半族元素，而本征半导体导体Si为为族元素，族元素，P掺入掺入B中后，中后，B的最外层的最外层三个电子与三个电子与Si的最外层四个电子配对成为共的最外层四个电子配对成为共价电子，而价电子，而B倾向于接受一个由价带热激发的倾向于接受一个由价带热激发的电子。这个过程就是受主电离。电子。这个过程就是受主电离。4、解：在纯净的半导体中掺入杂质后，可以控制半导体的导、解：在纯净的半导体中掺入杂质后，可以控制半导体的导电特性。掺杂半导体

21、又分为电特性。掺杂半导体又分为n型半导体和型半导体和p型半导体。型半导体。例如，在常温情况下，本征例如，在常温情况下，本征Si中的电子浓度和空穴浓度均为中的电子浓度和空穴浓度均为1.5x1010cm-3。当在。当在Si中掺入中掺入1.0 x1016cm-3 的的P后，半导体中的电后，半导体中的电子浓度将变为子浓度将变为1.0 x1016cm-3，而空穴浓度将近似为，而空穴浓度将近似为2.25x104cm-3。半导体中的多数载流子是电子，而少数载流子是空穴。半导体中的多数载流子是电子，而少数载流子是空穴。5、解：两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的杂、解：两性杂质是指在半导体中既可作施主

22、又可作受主的杂质。如质。如-族族GaAs中掺中掺族族Si如果如果Si替位替位族族As，则，则Si为施为施主；如果主；如果Si替位替位族族Ga，则，则Si为受主。所掺入的杂质具体是起为受主。所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。施主还是受主与工艺有关。6、解：深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用。、解：深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用。浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用。浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用。7、当半导体中既有施主又有受主时，施主和受主将先互相抵、当半导体中既有施主又有受主时，施主和受主将先互相抵消，剩余的杂质最后电离，这就是杂质补偿。消，剩余的杂质最后电离，这就是杂质补偿。利用杂质补偿效应，可以根据需要改变半导体中某个区域的利用杂质补偿效应，可以根据需要改变半导体中某个区域的导电类型，制造各种器件。导电类型，制造各种器件。