半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷課件

第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷理想半導(dǎo)體：1、原子嚴(yán)格周期性排列，具有完整的晶格結(jié)構(gòu)。2、晶體中無雜質(zhì)，無缺陷。3、電子在周期場中作共有化運(yùn)動(dòng)，形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級(jí)上，禁帶中無能級(jí)。本征半導(dǎo)體——晶體具有完整的（完美的）晶格結(jié)構(gòu)，無任何雜質(zhì)和缺陷。由本征激發(fā)提供載流子。實(shí)際半導(dǎo)體：1、總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場破壞，在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)——對(duì)應(yīng)的能級(jí)常常處在禁帶中，對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響。2、雜質(zhì)電離提供載流子。雜質(zhì)半導(dǎo)體§2-1元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)一、雜質(zhì)存在的方式1、雜質(zhì)存在方式金剛石結(jié)構(gòu)Si中，一個(gè)晶胞內(nèi)的原子占晶體原胞的34%，空隙占66%。雜質(zhì)——與本體元素不同的其他元素(2)替位式→雜質(zhì)占據(jù)格點(diǎn)位置。大小接近、電子殼層結(jié)構(gòu)相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nm(1)間隙式→雜質(zhì)位于間隙位置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLi1.VA族的替位雜質(zhì)——施主雜質(zhì)在硅Si中摻入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一個(gè)正電中心P＋和一個(gè)多余的價(jià)電子束縛態(tài)—未電離離化態(tài)—電離后二、元素半導(dǎo)體的雜質(zhì)施主電離能△ED=弱束縛的電子擺脫雜質(zhì)原子 束縛成為晶格中自由運(yùn)動(dòng)的電子（導(dǎo)帶中的電子）所需 要的能量ECED△ED=EC－ED施主電離能EV-束縛態(tài)離化態(tài)+施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。含有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是電子——N型半導(dǎo)體，或電子型半導(dǎo)體在Si中摻入BB具有得到電子的性質(zhì)，這類雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴。2.ⅢA族替位雜質(zhì)——受主雜質(zhì)B獲得一個(gè)電子變成負(fù)離子，成為負(fù)電中心，周圍產(chǎn)生帶正電的空穴。B－＋B－EA受主濃度：NA受主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上為價(jià)帶電離的電子所占據(jù)——空穴由受主能級(jí)向價(jià)帶激發(fā)。含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是空穴——P型半導(dǎo)體，或空穴型半導(dǎo)體。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)體提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的B小結(jié)！等電子雜質(zhì)P型半導(dǎo)體價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴?？昭槎嘧?，電子為少子。N型半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子數(shù)由施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子。電子為多子，空穴為少子。多子——多數(shù)載流子少子——少數(shù)載流子雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級(jí)向?qū)У能S遷或空穴從受主能級(jí)向價(jià)帶的躍遷）稱為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)。具有雜質(zhì)激發(fā)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體

雜質(zhì)激發(fā)3.雜質(zhì)半導(dǎo)體電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電子，這種激發(fā)稱為本征激發(fā)。只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。本征激發(fā)N型和P型半導(dǎo)體都是雜質(zhì)半導(dǎo)體

施主向?qū)峁┑妮d流子=1016～1017/cm3》本征載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體中雜質(zhì)載流子濃度遠(yuǎn)高于本征載流子濃度Si的原子濃度為1022～1023/cm3摻入P的濃度/Si原子的濃度=10-6例如：Si在室溫下，本征載流子濃度為1010/cm3，4.淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算+-施主-+受主淺能級(jí)雜質(zhì)=雜質(zhì)離子+束縛電子（空穴）類氫模型玻爾原子電子的運(yùn)動(dòng)軌道半徑為：n=1為基態(tài)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡氫原子中的電子的電離能為E0=13.6eV玻爾能級(jí)：玻爾原子模型類氫模型：計(jì)算束縛電子或空穴運(yùn)動(dòng)軌道半徑及電離能運(yùn)動(dòng)軌道半徑：電離能：施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底部對(duì)于Si、Ge摻PEcEvED估算結(jié)果與實(shí)測值有相同的數(shù)量級(jí)對(duì)于Si、Ge摻BEcEvEA(3)ND≈NA雜質(zhì)的高度補(bǔ)償EcEDEAEv本征激發(fā)產(chǎn)生的導(dǎo)帶電子本征激發(fā)產(chǎn)生的價(jià)帶空穴6.深雜質(zhì)能級(jí)根據(jù)雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置，雜質(zhì)分為：淺能級(jí)雜質(zhì)→能級(jí)接近導(dǎo)帶底Ec或價(jià)帶頂Ev，電離能很小深能級(jí)雜質(zhì)→能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底Ec或價(jià)帶頂Ev，電離能較大ECEDEVEAEgECEAEVEDEg例：在Ge中摻Au可產(chǎn)生3個(gè)受主能級(jí)，1個(gè)施主能級(jí)Au的電子組態(tài)是：5s25p65d106s1AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-多次電離，每一次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級(jí)既能引入施主能級(jí)．又能引入受主能級(jí)1.Au失去一個(gè)電子—施主Au＋EcEvEDED=Ev+0.04eVEcEvEDEA1Au－2.Au獲得一個(gè)電子—受主EA1=Ev+0.15eV3.Au獲得第二個(gè)電子EcEvEDEA1Au2－EA2=Ec-0.2eVEA24.Au獲得第三個(gè)電子EcEvEDEA1EA3=Ec-0.04eVEA2EA3Au3－深能級(jí)雜質(zhì)特點(diǎn)：不容易電離，對(duì)載流子濃度影響不大；一般會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí)，甚至既產(chǎn)生施主能級(jí)也產(chǎn)生受主能級(jí)。能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低。EcEvEDEAAudopedSilicon0.35eV0.54eV1.12eV§2-2

化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)理想的GaAs晶格價(jià)鍵結(jié)構(gòu)：含有離子鍵成分的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs施主雜質(zhì)替代Ⅴ族元素受主雜質(zhì)替代III族元素兩性雜質(zhì)III、Ⅴ族元素等電子雜質(zhì)——同族原子取代●等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)是與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量價(jià)電子的雜質(zhì)原子．替代了同族原子后，基本仍是電中性的。但是由于共價(jià)半徑和電負(fù)性不同，它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。帶電中心稱為等電子陷阱。例如，N取代GaP中的P而成為負(fù)電中心電子陷阱空穴陷阱點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子線缺陷：位錯(cuò)面缺陷：層錯(cuò)、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的類型§2-3缺陷能級(jí)2.元素半導(dǎo)體中的缺陷(1)空位SiSiSiSiSiSiSiSi原子的空位起受主作用。(2)填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子缺陷起施主作用AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs●反結(jié)構(gòu)缺陷

GaAs受主AsGa施主3.GaAs晶體中的點(diǎn)缺陷●空位VGa、VAs

VGa受主VAs施主●間隙原子GaI、AsI

GaI施主AsI受主e4.Ⅱ－Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的缺陷Ⅱ－Ⅵ族化合物半導(dǎo)體

離子鍵結(jié)構(gòu)—負(fù)離子—正離子+-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-a.負(fù)離子空位產(chǎn)生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-++-+-+-+-+-電負(fù)性小b.正離子填隙產(chǎn)生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-++-+-+-+-+--+產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用c.正離子空位+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+--++-+-+-+-+--電負(fù)性大產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用d.負(fù)離子填隙+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-++-+-+-+-+---負(fù)離子空位產(chǎn)生正電中心，起施主作用正離子填隙正離子空位負(fù)離子填隙產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用第二章思考題與自測題：說明雜質(zhì)能級(jí)以及電離能的物理意義。為什么受主、施主能級(jí)分別位于價(jià)帶之上或?qū)е?，而且電離能的數(shù)值較??？純鍺、硅中摻入Ⅲ族或Ⅴ族元素后，為什么使半導(dǎo)體電性能有很大的改變？雜質(zhì)半導(dǎo)體（p型或n型）應(yīng)用很廣，但為什么我們很強(qiáng)調(diào)對(duì)半導(dǎo)體材料的提純？把不同種類的施主雜質(zhì)摻入同一種半導(dǎo)體材料中，雜質(zhì)的電離能和軌道半徑是否不同？把同一種雜質(zhì)摻入到不同的半導(dǎo)體材料中（例如鍺和硅），雜質(zhì)的電離能和軌