《[半导体物理]-半导体中的杂质和缺陷》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[半导体物理]-半导体中的杂质和缺陷（81页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 半导体中的杂质和缺陷理想半导体理想半导体：1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格、原子严格周期性排列，具有完整的晶格 结构。结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。、晶体中无杂质，无缺陷。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带带和禁带电子能量只能处在允带中的电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。能级上，禁带中无能级。本征半导体本征半导体晶体具有完整的（完美的）晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流子。发提供载流子。实际半导体实际半导体u 实际半导体中原子并不是静止在具有实际半
2、导体中原子并不是静止在具有严格周期性的晶格位置上，而是在其平严格周期性的晶格位置上，而是在其平衡位置附近振动；衡位置附近振动；u 实际半导体并不是纯净的，而是含有实际半导体并不是纯净的，而是含有杂质的；杂质的；u 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种形式的缺陷，点缺的，而是存在着各种形式的缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺陷；陷，线缺陷，面缺陷；杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半导体的性质产生了决定性的作用导体的性质产生了决定性的作用主要内容主要内容 1.浅能级杂质能级和杂质电离；浅能级杂质能级和杂质电离；2.
3、浅能级杂质电离能的计算；浅能级杂质电离能的计算；3.杂质补偿作用杂质补偿作用 4.深能级杂质的特点和作用深能级杂质的特点和作用 1、等电子杂质；、等电子杂质；2、族元素起两性杂质作用族元素起两性杂质作用2-1 元素半导体中的杂质能级元素半导体中的杂质能级2-3 缺陷能级缺陷能级2-2 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级点缺陷对半导体性能的影响点缺陷对半导体性能的影响 2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级晶体中的杂质能级1 1、杂质与杂质能级、杂质与杂质能级、杂质与杂质能级、杂质与杂质能级杂质：杂质：杂质：杂质：半导体中存在的与本体元素不同半导体中存在的与本体元素不同半导体中存在的与
4、本体元素不同半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。的其它元素。的其它元素。的其它元素。杂质的来源：杂质的来源：有意掺入有意掺入无意掺入无意掺入根据杂根据杂质在能级中的位置不同：质在能级中的位置不同：替位式是杂质替位式是杂质间隙式杂质间隙式杂质在金刚石型晶体中，晶胞中原子的体积百分数为在金刚石型晶体中，晶胞中原子的体积百分数为34%，说明还有，说明还有66%是空隙。是空隙。Si 中的杂质有两种存在中的杂质有两种存在方式，方式，a：间隙式杂质：间隙式杂质 特点：杂质原子一般较小，锂元素特点：杂质原子一般较小，锂元素b：替位式杂质：替位式杂质 特点：杂质原子的大小与被替代的晶格原子大小特点：杂质原
5、子的大小与被替代的晶格原子大小可以相比，价电子壳层结构比较相近，可以相比，价电子壳层结构比较相近，和和族元族元素在素在Si，Ge中都是替位式中都是替位式以硅为例说明以硅为例说明单位体积中的杂质原子数称为单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度杂质浓度B:替位式替位式杂质占据格点杂质占据格点位置。大小接近、电子位置。大小接近、电子壳层结构相近壳层结构相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nmA:间隙式间隙式杂质位于间隙杂质位于间隙位置。位置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLiN型半导体型半导体P型半导体型半导体复合中心复合中心陷阱陷阱杂质分类杂质分类
6、浅能级杂质浅能级杂质深能级深能级杂质杂质杂质能级位于禁带中杂质能级位于禁带中Eg浅能级浅能级施主杂质施主杂质施主能级施主能级Ei受主杂质受主杂质 受主能级受主能级EcEv浅能级浅能级(1)VA族的替位杂质族的替位杂质施主杂质施主杂质在硅在硅Si中掺入中掺入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si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束缚态未电离未电离离化态离化态电离后电离后2、元素半导体的杂质、元素半导体的杂质 （a）电离态）电离态 （b）中性施主态）中性施主态 过程：过程：1.形成共价键后存在正电中心形成共价键后存在正电中心P+；2.多余的一个电子挣脱束缚，在晶格中自由
7、动；多余的一个电子挣脱束缚，在晶格中自由动；杂质电离杂质电离3.P+成为不能移动的正电中心；成为不能移动的正电中心；杂质电离，杂质电离能，施主杂质电离，杂质电离能，施主杂质（杂质（n型杂质），施主能级型杂质），施主能级电离的离的结果：果：导带中的中的电子数增加了，子数增加了，这即是即是掺施主的意施主的意义所在所在。1.施主处于束缚态，施主处于束缚态，2.施主电离施主电离 3施主电离后处于施主电离后处于离化态离化态能能带带图图中中施施主主杂杂质质电电离离的的过过程程电电离离时时，P原原子子能能够够提提供供导导电电电电子子并并形形成成正正电电中心，中心，施主杂质施主杂质。施主杂质施主杂质 施主能级
8、施主能级被施主杂质束缚的电子被施主杂质束缚的电子的能量比导带底的能量比导带底Ec低，低，称为称为施主能级施主能级，ED。施主杂质少，原子间相施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的能级是具有相同能量的孤立能级孤立能级ED施主浓度：施主浓度：ND施主电离能施主电离能ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中自由运动的束缚成为晶格中自由运动的 电子（导带中的电子）所需电子（导带中的电子）所需要的能量要的能量ECED ED=ECED施主电离能施主电离能EV-束缚态束缚态离化态离化态+施主杂质的电离能小，施主杂质的电离能小，在常温下基本
9、上电离。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含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子是电子N型半导体，或电子型半导体型半导体，或电子型半导体晶晶体体杂质杂质PAsSbSi0.044 0.049 0.039Ge 0.01260.01270.0096定义：n施主杂质施主杂质V族族元元素素在在硅硅、锗锗中中电电离离时时能能够够释释放放电电子子而而产产生生导导电电电电子子并并形形成成正正电电中中心心，称称此此类类杂杂质质为施主杂质或为施主杂质或n型杂质。型杂质。n施主电离施主电离施主杂质释放电子的过程。施主杂质释放电子的过程。n施主能级施主能级被被施施主主杂杂质质束束缚缚
10、的的电电子子的的能能量量状状态态，记记为为ED，施主电离能量为，施主电离能量为ED。nn型半导体型半导体依靠导带电子导电的半导体。依靠导带电子导电的半导体。3、受主能级：举例：、受主能级：举例：Si中掺硼中掺硼B 在在Si单晶中，单晶中，族受主替位杂质两种电荷状态的价键族受主替位杂质两种电荷状态的价键（a）电离态）电离态 （b）中性受主态）中性受主态 价价价价带带空穴空穴空穴空穴 电电离受主离受主离受主离受主 B B-2、受主能级受主能级：举例：举例：Si中掺硼中掺硼B过程：过程：1.形成共价键时，形成共价键时，从从Si 原子中夺取一个电子，原子中夺取一个电子，Si 的共价键中产生一个空的共价
11、键中产生一个空穴；穴；2.当空穴挣脱硼离子的束当空穴挣脱硼离子的束缚，形成固定不动的负电缚，形成固定不动的负电中心中心B-受主电离，受主电离能，受主受主电离，受主电离能，受主杂质（杂质（p型杂质），受主能级型杂质），受主能级电离的离的结果：果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意受主的意义所在1.受主处于束缚态，受主处于束缚态，2，受主电离，受主电离 3，受主电离后，受主电离后处于离化态处于离化态能能带带图图中中受受主主杂杂质质电电离离的的过过程程在在Si中掺入中掺入BB具有得到电子的性质，这类杂质称为具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质受主杂质。受主杂质向价带提供空穴。受主杂质向价带提
12、供空穴。B获得一个电子变成获得一个电子变成负离子，成为负电中负离子，成为负电中心，周围产生带正电心，周围产生带正电的空穴。的空穴。BBEA受主浓度：受主浓度：NAEcEvEA受主电离能和受主能级受主电离能和受主能级受主电离能受主电离能EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量空穴所需要的能量-束缚态束缚态离化态离化态+受主杂质的电离能小，在受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离常温下基本上为价带电离的电子所占据的电子所占据空穴由空穴由受主能级向价带激发。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含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主
13、要是空穴是空穴P型半导体，或空穴型半导体型半导体，或空穴型半导体。晶晶体体杂质杂质BAlGaSi0.045 0.057 0.065Ge0.010.010.011定义：n受主杂质受主杂质III族族元元素素在在硅硅、锗锗中中电电离离时时能能够够接接受受电电子子而而产产生生导导电电空空穴穴并并形形成成负负电电中中心心，称称此此类类杂杂质质为受主杂质或为受主杂质或p型杂质。型杂质。n受主电离受主电离受主杂质释放空穴的过程。受主杂质释放空穴的过程。n受主能级受主能级被被受受主主杂杂质质束束缚缚的的空空穴穴的的能能量量状状态态，记记为为EA。受主电离能量为受主电离能量为EAnp型半导体型半导体依靠价带空穴
14、导电的半导体。依靠价带空穴导电的半导体。施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如子。如Si中中掺掺的的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向掺入半导体的杂质原子向半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如子。如Si中掺的中掺的B小结！小结！等电子杂质等电子杂质N型半导体型半导体特征：特征：a 施主杂质电离，导带中施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子出现施主提供的导电电
15、子b 电子浓度电子浓度n 空穴浓度空穴浓度pP 型半导体型半导体特征：特征：a 受主杂质电离，价带中受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴出现受主提供的导电空穴b空穴浓度空穴浓度p 电子浓度电子浓度n ECEDEVEA-+-+EgN型和型和P型半导体都称为型半导体都称为极性半导体极性半导体P型型半半导导体体价价带带空空穴穴数数由由受受主主决决定定，半半导导体体导导电电的的载载流流子子主主要要是是空空穴穴。空空穴穴为为多多子子，电电子子为少子。为少子。N型型半半导导体体导导带带电电子子数数由由施施主主决决定定，半半导导体体导导电电的的载载流流子子主主要要是是电电子子。电电子子为为多多子子，空
16、空穴为穴为少子少子。多子多子多数载流子多数载流子少子少子少数载流子少数载流子杂杂质质向向导导带带和和价价带带提提供供电电子子和和空空穴穴的的过过程程（电电子子从从施施主主能能级级向向导导带带的的跃跃迁迁或或空空穴穴从从受受主主能能级级向向价价带带的的跃跃迁迁）称称为为杂杂质质电电离离或或杂杂质质激激发发。具具有杂质激发的半导体称为有杂质激发的半导体称为杂质半导体杂质半导体 杂质激发杂质激发3.杂质半导体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，这种激发称为电子，这种激发称为本征激发本征激发。只有本征激发。只有本征激发的半导体称为的半导体称为本征半导体本征半导体。本征激发本征激发N型和型和P型半导体都是型半导体都是杂质半导体杂质半导体 施主向导带提供的载流子施主向导带提供的载流子=10161017/cm3 本征载流子浓度本征载流子浓度杂质半导体中杂质载流子浓度远高于杂质半导体中杂质载流子浓度远高于本征载流子浓度本征载流子浓度Si的原子浓度为的原子浓度为10221023/cm3掺入掺入P的浓度的浓度/Si原子的浓度原子的浓度=10-6例
