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1、第二章 半导体中的杂质和缺陷,电子科技大学微固学院2017年6月,理想半导体：1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格 结构，无缺陷。2、晶体中无杂质。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。,本征半导体由本征激发提供载流子,实际半导体：1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态2、对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。,杂质半导体主要由杂质电离提供载流子,主要内容,1. 浅能级杂质能级和杂质电离； 2. 浅能级杂质电离能的计算； 3. 杂质补偿作用 4. 深能级杂质的特点和作用,1、等电子杂质；
2、 2、族元素起两性杂质作用,2-1 单质半导体中的杂质能级,2-3 缺陷能级,2-2 化合物半导体中的杂质能级,点缺陷对半导体性能的影响,2-1 单质半导体中的杂质能级,一、杂质存在的方式,金刚石结构Si中，一个晶胞内的原子占晶体原胞的34%，空隙占66%。,杂质与本体元素不同的其他元素,(2) 替位式杂质占据格点位置。大小接近、电子壳层结构相近,Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nm,Li：0.068nm,(1) 间隙式杂质位于间隙位置。,Li,1. VA族的替位杂质施主杂质,在硅Si中掺入P,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,束缚态未电离
3、离化态电离后,二、单质半导体的杂质电离,思考：在能带中如何表示电子的这2种状态？,EC,EV,电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电中心施主杂质。,被施主杂质束缚的电子的能量比导带底Ec低，称为施主能级，ED。,施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的孤立能级,施主杂质向导带提供电子,施主杂质的电离能小，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是电子N型半导体，或电子型半导体,在Si中掺入B,2. A族替位杂质受主杂质,B获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。,受主电离能EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量,束缚
4、态,离化态,+,-,B具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。受主杂质向价带提供空穴。,受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离的电子所占据空穴由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是空穴P型半导体，或空穴型半导体。,施主和受主浓度：ND、NA,施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B,小结！,等电子杂质,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向价带的跃
5、迁）称为杂质电离或杂质激发。具有杂质激发的半导体称为杂质半导体,杂质半导体,3. 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，这种激发称为本征激发。只有本征激发的半导体称为本征半导体。电子空穴成对产生,本征半导体,N型半导体特征：,a 施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子,b 电子浓度n 空穴浓度p,P 型半导体特征：,a 受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴,b空穴浓度p 电子浓度n,EC,ED,EV,EA,-,-,-,-,+,+,+,+,-,-,-,-,+,+,+,+,N型和P型半导体都称为极性半导体,多子多数载流子少子少数载流子,c 导带电子数由施主数量决定,c
6、 价带空穴数由受主数量决定,EV,EC,施主向导带提供的载流子=51013/cm3 本征载流子浓度,杂质半导体中杂质载流子浓度远高于本征载流子浓度,Si的原子浓度为51022/cm3,1 bpm 浓度掺杂P,例如：Si 在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，,上述杂质的特点：,施主杂质：,受主杂质：,浅能级杂质,电离能小,4. 浅能级杂质电离能的简单计算,浅能级杂质=杂质离子+束缚电子（空穴）,类氢模型,玻尔原子电子的运动轨道半径为：,n=1为基态电子的运动轨迹,玻尔原子模型：,运动轨道半径：,类氢模型：,剩余电子的运动半径估算：,类氢模型,电离能：,氢原子中的基态电子的电离能为E0=1
7、3.6eV,玻尔能级：,玻尔原子模型,剩余电子的电离能估算：,对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径约为24.4 ：,Si: a=5.4,剩余电子本质上是在晶体中运动,Si：r=1.17,施主能级靠近导带底部,对于Si、Ge掺P,估算结果与实测值接近,对于Si、Ge掺B,Ec,ED,施主,受主,Ev,5. 杂质的补偿作用,(1) NDNA,半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用,EA,E,(2) NDNA,E,(3) NDNA,杂质的高度补偿,本征激发产生的导带电子,本征激发产生的价带空穴,6. 深杂质能级,根据杂质能级在禁带中的位置，杂质分为：,浅能级杂质电离能很小，
8、能级接近导带底Ec或价带顶Ev,深能级杂质电离能较大，能级远离导带底Ec或价带顶Ev,EC,ED,EV,EA,Eg,EC,EA,EV,ED,Eg,例：在Ge中掺Au 可产生3个受主能级，1个施主能级,Au的电子组态是：5s25p65d106s1,Au,Ge,Ge,Ge,Ge,Au+,Au0,Au-,Au2-,Au3-,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,1. Au失去一个电子施主,Au,Ec,Ev,ED,ED=Ev+0.04 eV,Ec,Ev,ED,EA1,Au,2. Au获得一个电子受主,EA1= Ev + 0.15eV,3.Au获得第二个电子,Ec,Ev,
9、ED,EA1,Au2,EA2= Ec - 0.2eV,EA2,4.Au获得第三个电子,Ec,Ev,ED,EA1,EA3= Ec - 0.04eV,EA2,EA3,Au3,深能级杂质特点：不容易电离，对载流子浓度影响不大；一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。,Ec,Ev,ED,EA,Au doped Silicon,0.35eV,0. 54eV,1.12eV,2-2 化合物半导体中的杂质能级,族化合物半导体中的杂质,理想的GaAs晶格价键结构：含有离子键成分的共价键结构,Ga-,As,Ga,Ga,As,Ga,As+,Ga,As,施主杂质
10、替代族元素,受主杂质替代III族元素,双性杂质IV族元素,等电子杂质同族原子取代(III、族元素),等电子杂质,等电子杂质是与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子替代了同族原子后，基本仍是电中性的。由于共价半径和电负性不同，它们能俘获某种载流子而成为带电中心。带电中心称为等电子陷阱。,例如，N取代GaP中的P而成为负电中心,束缚激子间接半导体发光机制,点缺陷：空位、间隙原子线缺陷：位错面缺陷：层错、晶界,1、缺陷的类型,2-3 缺陷能级,2.元素半导体中的缺陷,(1) 空位,原子的空位起受主作用。,(2) 填隙,Si,间隙原子缺陷起施主作用,反结构缺陷GaAs受主 AsGa施主,3. GaA
11、s晶体中的点缺陷,空位VGa、VAs VGa受主 VAs 施主,间隙原子GaI、AsI GaI施主 AsI受主,e,4.族化合物半导体的缺陷,族化合物半导体离子键结构,a.负离子空位,产生正电中心，起施主作用,电负性小,b.正离子填隙,产生正电中心，起施主作用,-,+,产生负电中心，起受主作用,c.正离子空位,+,-,+,-,+,-,+,+,-,+,-,-,+,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,-,电负性大,产生负电中心，起受主作用,d.负离子填隙,-,-,点缺陷能级作用基本判断方法：,空位看周边，填隙看自身,例：真空制备(Ba,Sr)TiO3薄膜时常导致缺氧，产生氧空位，请分析这时该材
12、料的漏电机制。,例：分析PbS材料中Pb空位和填隙分别起施主还是受主作用。,思考：半导体表面能否在禁带产生能级？,第二章 思考题与自测题： 说明杂质能级以及电离能的物理意义。为什么受主、施主能级分别位于价带之上或导带之下，而且电离能的数值较小？ 纯锗、硅中掺入族或族元素后，为什么使半导体电性能有很大的改变？杂质半导体（p型或n型）应用很广，但为什么我们很强调对半导体材料的提纯？ 把不同种类的施主杂质掺入同一种半导体材料中，杂质的电离能和轨道半径是否不同？把同一种杂质掺入到不同的半导体材料中（例如锗和硅），杂质的电离能和轨道半径又是否都相同？ 何谓深能级杂质？它们电离以后有何特点？ 为什么金元素在锗或硅中电离后可以引入多个施主或受主能级？ 说明掺杂对半导体导电性能的影响。 说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质的作用有何不同？ 什么叫杂质补偿？什么叫高度补偿的半导体？杂质补偿有何实际应用？,第二章 习题,1. P64 习题 2 4 72. 设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。3. 真空制备ZnO薄膜时常导致缺氧，请分析其这时该半导体极性。,
