半導(dǎo)體物理第一章.2

1、實際半導(dǎo)體晶格偏離理想情況實際半導(dǎo)體晶格偏離理想情況雜質(zhì)雜質(zhì)缺陷缺陷原子在平衡位置附近振動原子在平衡位置附近振動雜質(zhì)和缺陷雜質(zhì)和缺陷原子的周期性勢場受到破壞原子的周期性勢場受到破壞在禁帶中引入能級在禁帶中引入能級決定半導(dǎo)體的物理和化學(xué)性質(zhì)決定半導(dǎo)體的物理和化學(xué)性質(zhì)缺陷缺陷點缺陷，如空位、間隙原子等線缺陷，如位錯等面缺陷，如層錯、晶粒間界等=Si = Si = Si = =Si = P+ = Si = =Si = Si = Si = SiP Li = Si = Si = Si = = Si Si = = Si = Si = Si = A B A B B A A A A B A B 化合物半導(dǎo)體:

2、 A、B 兩種原子組成 B A= Si = Si = Si = = Si = P+ = Si = = Si = Si = Si = 正電中心正電中心氫原子中的電子的運動軌道半徑為： 222nqmhrooHSi 中受正電中心 P+束縛的電子的運動軌道半徑： Aqmhroo6514 . 0122212)(Sir22*2( )r Sioehrnmq0*1 . 0 mme SiP對于對于Si中的中的P原子，原子，剩余電子的運動剩余電子的運動半徑：半徑：r 65 Si的晶格常數(shù)為的晶格常數(shù)為 5.4對于Ge中的P原子，r 85 P原子中這個多余的電子的運動半徑遠(yuǎn)原子中這個多余的電子的運動半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余

3、四個電子，所受到的束縛遠(yuǎn)大于其余四個電子，所受到的束縛最小，極易擺脫束縛成為自由電子。最小，極易擺脫束縛成為自由電子。施主雜質(zhì)施主雜質(zhì):施主雜質(zhì)具有提供電子的能力。施主雜質(zhì)具有提供電子的能力。對氫原子對氫原子氫原子中電子的能量氫原子中電子的能量2220408nhqmEneV6 .138224hqmEooH氫原子中的電子的電離能為： 1EEE電子從穩(wěn)定的基態(tài)到電離態(tài)所需要的能量就是電子的電離能E： 設(shè)設(shè) 施主雜質(zhì)能級為施主雜質(zhì)能級為ED施主雜質(zhì)的電離能施主雜質(zhì)的電離能ED：即弱束縛的電子即弱束縛的電子擺脫束縛成為晶格中自由運動的電子（導(dǎo)擺脫束縛成為晶格中自由運動的電子（導(dǎo)帶中的電子）所需要的能量

4、。帶中的電子）所需要的能量。 施主的電離能施主的電離能ECEDEgEVDCHrerereDEEEmmhqmmmhqmE20*2204020*22024*1818對于Si、Ge摻P*000.26,0.12eSieGemmmm=100,16,122rrGerSiEcEv施主能級靠近導(dǎo)帶底部施主能級靠近導(dǎo)帶底部EDDCDEEEeVeVGeD,SD,064. 0,04. 0EEi施主雜質(zhì)的電離能小，施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。在常溫下基本上電離。價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶（1）在）在 Si 中摻入中摻入 B2.元素半導(dǎo)體中元素半導(dǎo)體中A族替位雜質(zhì)的能級族替位雜質(zhì)的能級B 獲得一個電子獲得一個電子變成

5、負(fù)離子，成變成負(fù)離子，成為為負(fù)電中心負(fù)電中心，周，周圍產(chǎn)生帶正電的圍產(chǎn)生帶正電的空穴?？昭?。BB受主雜質(zhì)具有得到電子的性質(zhì)，受主雜質(zhì)具有得到電子的性質(zhì)，向價帶提供空穴。向價帶提供空穴。電離的結(jié)果：電離的結(jié)果：價帶中的空穴數(shù)增加了， 這即是摻受主的意義摻受主的意義所在。 HroPAEmmE2*1VAAEEEEcEvEA受主能級靠近價帶頂部受主能級靠近價帶頂部(2)受主電離能和受主能級受主電離能和受主能級oPmm1 . 005. 0*受主能級受主能級EA受主雜質(zhì)的電離能受主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本小，在常溫下基本上為價帶電離的電上為價帶電離的電子所占據(jù)（空穴由子所占據(jù)（空穴由受主能級向價帶激受

6、主能級向價帶激發(fā)）。發(fā)）。雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)：雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)： 雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向?qū)У能S遷的過程（電子從施主能級向?qū)У能S遷或空穴從受主能級向價帶的躍遷）?；蚩昭◤氖苤髂芗壪騼r帶的躍遷）。本征激發(fā)：本征激發(fā)： 電子從價帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為電子從價帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電子，這種激發(fā)稱為導(dǎo)帶的自由電子，這種激發(fā)稱為。只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱為只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。所需要的能量稱為所需要的能量稱為雜質(zhì)的電離能雜質(zhì)的電離能。P 的濃度/Si 原子的濃度=10-6 Si 的原子濃度為 102210

7、23/cm3 摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要由施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)是電子（電子數(shù)空穴數(shù)），對應(yīng)的半空穴數(shù)），對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。稱稱電子為多數(shù)載流子電子為多數(shù)載流子，簡稱，簡稱多子多子，空穴空穴為少數(shù)載流子為少數(shù)載流子，簡稱，簡稱少子少子。 摻受主的半導(dǎo)體的價帶空穴數(shù)摻受主的半導(dǎo)體的價帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)主要是空穴（空穴數(shù)電子數(shù)），電子數(shù)），對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體?？昭槎嘧?，電子為少子。

8、空穴為多子，電子為少子。 EcED電離施主電離受主Ev3. 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用(1) NDNA半導(dǎo)體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，半導(dǎo)體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，施主和受主之間有互相抵消的作用施主和受主之間有互相抵消的作用此時為此時為n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 n=ND-NAEAEcEDEAEv電離施主電離受主(2) NDNA此時為此時為p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 p=NA- ND(3) NDNA雜質(zhì)的高度補(bǔ)償雜質(zhì)的高度補(bǔ)償不能向?qū)Ш蛢r不能向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴帶提供電子和空穴4 4. .元元素素半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中的的缺缺陷陷 ( (1 1) )空空位位 = Si = Si = Si = = Si

9、Si = = Si = Si = Si = (2) 間隙間隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子缺陷起施主作用間隙原子缺陷起施主作用 ( (1 1) )雜雜質(zhì)質(zhì) = G a- = A s+ = G a- = = A s+ = G a- = A s+ = = G a- = A s+ = G a- = 1. 族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷三、三、 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 族元素族元素(Se、S、Te) 在在 GaAs 中通常中通常都替代都替代族元素族元素As原子的晶格位置。原子的晶格位置。族雜質(zhì)在族雜質(zhì)在GaAs

10、中一般起施主作用，中一般起施主作用，為為淺施主雜質(zhì)淺施主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 族元素（族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在在GaAs中通常都取代中通常都取代族元素族元素 Ga 原子的晶格位置。原子的晶格位置。族元素雜質(zhì)在族元素雜質(zhì)在 GaAs 中通常起受中通常起受主作用，均為主作用，均為淺受主雜質(zhì)淺受主雜質(zhì)。中性雜質(zhì)中性雜質(zhì) 族元素（族元素（B、Al、In）和）和族元族元素（素（P、Sb）在）在 GaAs 中通常分別中通常分別替代替代 Ga 和和 As，由于雜質(zhì)在晶格位，由于雜質(zhì)在晶格位置上并不改變原有的價電子數(shù)，因置上并不改變原有的價電子數(shù)，因此既不給出電子也不俘獲電子而呈此既不給出電

11、子也不俘獲電子而呈電中性，對電中性，對 GaAs 的電學(xué)性質(zhì)沒有的電學(xué)性質(zhì)沒有明顯影響。明顯影響。在禁帶中不引入能級在禁帶中不引入能級 兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì) 族元素雜質(zhì)（族元素雜質(zhì)（Si、Ge、Sn、Pb）在）在GaAs 中的作用比較復(fù)雜，可以取代中的作用比較復(fù)雜，可以取代族族的的 Ga，也可以取代，也可以取代族的族的 As，甚至可以，甚至可以同時取代兩者。同時取代兩者。族雜質(zhì)不僅可以起施主作用和受主作用，族雜質(zhì)不僅可以起施主作用和受主作用，還可以起還可以起中性雜質(zhì)中性雜質(zhì)作用。作用。在摻在摻 Si 濃度小于濃度小于 11018 cm-3 時，時，Si 全部全部取代取代 Ga 位而起施主作用，這時

12、摻位而起施主作用，這時摻 Si 濃度濃度和電子濃度一致；和電子濃度一致；而在摻而在摻 Si 濃度大于濃度大于 1018 cm-3 時，部分時，部分 Si 原子開始取代原子開始取代 As 位，出現(xiàn)補(bǔ)償作用，使位，出現(xiàn)補(bǔ)償作用，使電子濃度逐漸偏低。電子濃度逐漸偏低。例如：例如：（2）GaAs 晶體中的點缺陷晶體中的點缺陷當(dāng)當(dāng) T 0 K 時：時： 空位空位 VGa、VAs 間隙原子間隙原子 GaI、AsI 反結(jié)構(gòu)缺陷反結(jié)構(gòu)缺陷 Ga原子占據(jù)原子占據(jù) As 空位，或空位，或 As 原子占據(jù)原子占據(jù) Ga 空空 位，記為位，記為 GaAs和和 AsGa。 化合物晶體中的各類點缺陷可以電離，化合物晶體中

13、的各類點缺陷可以電離，釋放出電子或空穴，從而影響材料的釋放出電子或空穴，從而影響材料的電學(xué)性質(zhì)。電學(xué)性質(zhì)。 當(dāng) Ga 的位置被 As 取代后，多出一個電子，相當(dāng)于施主； 實際晶體中，由于各種缺陷形成時所需實際晶體中，由于各種缺陷形成時所需要的能量不同，他們濃度會有很大差別。要的能量不同，他們濃度會有很大差別。 GaAs 曾認(rèn)為曾認(rèn)為VAs、VGa是比較重要的。是比較重要的。最近發(fā)現(xiàn)，主要缺陷是最近發(fā)現(xiàn)，主要缺陷是VAs、AsI。 VGa、VAs、AsI 是起施主還是起受主作用，是起施主還是起受主作用，尚有分歧。尚有分歧。較多的人則采用較多的人則采用 VAs、AsI 為施主、為施主、VGa 是受

14、主的觀點來解釋各種實驗結(jié)果。是受主的觀點來解釋各種實驗結(jié)果。2.2.族化合物半導(dǎo)體的雜族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)和缺陷質(zhì)和缺陷 （2）- 族化合物半導(dǎo)體中的缺陷族化合物半導(dǎo)體中的缺陷主要是離子鍵起作用，正負(fù)離子相間排主要是離子鍵起作用，正負(fù)離子相間排列組成了非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以外界雜列組成了非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以外界雜質(zhì)對它們性能的影響不顯著。質(zhì)對它們性能的影響不顯著。其導(dǎo)電類型主要是由它們自身結(jié)構(gòu)的缺其導(dǎo)電類型主要是由它們自身結(jié)構(gòu)的缺陷（間隙離子或空格點）所決定，這類陷（間隙離子或空格點）所決定，這類缺陷在半導(dǎo)體中常起施主或受主作用。缺陷在半導(dǎo)體中常起施主或受主作用。 -負(fù)離子 +正離子-+-+-+

15、-+-+-+-+-+-+-+a.負(fù)離負(fù)離子空位子空位產(chǎn)產(chǎn)生生正正電電中中心，心，起起施施主主作作用用電負(fù)性小b.正離正離子填隙子填隙產(chǎn)產(chǎn)生生正正電電中中心，心，起起施施主主作作用用c.正離正離子空位子空位產(chǎn)產(chǎn)生生負(fù)負(fù)電電中中心，心，起起受受主主作作用用電負(fù)性大d.負(fù)離負(fù)離子填隙子填隙產(chǎn)產(chǎn)生生負(fù)負(fù)電電中中心，心，起起受受主主作作用用負(fù)離子空位負(fù)離子空位產(chǎn)生正電中心，起施主作用產(chǎn)生正電中心，起施主作用正離子填隙正離子填隙正離子空位正離子空位負(fù)離子填隙負(fù)離子填隙產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用 Ge Ge Au Ge Ge EcEvEDEcEvEDEA1EcEvEDEA1EA2EA3 深能級一般作為復(fù)合中心深能級一般作為復(fù)合中心 對載流子和