第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級課件

2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級2.3氮化鎵的雜質(zhì)能級2.4缺陷和位錯(cuò)的能級第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級12.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.1.1替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)Si和Ge都具有金鋼石結(jié)構(gòu)，一個(gè)原胞含有8個(gè)原子。原胞內(nèi)8個(gè)原子的體積與立方原胞體積之比為34%，原胞內(nèi)存在66%的空隙。金鋼石晶體結(jié)構(gòu)中的四面體間隙位置金鋼石晶體結(jié)構(gòu)中的六角形間隙位置2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.1.1替位式雜質(zhì)間隙2雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅后，只可能以兩種方式存在。一種方式是雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，常稱為間隙式雜質(zhì)；間隙式雜質(zhì)原子一般較小，如離子鋰（Li+）。另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格格點(diǎn)處，常稱為替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)原子通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結(jié)構(gòu)也相似。用單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)，也就是雜質(zhì)濃度來定量描述雜質(zhì)含量多少，雜質(zhì)濃度的單位為1/cm3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅后，只可能以兩種方式存在。另一種方式是雜3

施主摻雜（摻磷）2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級SiP+SiSiSiSiSiSiSi-

磷替代硅，其效果是形成一個(gè)正電中心P+和一個(gè)多余的價(jià)電子。這個(gè)多余的價(jià)電子就束縛在正電中心P+的周圍（弱束縛）。施主摻雜（摻磷）2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級Si4+4+4+5+4多余價(jià)電子磷原子Ⅴ族元素有5個(gè)價(jià)電子，其中的四個(gè)價(jià)電子與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，還剩余一個(gè)電子，同時(shí)Ⅴ族原子所在處也多余一個(gè)正電荷，稱為正離子中心，所以，一個(gè)Ⅴ族原子取代一個(gè)硅原子，其效果是形成一個(gè)正電中心和一個(gè)多余的電子。電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過程稱為雜質(zhì)電離。+4+4+5+4多余磷原子Ⅴ族元素有5個(gè)價(jià)電子，其中的四個(gè)價(jià)5多余的電子束縛在正電中心，但這種束縛很弱很小的能量就可使電子擺脫束縛，成為在晶格中導(dǎo)電的自由電子，而Ⅴ族原子形成一個(gè)不能移動(dòng)的正電中心。硅、鍺中的Ⅴ族雜質(zhì)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱為施主雜質(zhì)或N型雜質(zhì)，摻有N型雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫N型半導(dǎo)體。施主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，電離后成為正電中心。多余的電子束縛在正電中心，但這種束縛很弱6帶有分立的施主能級的能帶圖施主能級電離能帶圖帶有分立的施主能級的能帶圖施主能級電離能帶圖7被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED。施主能級位于離導(dǎo)帶低很近的禁帶中雜質(zhì)原子間的相互作用可忽略，某一種雜質(zhì)的施主能級是一些具有相同能量的孤立能級。表2-1硅、鍺晶體中Ⅴ族雜質(zhì)的電離能(eV)被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED。表2-1硅82.1.3受主雜質(zhì)受主能級

受主摻雜（摻硼）SiB-SiSiSiSiSiSiSi+

硼原子接受一個(gè)電子后，成為帶負(fù)電的硼離子，稱為負(fù)電中心（B-）。帶負(fù)電的硼離子和帶正電的空穴間有靜電引力作用，這個(gè)空穴受到硼離子的束縛，在硼離子附近運(yùn)動(dòng)。2.1.3受主雜質(zhì)受主能級受主摻雜（摻硼）Si9空穴B-+4+4+3+4Ⅲ族元素占據(jù)了硅原子的位置：Ⅲ族元素有3個(gè)價(jià)電子，它與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，還缺少一個(gè)電子，于是在硅晶體的共價(jià)鍵中產(chǎn)生了一個(gè)空穴，而Ⅲ族原子接受一個(gè)電子后所在處形成一個(gè)負(fù)離子中心，所以，一個(gè)Ⅲ族原子取代一個(gè)硅原子，其效果是形成一個(gè)負(fù)電中心和一個(gè)空穴空穴B-+4+4+3+4Ⅲ族元素占據(jù)了硅原子的位置：Ⅲ族元10空穴束縛在Ⅲ族原子附近，但這種束縛很弱很小的能量就可使空穴擺脫束縛，成為在晶格中自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電空穴，而Ⅲ族原子形成一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)電中心。硅、鍺中的Ⅲ族雜質(zhì)，能夠接受電子而在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，并形成負(fù)電中心的雜質(zhì)，稱為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)，摻有P型雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫P型半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，電離后成為負(fù)電中心?？昭ㄊ`在Ⅲ族原子附近，但這種束縛很弱11受主能級電離能帶圖帶有分立的受主能級的能帶圖受主能級電離能帶圖帶有分立的受主能級的能帶圖12被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級EA。施主能級位于離價(jià)帶頂很近的禁帶中雜質(zhì)原子間的相互作用可忽略，某一種雜質(zhì)的受主能級是一些具有相同能量的孤立能級。表2-2硅、鍺晶體中III族雜質(zhì)的電離能(eV)被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級EA。表2-2硅13施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的B總結(jié)施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)14總結(jié)

總結(jié)

152.1.4淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算采用類氫原子模型估算施主和受主雜質(zhì)的電離能氫原子中電子的能量：n=1時(shí),基態(tài)電子能量n=時(shí)，氫原子電離E=0氫原子的電離能2.1.4淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算n=1時(shí),基態(tài)電子能量16晶體內(nèi)雜質(zhì)原子束縛的電子：

m0mn*,mp*;0r0

施主雜質(zhì)的電離能：

Si:Ge:受主雜質(zhì)的電離能晶體內(nèi)雜質(zhì)原子束縛的電子：受主雜質(zhì)的電離能17氫原子半徑：施主雜質(zhì)半徑：基態(tài)下（n=1），氫原子的軌道半徑：作業(yè)：第二章習(xí)題7第二章習(xí)題8兩題都加上第三小問③請畫出雜質(zhì)能級的能帶圖基態(tài)下（n=1），氫原子的軌道半徑：作業(yè)：182.1.5雜質(zhì)的補(bǔ)償作用當(dāng)半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體是n型還是p型呢？在半導(dǎo)體中，若同時(shí)存在著施主和受主雜質(zhì)，施受主雜質(zhì)之間有互相抵消的作用，通常稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。ND>>NANA>>NDNA~ND~2.1.5雜質(zhì)的補(bǔ)償作用ND>>NANA>>NDNA~ND191、當(dāng)ND>>NA因?yàn)槭苤髂芗壍陀谑┲髂芗?，所以施主雜質(zhì)的電子首先躍遷到NA個(gè)受主能級上，還有ND-NA個(gè)電子在施主能級上，雜質(zhì)全部電離時(shí)，躍遷到導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子的濃度為n=ND-NA。即則有效施主濃度為NAeff≈ND-NAECEVEDEA1、當(dāng)ND>>NA因?yàn)槭苤髂芗壍陀谑┲髂芗?，所以施主雜質(zhì)的202、當(dāng)NA>>ND

施主能級上的全部電子躍遷到受主能級上，受主能級上還有NA-ND個(gè)空穴，它們可接受價(jià)帶上的NA-ND個(gè)電子，在價(jià)帶中形成的空穴濃度p=NA-ND.即有效受主濃度為NAeff≈NA-NDECEVEDEA2、當(dāng)NA>>NDECEVEDEA213、當(dāng)NAND時(shí)，不能向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴，稱為雜質(zhì)的高度補(bǔ)償.

這種材料容易被誤認(rèn)高純半導(dǎo)體，實(shí)際上含雜質(zhì)很多，性能很差，不能用采制造半導(dǎo)體器件.3、當(dāng)NAND時(shí)，22雜質(zhì)補(bǔ)償作用是制造各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)

如能根據(jù)需要用擴(kuò)散或離子注人方法來改變半導(dǎo)體中某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以制成各種器件.

晶體管制造過程中的雜質(zhì)補(bǔ)償n型Si外延層PN硼磷NN雜質(zhì)補(bǔ)償作用是制造各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)晶體管制造過程232.1.6深能級雜質(zhì)

在半導(dǎo)體硅、鍺中，除Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在禁帶中形成淺能級外，其它各族元素?fù)饺牍?、鍺中也會(huì)在禁帶中產(chǎn)生能級2.1.6深能級雜質(zhì)24特點(diǎn)：1、施主雜質(zhì)能級距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)，受主雜質(zhì)能級距離價(jià)帶頂較遠(yuǎn)，這種能級稱為深能級，相應(yīng)的雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)。2、深能級雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離，每次電離對應(yīng)有一個(gè)能級。有的雜質(zhì)既能引入施主能級，又能引入受主能級。特點(diǎn)：25第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級課件26第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級課件27金在鍺中產(chǎn)生的能級金在鍺中產(chǎn)生4個(gè)能級，ED是施主能級，EA1、EA2和EA3是受主能級。中性金原子只有一個(gè)價(jià)電子，它取代鍺原子后，金的這一價(jià)電子可以電離躍遷到導(dǎo)帶，形成施主能級ED。它也可以從價(jià)帶接受3個(gè)電子，形成三個(gè)受主能級。金有5種荷電狀態(tài)，Au+,Au0,Au-,Au--,Au---ECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在鍺中的能級金在鍺中產(chǎn)生的能級ECEVEDEA1EiEA2EA30.0428

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級

1、Ⅱ族元素為受主雜質(zhì)鈹、鎂、鋅、鎘取代Ⅲ族原子而處于晶格格點(diǎn)上，引入淺受主能級晶體雜質(zhì)鈹鎂鋅鎘GaAs0.0300.0300.0240.021GaP0.0560.0540.0640.009GaAs、GaP晶體中受主雜質(zhì)的電離能

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級

1、Ⅱ族元素為受主292.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級GaAs電子濃度和硅雜質(zhì)濃度的關(guān)系2、Ⅳ族雜質(zhì)在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是兩性摻雜劑

Ⅳ族元素取代Ⅲ族原子則起施主作用；

Ⅳ族元素取代Ⅴ族原子則起受主作用。

導(dǎo)帶中電子濃度隨硅雜質(zhì)濃度的增加而增加，當(dāng)硅雜質(zhì)濃度增加到一定程度時(shí)趨于飽和。硅先取代Ga原子起施主作用，隨著硅濃度的增加，硅取代As原子起受主作用。2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級GaAs電子濃度和硅雜302.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級

3、Ⅵ族元素取代Ⅴ族原子，引入施主能級

Ⅵ族元素氧、硫、硒、碲比Ⅴ族元素多一個(gè)價(jià)電子而且容易失去，所以表現(xiàn)為施主雜質(zhì)。晶體雜質(zhì)硫硒碲GaAs0.0060.0060.03GaP0.1040.1020.0895GaAs、GaP晶體中受主雜質(zhì)的電離能（eV)2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級

3、Ⅵ族元素取代Ⅴ族312.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級4、摻過渡族元素，制備高電阻率的半絕緣GaAs5、Ⅲ族的B、Al取代Ga,Ⅴ族的P，銻取代As既不是施主也不是受主雜質(zhì)。

6、摻Ⅰ族元素，一般起受主作用。2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級4、摻過渡族元素，制備322.3氮化鎵的雜質(zhì)能級目前常用硅作為GaN的n型摻雜，用鎂，鋅作為GaN的p型摻雜。硅作為施主的電離能：0.012~0.02eV鎂作為受主的電離能：0.14~0.21eV2.3氮化鎵的雜質(zhì)能級目前常用硅作為GaN的n型摻雜，用鎂332.4缺陷、位錯(cuò)能級2.4.1點(diǎn)缺陷

間隙原子缺陷：只有間隙原子而無原子空位

肖特基缺陷：晶體內(nèi)形成空位而無間隙原子。弗倉克耳缺陷：間隙原子和空位成對出現(xiàn)。硅、鍺材料中空位表現(xiàn)為受主；間隙原子表現(xiàn)為施主

2.4缺陷、位錯(cuò)能級2.4.1點(diǎn)缺陷342.4缺陷、位錯(cuò)能級化合物半導(dǎo)體中，利用成分偏離正常的化學(xué)比的現(xiàn)象來控制材料的導(dǎo)電類型化合物中的替位原子，如Ga取代As的位置起受主作用；As取代Ga的位置起施主作用，這種點(diǎn)缺陷稱為反結(jié)構(gòu)缺陷2.4缺陷、位錯(cuò)能級化合物半導(dǎo)體中，利用成分偏離正常的352.4缺陷、位錯(cuò)能級2.4.2位錯(cuò)線位錯(cuò)（在一條線附近原子的排列偏離了嚴(yán)格的周期性）面位錯(cuò)（在一個(gè)面附近原子的排列偏離了嚴(yán)格的周期性）根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得：

Si中位錯(cuò)能級在價(jià)帶頂上面0.03~0.09eV處

Ge中的位錯(cuò)能級在導(dǎo)帶底下面0.2~0.35eV處都屬于深受主能級當(dāng)位錯(cuò)密度較高時(shí)，由于它和雜質(zhì)之間的補(bǔ)償作用，能使淺施主雜質(zhì)的n型Si、Ge中的電子濃度降低，而對p型Si、Ge卻沒有這種影響。2.4缺陷、位錯(cuò)能級2.4.2位錯(cuò)36本章小結(jié)一重要術(shù)語解釋1．摻雜2.本征半導(dǎo)體3.非本征半導(dǎo)體4.補(bǔ)償型半導(dǎo)體5.多數(shù)載流子6.少數(shù)載流子7.n型半導(dǎo)體8.p型半導(dǎo)體9.施主雜質(zhì)，施主能級，施主雜質(zhì)電離能10.受主雜質(zhì)，受主能級，受主雜質(zhì)電離能本章小結(jié)一重要術(shù)語解釋37摻雜：通過在半導(dǎo)體材料中摻入雜質(zhì)以改變半導(dǎo)體材料的載流子濃度的方法。本征半導(dǎo)體：沒有摻雜的半導(dǎo)體，其內(nèi)部的電子和空穴成對出現(xiàn)，叫做本征半導(dǎo)體。非正征半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料內(nèi)部由于雜質(zhì)或缺陷，使得電子或空穴任意一方增加，這樣的半導(dǎo)體叫做摻雜半導(dǎo)體。摻雜：通過在半導(dǎo)體材料中摻入雜質(zhì)以改變半導(dǎo)體材料的載流子濃度38二知識(shí)點(diǎn) 學(xué)完本章后，應(yīng)具備如下的能力：1．使用價(jià)鍵模型，畫出施主和受主雜質(zhì)圖像，說明施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)的電離過程2.使用能帶模型解釋施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)的作用本章小結(jié)二知識(shí)點(diǎn) 本章小結(jié)39三復(fù)習(xí)題

1.舉例說明雜質(zhì)的補(bǔ)償作用

本章小結(jié)三復(fù)習(xí)題本章小結(jié)402.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級2.3氮化鎵的雜質(zhì)能級2.4缺陷和位錯(cuò)的能級第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級412.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.1.1替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)Si和Ge都具有金鋼石結(jié)構(gòu)，一個(gè)原胞含有8個(gè)原子。原胞內(nèi)8個(gè)原子的體積與立方原胞體積之比為34%，原胞內(nèi)存在66%的空隙。金鋼石晶體結(jié)構(gòu)中的四面體間隙位置金鋼石晶體結(jié)構(gòu)中的六角形間隙位置2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.1.1替位式雜質(zhì)間隙42雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅后，只可能以兩種方式存在。一種方式是雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，常稱為間隙式雜質(zhì)；間隙式雜質(zhì)原子一般較小，如離子鋰（Li+）。另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格格點(diǎn)處，常稱為替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)原子通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結(jié)構(gòu)也相似。用單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)，也就是雜質(zhì)濃度來定量描述雜質(zhì)含量多少，雜質(zhì)濃度的單位為1/cm3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅后，只可能以兩種方式存在。另一種方式是雜43

施主摻雜（摻磷）2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級SiP+SiSiSiSiSiSiSi-

磷替代硅，其效果是形成一個(gè)正電中心P+和一個(gè)多余的價(jià)電子。這個(gè)多余的價(jià)電子就束縛在正電中心P+的周圍（弱束縛）。施主摻雜（摻磷）2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級Si44+4+4+5+4多余價(jià)電子磷原子Ⅴ族元素有5個(gè)價(jià)電子，其中的四個(gè)價(jià)電子與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，還剩余一個(gè)電子，同時(shí)Ⅴ族原子所在處也多余一個(gè)正電荷，稱為正離子中心，所以，一個(gè)Ⅴ族原子取代一個(gè)硅原子，其效果是形成一個(gè)正電中心和一個(gè)多余的電子。電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過程稱為雜質(zhì)電離。+4+4+5+4多余磷原子Ⅴ族元素有5個(gè)價(jià)電子，其中的四個(gè)價(jià)45多余的電子束縛在正電中心，但這種束縛很弱很小的能量就可使電子擺脫束縛，成為在晶格中導(dǎo)電的自由電子，而Ⅴ族原子形成一個(gè)不能移動(dòng)的正電中心。硅、鍺中的Ⅴ族雜質(zhì)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱為施主雜質(zhì)或N型雜質(zhì)，摻有N型雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫N型半導(dǎo)體。施主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，電離后成為正電中心。多余的電子束縛在正電中心，但這種束縛很弱46帶有分立的施主能級的能帶圖施主能級電離能帶圖帶有分立的施主能級的能帶圖施主能級電離能帶圖47被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED。施主能級位于離導(dǎo)帶低很近的禁帶中雜質(zhì)原子間的相互作用可忽略，某一種雜質(zhì)的施主能級是一些具有相同能量的孤立能級。表2-1硅、鍺晶體中Ⅴ族雜質(zhì)的電離能(eV)被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED。表2-1硅482.1.3受主雜質(zhì)受主能級

受主摻雜（摻硼）SiB-SiSiSiSiSiSiSi+

硼原子接受一個(gè)電子后，成為帶負(fù)電的硼離子，稱為負(fù)電中心（B-）。帶負(fù)電的硼離子和帶正電的空穴間有靜電引力作用，這個(gè)空穴受到硼離子的束縛，在硼離子附近運(yùn)動(dòng)。2.1.3受主雜質(zhì)受主能級受主摻雜（摻硼）Si49空穴B-+4+4+3+4Ⅲ族元素占據(jù)了硅原子的位置：Ⅲ族元素有3個(gè)價(jià)電子，它與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，還缺少一個(gè)電子，于是在硅晶體的共價(jià)鍵中產(chǎn)生了一個(gè)空穴，而Ⅲ族原子接受一個(gè)電子后所在處形成一個(gè)負(fù)離子中心，所以，一個(gè)Ⅲ族原子取代一個(gè)硅原子，其效果是形成一個(gè)負(fù)電中心和一個(gè)空穴空穴B-+4+4+3+4Ⅲ族元素占據(jù)了硅原子的位置：Ⅲ族元50空穴束縛在Ⅲ族原子附近，但這種束縛很弱很小的能量就可使空穴擺脫束縛，成為在晶格中自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電空穴，而Ⅲ族原子形成一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)電中心。硅、鍺中的Ⅲ族雜質(zhì)，能夠接受電子而在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，并形成負(fù)電中心的雜質(zhì)，稱為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)，摻有P型雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫P型半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，電離后成為負(fù)電中心?？昭ㄊ`在Ⅲ族原子附近，但這種束縛很弱51受主能級電離能帶圖帶有分立的受主能級的能帶圖受主能級電離能帶圖帶有分立的受主能級的能帶圖52被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級EA。施主能級位于離價(jià)帶頂很近的禁帶中雜質(zhì)原子間的相互作用可忽略，某一種雜質(zhì)的受主能級是一些具有相同能量的孤立能級。表2-2硅、鍺晶體中III族雜質(zhì)的電離能(eV)被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級EA。表2-2硅53施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的B總結(jié)施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)54總結(jié)

總結(jié)

552.1.4淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算采用類氫原子模型估算施主和受主雜質(zhì)的電離能氫原子中電子的能量：n=1時(shí),基態(tài)電子能量n=時(shí)，氫原子電離E=0氫原子的電離能2.1.4淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算n=1時(shí),基態(tài)電子能量56晶體內(nèi)雜質(zhì)原子束縛的電子：

m0mn*,mp*;0r0

施主雜質(zhì)的電離能：

Si:Ge:受主雜質(zhì)的電離能晶體內(nèi)雜質(zhì)原子束縛的電子：受主雜質(zhì)的電離能57氫原子半徑：施主雜質(zhì)半徑：基態(tài)下（n=1），氫原子的軌道半徑：作業(yè)：第二章習(xí)題7第二章習(xí)題8兩題都加上第三小問③請畫出雜質(zhì)能級的能帶圖基態(tài)下（n=1），氫原子的軌道半徑：作業(yè)：582.1.5雜質(zhì)的補(bǔ)償作用當(dāng)半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體是n型還是p型呢？在半導(dǎo)體中，若同時(shí)存在著施主和受主雜質(zhì)，施受主雜質(zhì)之間有互相抵消的作用，通常稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。ND>>NANA>>NDNA~ND~2.1.5雜質(zhì)的補(bǔ)償作用ND>>NANA>>NDNA~ND591、當(dāng)ND>>NA因?yàn)槭苤髂芗壍陀谑┲髂芗墸允┲麟s質(zhì)的電子首先躍遷到NA個(gè)受主能級上，還有ND-NA個(gè)電子在施主能級上，雜質(zhì)全部電離時(shí)，躍遷到導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子的濃度為n=ND-NA。即則有效施主濃度為NAeff≈ND-NAECEVEDEA1、當(dāng)ND>>NA因?yàn)槭苤髂芗壍陀谑┲髂芗?，所以施主雜質(zhì)的602、當(dāng)NA>>ND

施主能級上的全部電子躍遷到受主能級上，受主能級上還有NA-ND個(gè)空穴，它們可接受價(jià)帶上的NA-ND個(gè)電子，在價(jià)帶中形成的空穴濃度p=NA-ND.即有效受主濃度為NAeff≈NA-NDECEVEDEA2、當(dāng)NA>>NDECEVEDEA613、當(dāng)NAND時(shí)，不能向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴，稱為雜質(zhì)的高度補(bǔ)償.

這種材料容易被誤認(rèn)高純半導(dǎo)體，實(shí)際上含雜質(zhì)很多，性能很差，不能用采制造半導(dǎo)體器件.3、當(dāng)NAND時(shí)，62雜質(zhì)補(bǔ)償作用是制造各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)

如能根據(jù)需要用擴(kuò)散或離子注人方法來改變半導(dǎo)體中某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以制成各種器件.

晶體管制造過程中的雜質(zhì)補(bǔ)償n型Si外延層PN硼磷NN雜質(zhì)補(bǔ)償作用是制造各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)晶體管制造過程632.1.6深能級雜質(zhì)

在半導(dǎo)體硅、鍺中，除Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在禁帶中形成淺能級外，其它各族元素?fù)饺牍?、鍺中也會(huì)在禁帶中產(chǎn)生能級2.1.6深能級雜質(zhì)64特點(diǎn)：1、施主雜質(zhì)能級距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)，受主雜質(zhì)能級距離價(jià)帶頂較遠(yuǎn)，這種能級稱為深能級，相應(yīng)的雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)。2、深能級雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離，每次電離對應(yīng)有一個(gè)能級。有的雜質(zhì)既能引入施主能級，又能引入受主能級。特點(diǎn)：65第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級課件66第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級課件67金在鍺中產(chǎn)生的能級金在鍺中產(chǎn)生4個(gè)能級，ED是施主能級，EA1、EA2和EA3是受主能級。中性金原子只有一個(gè)價(jià)電子，它取代鍺原子后，金的這一價(jià)電子可以電離躍遷到導(dǎo)帶，形成施主能級ED。它也可以從價(jià)帶接受3個(gè)電子，形成三個(gè)受主能級。金有5種荷電狀態(tài)，Au+,Au0,Au-,Au--,Au---ECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在鍺中的能級金在鍺中產(chǎn)生的能級ECEVEDEA1EiEA2EA30.0468

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級

1、Ⅱ族元素為受主雜質(zhì)鈹、鎂、鋅、鎘取代Ⅲ族原子而處于晶格格點(diǎn)上，引入淺受主能級晶體雜質(zhì)鈹鎂鋅鎘GaAs0.0300.0300.0240.021GaP0.0560.0540.0640.009GaAs、GaP晶體中受主雜質(zhì)的電離能

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級

1、Ⅱ族元素為受主692.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級GaAs電子濃度和硅雜質(zhì)濃度的關(guān)系2、Ⅳ族雜質(zhì)在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是兩性摻雜劑

Ⅳ族元素取代Ⅲ族原子則起施主作用；

Ⅳ族元素取代Ⅴ族原子則起受主作用。

導(dǎo)帶中電子濃度隨硅雜質(zhì)濃度的增加而增加，當(dāng)硅雜質(zhì)濃度增加到一定程度時(shí)趨于飽和。硅先取代Ga原子起施主作用，隨著硅濃度的增加，硅取代As原子起受主作用。2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級GaAs電子濃度和硅雜702.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級

3、Ⅵ族元素取代Ⅴ族原子，引入施主能級

Ⅵ族元素氧、硫、硒、碲比Ⅴ族元素多一個(gè)價(jià)電子而且容易失去，所以表現(xiàn)為施主雜質(zhì)。晶體雜質(zhì)硫硒碲GaAs0.0060.0060.03GaP0.1040.1020.0895GaAs、GaP晶體中受主雜質(zhì)的電離能（eV)2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級

3、Ⅵ族元素取代Ⅴ族712.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級4、摻過渡族元素，制備高電阻率的半絕緣GaAs5、Ⅲ族的B、Al取代Ga,Ⅴ族的P，銻取代As既不是施主也不是受主雜質(zhì)。

6、摻Ⅰ族元素，一般起受主作用。2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級4、摻過渡族元素，制備722.3氮化鎵的雜質(zhì)能級目