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1、第2章 半导体中杂质和缺陷能级,2.1硅、锗晶体中的杂质能级,实际晶体与理想晶体的区别 原子并非在格点上固定不动，在平衡位置附近振动 并不纯净，杂质的存在 缺陷 点缺陷（空位，间隙原子） 线缺陷（位错） 面缺陷（层错，晶粒间界）,2.1.1替位式杂质、间隙式杂质,替位式杂质:取代晶格原子 杂质原子的大小与晶体原子相似 III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质 间隙式杂质:位于晶格原子间隙位置 杂质原子小于晶体原子 杂质浓度：单位体积内的杂质原子数,元素周期表,2.1.2施主杂质、施主能级,施主杂质 V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质
2、。 施主电离 施主杂质释放电子的过程。 施主能级 被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能量为ED。 n型半导体 依靠导带电子导电的半导体。,本征半导体结构示意图,本征半导体：纯净的、不含其它杂质的半导体。,N型半导体,2.1.3受主杂质、受主能级,受主杂质 III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。 受主电离 受主杂质释放空穴的过程。 受主能级 被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量为EA p型半导体 依靠价带空穴导电的半导体。,P型半导体,杂质半导体的简化表示法,浅能级杂质,电离能小的杂质称为浅能级杂质
3、。 所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。 室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以全部电离。 五价元素磷（P）、锑在硅、锗中是浅施主杂质 三价元素硼（B）、铝、镓、铟在硅、锗中为浅受主杂质。,浅能级杂质电离能比禁带宽度小得多，杂质种类对半导体的导电性影响很大。 在N型半导体中，电子浓度大于空穴浓度，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。 在P型半导体中，空穴浓度大于电子浓度，空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子。,2.1.4 浅能级杂质电离能简单计算,类氢模型 氢原子中电子能量 n=1,2,3，为主量子数，当n=1和无穷时,氢原子基态电子的电离能 考虑到 1、
4、正、负电荷处于介电常数=0r的介质中 2、电子不在空间运动，而是处于晶格周期性势场中运动,施主杂质电离能 受主杂质电离能,2.1.5杂质的补偿作用,当NDNA时 n= ND-NA ND，半导体是n型的 当NDNA时 p= NA-ND NA，半导体是p型的 当NDNA时 杂质的高度补偿 有效杂质浓度 补偿后半导体中的净杂质浓度。,当NDNA时 ND-NA 为有效施主浓度 当NDNA时 NA-ND为有效受主浓度,杂质的补偿作用的应用,利用杂质的补偿作用，根据扩散或离子注入的方法来改变半导体某一区域的导电类型，制成各种器件。 在一块 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，
5、该区就成为型半导体。,2.1.6 深能级杂质,非III、V族元素在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。 特点 不容易电离，对载流子浓度影响不大 深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。 能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低,两性杂质,两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的杂质。 如-族GaAs中掺族Si。 如果Si替位族As，则Si为施主； 如果Si替位族Ga，则Si为受主。 所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。,2.3.1点缺陷,热缺陷（由温度决定） 弗伦克耳缺陷 成对出现的间隙原子和空位 肖特基缺陷 只形成空位而没有
6、间隙原子 对于化合物半导体，偏离正常的化学比 化合物半导体中的替位原子,2.3缺陷、位错能级,空位易于间隙原子出现 因为空位周围有四个不成对电子，所以空位表现出受主作用； 每个间隙原子有四个可以失去的电子，所以表现出施主作用。,2.3.2 位错,锗中的60棱位错 （111）面内位错线10-1和滑移方向1-10之间的夹角是60。 锗中位错具有受主及施主的作用。 晶格畸变,思考题,2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？ 2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出n型半导体。 2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出p型半导体。 2-4、掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响。 2-5、两性杂质和其它杂质有何异同？ 2-6、深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？ 2-7、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？,2-1 解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。 它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离受主）的离子，并同时向导带提供电子或向价带提供空穴。,
