半導(dǎo)體物理學(xué)_第二章_半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷

1、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(wú)雜質(zhì)，無(wú)缺陷。 3、電子在周期場(chǎng)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(wú)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(wú)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,實(shí)際半導(dǎo)體中原子并不是靜止在具有嚴(yán)格周期性的晶格位置上，而是在其平衡位置附近振動(dòng)； 實(shí)際半導(dǎo)體并不是純凈的，而是含有雜質(zhì)的； 實(shí)際的半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)并不是完整無(wú)缺的，而是存在著各種形式的缺陷，點(diǎn)缺陷，線缺陷，面缺陷；,雜質(zhì)和缺陷可在禁帶中引入能級(jí)，從而對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生了決定性的作用,主要

2、內(nèi)容,1. 淺能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)和雜質(zhì)電離； 2. 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的計(jì)算； 3. 雜質(zhì)補(bǔ)償作用 4. 深能級(jí)雜質(zhì)的特點(diǎn)和作用,1、等電子雜質(zhì)； 2、族元素起兩性雜質(zhì)作用,2-1 元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí),2-3 缺陷能級(jí),2-2 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí),點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性能的影響,2.1 Si、Ge晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 1、雜質(zhì)與雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)：半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素。,雜質(zhì)的來(lái)源：,有意摻入 無(wú)意摻入,根據(jù)雜質(zhì)在能級(jí)中的位置不同：,替位式是雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì),在金剛石型晶體中，晶胞中原子的體積百分?jǐn)?shù)為34%，說(shuō)明還有66%是空隙。Si 中的雜質(zhì)有兩種存在方式， a：間隙式雜質(zhì) 特點(diǎn)：雜質(zhì)原

3、子一般較小，鋰元素 b：替位式雜質(zhì) 特點(diǎn)：雜質(zhì)原子的大小與被替代的晶格原子大小可以相比，價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近，和族元素在Si，Ge中都是替位式,以硅為例說(shuō)明,單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度,B: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=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm,Li：0.068nm,A: 間隙式雜質(zhì)位于間隙位置。,Li,N型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,復(fù)合中心,陷阱,雜質(zhì)分類,淺能級(jí)雜質(zhì),深能級(jí)雜質(zhì),雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶中,淺能級(jí),淺能級(jí),(1)VA族的替位雜質(zhì)施主雜質(zhì),在硅Si中摻入P,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

4、,束縛態(tài)未電離 離化態(tài)電離后,2、元素半導(dǎo)體的雜質(zhì),（a）電離態(tài) （b）中性施主態(tài),過(guò)程： 1.形成共價(jià)鍵后存在正電中心P+； 2.多余的一個(gè)電子掙脫束縛，在晶格中自由動(dòng)；雜質(zhì)電離 3. P+成為不能移動(dòng)的正電中心；,雜質(zhì)電離，雜質(zhì)電離能，施主雜質(zhì)（n型雜質(zhì)），施主能級(jí),電離的結(jié)果：導(dǎo)帶中的電子數(shù)增加了，這即是摻施主的意義所在。,1.施主處于束縛態(tài)，2.施主電離 3施主電離后處于離化態(tài),能帶圖中施主雜質(zhì)電離的過(guò)程,電離時(shí)，P原子能夠提供導(dǎo)電電子并形成正電中心，施主雜質(zhì)。,施主雜質(zhì) 施主能級(jí),被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量比導(dǎo)帶底Ec低，稱為施主能級(jí)，ED。 施主雜質(zhì)少，原子間相互作用可以忽略，施主

5、能級(jí)是具有相同能量的孤立能級(jí),ED,施主濃度：ND,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,EC,ED,ED =ECED,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,定義：,施主雜質(zhì) V族元素在硅、鍺中電離時(shí)能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱此類雜質(zhì)為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。 施主電離 施主雜質(zhì)釋放電子的過(guò)程。 施主能級(jí) 被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)，記為ED，施主電離能量為ED。 n型半導(dǎo)體 依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電

6、的半導(dǎo)體。,3、受主能級(jí)：舉例：Si中摻硼B(yǎng),在Si單晶中，族受主替位雜質(zhì)兩種電荷狀態(tài)的價(jià)鍵（a）電離態(tài) （b）中性受主態(tài),價(jià)帶空穴 電離受主 B-,2、受主能級(jí)：舉例： Si中摻硼B(yǎng),過(guò)程：1.形成共價(jià)鍵時(shí)，從Si 原子中奪取一個(gè)電子，Si 的共價(jià)鍵中產(chǎn)生一個(gè)空穴； 2.當(dāng)空穴掙脫硼離子的束縛，形成固定不動(dòng)的負(fù)電中心B-,受主電離，受主電離能，受主雜質(zhì)（p型雜質(zhì)），受主能級(jí),電離的結(jié)果：價(jià)帶中的空穴數(shù)增加了，這即是摻受主的意義所在,1.受主處于束縛態(tài)，2，受主電離 3，受主電離后處于離化態(tài),能帶圖中受主雜質(zhì)電離的過(guò)程,在Si中摻入B,B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)

7、帶提供空穴。,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,受主電離能和受主能級(jí),受主電離能EA=空穴擺脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電 空穴所需要的能量,-,束縛態(tài),離化態(tài),+,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。,定義：,受主雜質(zhì) III族元素在硅、鍺中電離時(shí)能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心，稱此類雜質(zhì)為受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì)。 受主電離 受主雜質(zhì)釋放空穴的過(guò)程。 受主能級(jí) 被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)，記為EA。受主電離能量

8、為EA p型半導(dǎo)體 依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(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),N型半導(dǎo)體 特征：,a 施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中出現(xiàn)施主提供的導(dǎo)電電子,b 電子濃度n 空穴濃度p,P 型半導(dǎo)體 特征：,a 受主雜質(zhì)電離，價(jià)帶中出現(xiàn)受主提供的導(dǎo)電空穴,b空穴濃度p 電子濃度n,N型和P型半導(dǎo)體都稱為極性半導(dǎo)體,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?/p>

9、為多子，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(guò)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 =10161017/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

10、度為10221023/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，,上述雜質(zhì)的特點(diǎn)：,施主雜質(zhì)：,受主雜質(zhì)：,淺能級(jí)雜質(zhì),雜質(zhì)的雙重作用：,改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型,雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置,4. 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算,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,玻爾能級(jí)：,玻爾原子模型,類氫模型 氫原子中電子能量 n=1,2,3，為主量子數(shù)，當(dāng)n=1和無(wú)窮時(shí),氫原子基態(tài)電子的電離能 考慮到正、負(fù)電荷處于介電常數(shù)=0r的介質(zhì)中，且處于晶格形成的周期性

11、勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，所以電子的慣性質(zhì)量要用有效質(zhì)量代替,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：,施主雜質(zhì)電離能 受主雜質(zhì)電離能,對(duì)于Si中的P原子，剩余電子的運(yùn)動(dòng)半徑約為24.4 ：,Si: a=5.4,剩余電子本質(zhì)上是在晶體中運(yùn)動(dòng),Si：r=1.17,施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底部,對(duì)于Si、Ge摻P,估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值有相同的數(shù)量級(jí),對(duì)于Si、Ge摻B,5. 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用,(1) NDNA,半導(dǎo)體中同時(shí)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,此時(shí)半導(dǎo)體為n型半導(dǎo)體,有效施主濃度n=ND-NA,EA,(2) NDNA,此時(shí)半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體,有效受主濃度p=NA

12、- ND,(3) NDNA,雜質(zhì)的高度補(bǔ)償,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,雜質(zhì)的補(bǔ)償作用,當(dāng)NDNA時(shí) n= ND-NA ND，半導(dǎo)體是n型的 當(dāng)NDNA時(shí) p= NA-ND NA，半導(dǎo)體是p型的 當(dāng)NDNA時(shí) 補(bǔ)償半導(dǎo)體 有效雜質(zhì)濃度 補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度。,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,EC,ED,EV,EA,Eg,EC,EA,EV,ED,Eg,深能級(jí)雜質(zhì),非III、V族元素（52頁(yè)圖2-8/9） 特點(diǎn) 多為替位式雜質(zhì) 硅、鍺的禁帶

13、中產(chǎn)生的施主能級(jí)距離導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂較遠(yuǎn)，形成深能級(jí)，稱為深能級(jí)雜質(zhì)。 深能級(jí)雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離，每次電離均對(duì)應(yīng)一個(gè)能級(jí)。有的雜質(zhì)既能引入施主能級(jí)，又能引入受主能級(jí)。,例1：Au（族）在Ge中,Au在Ge中共有五種可能的狀態(tài)： （1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ； （4） Au二 ； （5） Au三。,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,Ge,Ge,Ge,Ge,Au+,Au0,Au-,Au2-,Au3-,1. Au失去一個(gè)電子施主,Au,Ec,Ev,ED,ED=Ev+0.04 eV,Ec,Ev,ED,EA1,Au,2. Au獲得一個(gè)電子受主,EA1= Ev

14、 + 0.15eV,3.Au獲得第二個(gè)電子,Ec,Ev,ED,EA1,Au2,EA2= Ec - 0.2eV,EA2,4.Au獲得第三個(gè)電子,Ec,Ev,ED,EA1,EA3= Ec - 0.04eV,EA2,EA3,Au3,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。,2-2 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí),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-,As,Ga,Ga,As,Ga,As+,Ga,As,施主雜質(zhì) 替代族元素,受主雜質(zhì) 替代III族

15、元素,兩性雜質(zhì) III、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?jī)r(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,束縛激子,等電子陷阱俘獲一種符號(hào)的載流子后，又因帶電中心的庫(kù)侖作用又俘獲另一種帶電符號(hào)的載流子，形成束縛激子。,兩性雜質(zhì),舉例：GaAs中摻Si（族） Ga：族 As：族 Si Ga 施主 兩性雜質(zhì) SiAs 受主,兩性雜質(zhì)：在化合物半導(dǎo)體中，某種雜質(zhì)在 其中既可以作施主又可以作受主，這種雜

16、質(zhì)稱為兩性雜質(zhì)。,2.3氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質(zhì)能級(jí),點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子 線缺陷：位錯(cuò) 面缺陷：層錯(cuò)、晶界,1、缺陷的類型,2-4 缺陷能級(jí),2.元素半導(dǎo)體中的缺陷,(1) 空位,原子的空位起受主作用。,(2) 填隙,Si,間隙原子缺陷起施主作用,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,e,4.族化合物半導(dǎo)體的缺陷,族化合物半導(dǎo)體 離子鍵結(jié)構(gòu),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

17、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 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí) 1.什么叫淺能級(jí)雜質(zhì)？它們電離后有何特點(diǎn)？ 2.什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離前后有何特征？試舉例說(shuō)明之，并用能帶圖表征出n型半導(dǎo)體。 3.什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后有何特征？試舉例說(shuō)明之，并用能帶圖表征出p型半導(dǎo)體。 4.摻雜半導(dǎo)體與本征半導(dǎo)體之間有何差異？試舉例

18、說(shuō)明摻雜對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能的影響。 5.兩性雜質(zhì)和其它雜質(zhì)有何異同？ 6.深能級(jí)雜質(zhì)和淺能級(jí)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體有何影響？ 7.何謂雜質(zhì)補(bǔ)償？雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)囊饬x何在？,1、解：淺能級(jí)雜質(zhì)是指其雜質(zhì)電離能遠(yuǎn)小于本征半導(dǎo)體的禁帶寬度的雜質(zhì)。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶負(fù)電（電離受主）的離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮踊蛳騼r(jià)帶提供空穴。 2、解：半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)后，施主電離后將成為帶正電離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮樱@種雜質(zhì)就叫施主。 施主電離成為帶正電離子（中心）的過(guò)程就叫施主電離。施主電離前不帶電，電離后帶正電。例如，在Si中摻P，P為族元素。 本征半導(dǎo)體Si為族元素，P摻入Si中后，P的最外層電子有四個(gè)與Si的最外層四個(gè)電子配對(duì)成為共價(jià)電子，而P的第五個(gè)外層電子將受到熱激發(fā)掙脫原子實(shí)的束縛進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子。這個(gè)過(guò)程就是施主電離。,3、解：半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主電離后將成為帶負(fù)電的離子，并同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，這種雜質(zhì)就叫受主。 受主電離成為帶負(fù)電的離子（