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1、半导体物理学半导体中杂质和缺陷能级n n2.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n2.2 2.2 - -族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级n n2.3 2.3 缺陷和位错的能级缺陷和位错的能级第二章第二章 半导体中的杂质和缺陷能级半导体中的杂质和缺陷能级n n本征半导体：本征半导体：是指没有杂质和缺陷的半导体是指没有杂质和缺陷的半导体是指没有杂质和缺陷的半导体是指没有杂质和缺陷的半导体，其，其内部的电子和空穴成对出现，叫做本征半导体。内部的电子和空穴成对出现，叫做本征半导体。n n非正征半导体：半导体材料内部由于杂质或缺陷，非正征半导体：半导体材料内部由于
2、杂质或缺陷，使得电子或空穴任意一方增加，这样的半导体叫使得电子或空穴任意一方增加，这样的半导体叫做掺杂半导体。做掺杂半导体。n n本征激发本征激发本征激发本征激发:T0KT0KT0KT0K时时时时, , , ,电子从价带激发到导带电子从价带激发到导带电子从价带激发到导带电子从价带激发到导带, , , ,同时同时同时同时价价价价带中产生空穴带中产生空穴带中产生空穴带中产生空穴.n n n n0 0 0 0=p=p=p=p0000=n=n=n=ni i i in n n n0000p p p p0000=n=n=n=niiii2 2 2 2n n n ni i i i-本征载流子浓度本征载流子浓度
3、本征载流子浓度本征载流子浓度第二章第二章 半导体中的杂质和缺陷能级半导体中的杂质和缺陷能级第二章第二章 半导体中的杂质和缺陷能级半导体中的杂质和缺陷能级实际半导体与理想半导体的主要区别实际半导体与理想半导体的主要区别实际晶体理想晶体原子在平衡位置附近振动原子静止在严格周期性的晶格格点位置不纯净，含有杂质纯净存在点、线、面缺陷晶格结构完整无缺杂质：半导体晶格中存在的与组成半导体材料的元素不同的其他元素的原子。缺陷缺陷点缺陷，如空位、间隙原子、替位原子等线缺陷，如位错等面缺陷，如层错、晶粒间界等杂质和缺陷杂质和缺陷原子的周期性势场受到破坏原子的周期性势场受到破坏在禁带中引入能级在禁带中引入能级决定
4、半导体的物理和化学性质决定半导体的物理和化学性质2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级2.1.1 2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质SiSi和和GeGe都具有金钢石构造，一个原胞含有都具有金钢石构造，一个原胞含有8 8个原子。个原子。原胞内原胞内8 8个原子的体积与立方原胞体积之比为个原子的体积与立方原胞体积之比为34%34%，原，原胞内存在胞内存在66%66%的空隙。的空隙。金钢石晶体构造中的四面体间隙位置内部4个原子构成T空隙金钢石晶体构造中的六角形间隙位置3个邻位面心+3个内部原子构成H空隙2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n杂质原
5、子进入半导体硅后，只杂质原子进入半导体硅后，只杂质原子进入半导体硅后，只杂质原子进入半导体硅后，只可能以两种方式存在。可能以两种方式存在。可能以两种方式存在。可能以两种方式存在。n n一种方式是杂质原子位于晶格一种方式是杂质原子位于晶格一种方式是杂质原子位于晶格一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙原子间的间隙位置，常称为间隙原子间的间隙位置，常称为间隙原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质；间隙式杂质原子一般较式杂质；间隙式杂质原子一般较式杂质；间隙式杂质原子一般较式杂质；间隙式杂质原子一般较小，如离子锂小，如离子锂小，如离子锂小，如离子锂Li+Li+Li+Li+。n nLi+L
6、i+Li+Li+n n另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位式杂质。替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电式杂质。替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电式杂质。替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电式杂质。替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层构造也相似。子壳层构造也相似。子壳层构造也相似。子壳层构造也相似。n n用单位体积中
7、的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量多少，杂质浓度的单位为多少，杂质浓度的单位为多少，杂质浓度的单位为多少，杂质浓度的单位为1/cm31/cm31/cm31/cm3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 施施 主主 掺掺 杂掺磷杂掺磷2.1.2 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级施主杂质、施
8、主能级SiP+SiSiSiSiSiSiSi-磷替代硅，其效果磷替代硅，其效果是形成一个正电中心是形成一个正电中心P+P+和一个多余的价电和一个多余的价电子。这个多余的价电子。这个多余的价电子就束缚在正电中心子就束缚在正电中心P+P+的周围弱束缚。的周围弱束缚。 SiP对于对于Si中的中的P原子，原子，剩余电子的运动剩余电子的运动半径：半径：r 65 Si的晶格常数为的晶格常数为 对于Ge中的P原子，r 85 +4+4+5+4多余多余价电子价电子磷原子磷原子n n族元素有族元素有5 5个价电子，其中的四个价电子与周围个价电子，其中的四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个电子，同的四个
9、硅原子形成共价键，还剩余一个电子，同时时族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心，所以，一个子中心，所以，一个族原子取代一个硅原子，族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。n n电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为称为杂质电离杂质电离。2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n2.1.2 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱多余的电子束缚
10、在正电中心，但这种束缚很弱很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导电的自由电子，而导电的自由电子，而族原子形成一个不能移动族原子形成一个不能移动的正电中心。的正电中心。硅、锗中的硅、锗中的族杂质，族杂质，能够释放电子而产生导能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质或电电子并形成正电中心，称为施主杂质或N N型杂型杂质质，掺有，掺有N N型杂质的半导体叫型杂质的半导体叫N N型半导体型半导体。施主杂。施主杂质未电离时是中性的，电离后成为正电中心。质未电离时是中性的，电离后成为正电中心。2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级
11、带有分立的施主能级的带有分立的施主能级的能带图能带图施主能级电离能带图施主能级电离能带图n n被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级EDED。n n施主能级位于离导带低很近的禁带中施主能级位于离导带低很近的禁带中n n杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级是一些具有一样能量的孤立能级。是一些具有一样能量的孤立能级。2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n表表2-1 2-1 硅、锗晶体中硅、锗晶体中族杂质的电离能族杂质的电离能(eV)(eV) 掺掺施施主主的的半半导导体体的的
12、导导带带电电子子数数主主要要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数数空空穴穴数数，对对应应的的半半导导体体称称为为N型型半半导导体。体。称称电电子子为为多多数数载载流流子子，简简称称多多子子，空空穴穴为为少少数数载流子，简称少子。载流子，简称少子。 n n2.1.3 受主杂质受主杂质受主能级受主能级2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级受主掺杂掺硼SiB-SiSiSiSiSiSiSi+硼原子承受一个电子后，硼原子承受一个电子后，成为带负电的硼离子，成为带负电的硼离子，称为负电中心称为负电中心B-B- 。带负电的硼离子和带正带负电的
13、硼离子和带正电的空穴间有静电引力电的空穴间有静电引力作用，这个空穴受到硼作用，这个空穴受到硼离子的束缚，在硼离子离子的束缚，在硼离子附近运动。附近运动。空穴空穴B-+4+4+3+4族元素占据了硅原子的位置：族元素占据了硅原子的位置：族元素占据了硅原子的位置：族元素占据了硅原子的位置： 族元素有族元素有族元素有族元素有3 3个价电子，它与周围个价电子，它与周围个价电子，它与周围个价电子，它与周围的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价的四个硅原子形成共价键，还缺少
14、一个电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴，而键中产生了一个空穴，而键中产生了一个空穴，而键中产生了一个空穴，而族原子承受一个电子后所在处形成一个族原子承受一个电子后所在处形成一个族原子承受一个电子后所在处形成一个族原子承受一个电子后所在处形成一个负离子中心，所以，一个负离子中心，所以，一个负离子中心，所以，一个负离子中心，所以，一个族原子取代一个硅原子，其效果是形成族原子取代一个硅原子，其效果是形成族原子取代一个硅原子，其效果是形成族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个负电中心和一个空穴一个负电中心和一个空穴一个负电中心和一个空穴一个负电中心和一个空穴2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗
15、晶体中的杂质能级n n受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级n n空穴束缚在空穴束缚在族原子附近，但这种束缚很弱族原子附近，但这种束缚很弱n n很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运动的格中自由运动的n n导电空穴，而导电空穴，而族原子形成一个不能移族原子形成一个不能移动的负电中心。动的负电中心。n n硅、锗中的硅、锗中的族杂质，能够承受电子而在价族杂质，能够承受电子而在价带中产生空穴，带中产生空穴，n n并形成负电中心的杂质，称为受主杂质并形成负电中心的杂质，称为受主杂质或或P P型杂质，掺有型杂质，掺有PP型杂质的半导体叫型杂质的半导体叫P P
16、型半型半导体。受主杂质未电离时是中性的，电离后成导体。受主杂质未电离时是中性的，电离后成为负电中心。为负电中心。2.1 硅、锗晶体中的杂质能级受主能级电离能带图受主能级电离能带图带有分立的受主能级的带有分立的受主能级的能带图能带图被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA。施主能级位于离价带顶很近的禁带中杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的受主能级是一些具有一样能量的孤立能级。2.1 硅、锗晶体中的杂质能级表2-2 硅、锗晶体中III族杂质的电离能(eV) 掺掺受受主主的的半半导导体体的的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
17、空空穴穴数数电电子子数数，对对应应的的半半导导体体称为称为P型半导体。型半导体。空穴为多子，电子为少子。空穴为多子，电子为少子。 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导体中，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。如提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的中掺的P 和和As受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B 总结深能级杂质和浅能级杂质浅能级杂质：引入
18、能级接近导带底Ec的施主杂质或引入能级接近价带顶Ev的受主杂质。其作用是改变半导体导电类型和调节导电能力，例如室温下，硅、锗中III、V族杂质几乎全部电离。深能级杂质：引入能级远离导带底Ec 的施主杂质或引入能级远离价带顶Ev的受主杂质。一般作为复合中心，它对载流子和导电类型影响较小。总结总结2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算采用类氢原子模型估算施主和受主杂质的电离能采用类氢原子模型估算施主和受主杂质的电离能氢原子中电子的能量：氢原子中电子的能量：n=1时,基态电子能量n=时，氢原子电离E=0氢原子的电离能2.1 硅、锗晶体中的杂质
19、能级硅、锗晶体中的杂质能级n n晶体内杂质原子束缚的电子与类氢模型相比：晶体内杂质原子束缚的电子与类氢模型相比：m0mn*, mp*; 0 r0 施主杂质的电离能施主杂质的电离能：Si: Ge:Ge:受主杂质的电离能受主杂质的电离能2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n氢原子半径：氢原子半径：n n施主杂质半径：施主杂质半径：基态下n=1，氢原子的轨道半径：2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n2.1.5 2.1.5 杂质的补偿作用杂质的补偿作用n n当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是是n n型还是型还
20、是p p型呢？型呢？n n在半导体中，假设同时存在着施主和受主杂质，在半导体中，假设同时存在着施主和受主杂质，施受主杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂施受主杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂质的补偿作用。一共有如下三种情况：质的补偿作用。一共有如下三种情况：NDNANANDNAND1 1、当、当 N ND DNNA A2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为n=ND-NA。即那么有效施主浓度为NDeffND-NAECEVEDEA
21、2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级2、 当NAND 施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有NA-ND个空穴，它们可承受价带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓度p= NA-ND. 即有效受主浓度为NAeff NA-NDECEVEDEA3、当NAND时，不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿。 这种材料容易被误认高纯半导体，实际上含杂质很多，性能很差，不能用来制造半导体器件。2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 杂质补偿作用是制造各种半导体器件的根底。杂质补偿作用是制造各种半导体器件的根底。 如能根据需要用扩散或离子注人方法来改变
22、半如能根据需要用扩散或离子注人方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件. 晶体管制造过程中的杂质补偿晶体管制造过程中的杂质补偿n型型Si外延层外延层PN硼磷2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级NN2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n2.1.6 深能级杂质n n 在半导体硅、锗中，除、族杂质在禁带中形成浅能级外，其它各族元素掺入硅、锗中也会在禁带中产生能级。这些能级通常是远离导帯底的深施主能级和远离价带顶的深受主能级，见以下图，图中“+表示引入施主能级、“-表示引入受主能级。2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅
23、、锗晶体中的杂质能级2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n特点：特点：n n1 1、施主杂质能级距离导带底较远，受主杂质能级距、施主杂质能级距离导带底较远，受主杂质能级距离价带顶较远，这种能级称为深能级，相应的杂质离价带顶较远，这种能级称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。称为深能级杂质。n n2 2、深能级杂质能够产生屡次电离，每次电离对应有、深能级杂质能够产生屡次电离，每次电离对应有一个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入一个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。受主能级。2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
24、硅、锗晶体中的杂质能级深能级杂质产生屡次电离：深能级杂质产生屡次电离：1 1I I族元素铜、银、金在锗中产生族元素铜、银、金在锗中产生3 3个受主能级，而金个受主能级，而金还能产生还能产生1 1个施主能级；在硅中，铜产生个施主能级；在硅中，铜产生3 3个受主能个受主能级，银和金各产生级，银和金各产生1 1个受主能级和个受主能级和1 1个施主能级。锂个施主能级。锂在锗和硅中是间隙式杂质，产生在锗和硅中是间隙式杂质，产生1 1个浅施主能级。个浅施主能级。2 2IIII族元素锌、镉、汞在锗和硅中均产生族元素锌、镉、汞在锗和硅中均产生2 2个受主能个受主能级，而汞在硅中还产生级，而汞在硅中还产生2 2
25、个施主能级。铍在在锗中产个施主能级。铍在在锗中产生生2 2个受主能级，在硅中产生个受主能级，在硅中产生1 1个受主能级。镁在硅个受主能级。镁在硅中产生中产生2 2个受主能级。个受主能级。2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级深能级杂质产生屡次电离：深能级杂质产生屡次电离：3 3IIIIII族元素硼、铝、镓、铟、铊在锗和硅中各产生族元素硼、铝、镓、铟、铊在锗和硅中各产生1 1个浅受主能级，而铝在硅中，还能产生个浅受主能级，而铝在硅中，还能产生1 1个施主能级。个施主能级。4 4IVIV族元素碳在硅中产生族元素碳在硅中产生1 1个施主能级，而锡和铅在个施主能级，而锡和铅在硅中产生硅中
26、产生1 1个施主能级和个施主能级和1 1个受主能级。个受主能级。5 5V V族元素磷、砷、锑在硅和锗中各产生一个浅施主族元素磷、砷、锑在硅和锗中各产生一个浅施主能级。能级。2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级深能级杂质产生屡次电离：深能级杂质产生屡次电离：6 6VIVI族元素硫、硒、碲在锗中产生族元素硫、硒、碲在锗中产生2 2个施主能级，在个施主能级，在硅中，硫产生硅中，硫产生2 2个施主能级、个施主能级、1 1个受主能级；碲产生个受主能级；碲产生2 2个施主能级；而硒产生个施主能级；而硒产生3 3个施主能级。氧在硅中产生个施主能级。氧在硅中产生3 3个施主能级，还能产生个施主
27、能级，还能产生2 2个受主能级。个受主能级。7 7过渡族元素锰、铁、钴、镍在锗中均产生过渡族元素锰、铁、钴、镍在锗中均产生2 2个受主个受主能级，其中钴还产生能级，其中钴还产生1 1个施主能级。在硅中锰、铁产个施主能级。在硅中锰、铁产生生3 3个施主能级，锰还能产生个施主能级，锰还能产生2 2个受主能级；而钴那个受主能级；而钴那么产生么产生3 3个受主能级、镍产生个受主能级、镍产生2 2个受主能级。个受主能级。2.1 硅、锗晶体中的杂质能级金在锗中产生的能级金在锗中产生的能级中性金原子中性金原子Au0Au0只有一个只有一个价电子，它取代锗原子价电子，它取代锗原子后，金的这一价电子可后，金的这一
28、价电子可以电离跃迁到导带，形以电离跃迁到导带，形成深施主能级成深施主能级EDED。它也。它也可以从价带承受可以从价带承受1313个电个电子，形成三个深受主能子，形成三个深受主能级。所以，在锗中金有级。所以，在锗中金有5 5种荷电状态，种荷电状态，Au+,Au+,Au0,Au-,AuAu0,Au-,Au,Au,AuECEVEDEA1EiEA2EA3金在锗中的能级金在锗中的能级2.1 硅、锗晶体中的杂质能级金在锗中产生的能级金在锗中产生的能级金在锗中产生的金在锗中产生的EDED是深是深施主能级，施主能级，EA1EA1、EA2EA2和和EA3EA3是是Au0Au0依次承受依次承受1 1个、个、2 2
29、个、个、3 3个电子后形成的个电子后形成的深受主能级，深受主能级， 由于电子由于电子间的库仑排斥作用，承间的库仑排斥作用，承受受2 2个电子比承受个电子比承受1 1个电个电子所需电离能大，而承子所需电离能大，而承受受3 3个电子比承受个电子比承受2 2个电个电子所需电离能还大，子所需电离能还大，Au-Au-，AuAu，AuAu能级逐渐升能级逐渐升高。高。ECEVEDEA1EiEA2EA3金在锗中的能级金在锗中的能级2.1 硅、锗晶体中的杂质能级金在硅中产生的深能级金在硅中产生的深能级金在硅中只观测1个深施主能级和1个深受主能级，这可能是由于其他施主态和受主态的电离能大于禁带宽度，相应的施主能级
30、和受主能级进入了价带和导带，所以在禁带中已经测不到了。现在常用深能级瞬态谱测量杂质的深能级。金是一种典型的复合中心，在制造高速开关器件时，常有意掺入金以提高器件的响应速度。深能级杂质的电离能常采用类氦模型。2.1 硅、锗晶体中的杂质能级总结：深能级杂质能够产生屡次电离，在禁带中引入多个能级。深能级杂质对半导体的导电类型和载流子浓度影响较小，但是它们对于载流子的复合作用很强，称为复合中心。2.2 -族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级n n1 1、族元素族元素 ，在，在GaAsGaAs中一般起中一般起受主作用受主作用。AgAg受主能级受主能级受主能级受主能级(E(Ev v+0.11e
31、V)+0.11eV)；AuAu受主能级受主能级受主能级受主能级(E(Ev v+0.09eV)+0.09eV)；LiLi产生产生产生产生2 2个受主能级个受主能级个受主能级个受主能级(E(Ev v+0.023eV)+0.023eV)、(E(Ev v+0.05eV)+0.05eV)；CuCu产生产生产生产生5 5个受主能级个受主能级个受主能级个受主能级(E(Ev v+0.023eV)+0.023eV)、(E(Ev v+0.14eV)+0.14eV)、(E(Ev v+0.19eV)+0.19eV)、(E(Ev v+0.24eV)+0.24eV)、(E(Ev v+0.44eV)+0.44eV)。2.2
32、 -族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级n n2 2、族元素为浅受主杂质族元素为浅受主杂质族元素为浅受主杂质族元素为浅受主杂质在在GaAsGaAs、GaPGaP、InPInP等等III-VIII-V化合物中，铍、镁、锌、化合物中，铍、镁、锌、镉取代镉取代族原子而处于晶格格点上，引入族原子而处于晶格格点上，引入浅受主能级浅受主能级晶体杂质铍铍镁镁锌锌镉镉GaAs0.0300.0300.0300.0300.0240.0240.0210.021GaP0.0560.0560.0540.0540.0640.0640.0090.009GaAs、GaP晶体中受主杂质的电离晶体中受主杂质的电离能能
33、2.2 -族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级n n3 3、 族的族的B B、Al Al 取代取代Ga, Ga, 族的族的P P，锑，锑(Sb)(Sb)取代取代AsAs既既n n 不是施主也不是受主杂质，是电中性杂质。不是施主也不是受主杂质，是电中性杂质。n n等电子杂质效应：在某些化合物半导体，如等电子杂质效应：在某些化合物半导体，如GaPGaP中，掺入中，掺入N N或铋或铋(Bi)(Bi)，取代，取代P P后，在禁带中引入能级，形成等电子陷后，在禁带中引入能级，形成等电子陷阱。阱。n n等电子陷阱形成条件：当掺入原子与基质晶体原子在电负等电子陷阱形成条件：当掺入原子与基质晶体原
34、子在电负性、共价半径方面具有较大差异时，形成等电子陷阱。例性、共价半径方面具有较大差异时，形成等电子陷阱。例如，如，GaPGaP中，掺入中，掺入N N，能俘获电子，成为负电中心；掺入，能俘获电子，成为负电中心；掺入铋铋(Bi)(Bi)，能俘获空穴，成为正电中心。，能俘获空穴，成为正电中心。n n束缚激子：等电子陷阱俘获载流子后，形成带电中心，这束缚激子：等电子陷阱俘获载流子后，形成带电中心，这一带电中心又能俘获另一种异号载流子，形成束缚激子。一带电中心又能俘获另一种异号载流子，形成束缚激子。2.2 -族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级n n3 3、 族的族的B B、Al Al 取
35、代取代Ga, Ga, 族的族的P P，锑，锑(Sb)(Sb)取代取代AsAs既既不是施主也不是受主杂质，是不是施主也不是受主杂质，是电中性杂质电中性杂质。l l束缚激子在束缚激子在间接带隙半导体材料制造的发光器件中间接带隙半导体材料制造的发光器件中，起主，起主要的作用。要的作用。l l除了等电子杂质原子可以形成等电子陷阱外，除了等电子杂质原子可以形成等电子陷阱外，等电子络合等电子络合物也能形成等电子陷阱物也能形成等电子陷阱。例如，在。例如，在GaPGaP中，当中，当相邻晶格点相邻晶格点的两个杂质原子的两个杂质原子ZnZnGaGa与与OOP P形成形成ZnZnGaGa-O-OP P络合物时络合物
36、时，也形成，也形成可以俘获电子的等电子陷阱，成为负电中心。可以俘获电子的等电子陷阱，成为负电中心。2.2 -族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级GaAs电子浓度和硅杂质浓度的关系电子浓度和硅杂质浓度的关系4 4、 族杂质在族杂质在- -族化合物中族化合物中的双性行为的双性行为 族元素取代族元素取代族原子那么起族原子那么起施主作用；施主作用； 族元素取代族元素取代族原子那么族原子那么起受主作用。起受主作用。 导带中电子浓度随硅杂质浓度的增加而增加，当硅杂质浓度导带中电子浓度随硅杂质浓度的增加而增加，当硅杂质浓度增加到一定程度时趋于饱和。增加到一定程度时趋于饱和。硅先取代硅先取代GaG
37、a原子起施主作用，随原子起施主作用，随着硅浓度的增加，硅取代着硅浓度的增加，硅取代AsAs原子起受主作用，即表现出双性行原子起受主作用，即表现出双性行为。为。2.2 -族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级n n5、族元素族元素取代取代族原子，引入施主能级族原子，引入施主能级族元素氧、硫、硒、碲比族元素氧、硫、硒、碲比族元素多族元素多一个价电子而且容易失去，所以表现为施主杂质。一个价电子而且容易失去，所以表现为施主杂质。晶体杂质硫硫硒硒碲碲GaAs0.0060.0060.0060.0060.030.03GaP0.1040.1040.1020.1020.08950.0895GaAs、G
38、aP晶体中受主杂质的电离能晶体中受主杂质的电离能(eV)2.2 -族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级n n6 6、掺过渡族元素，在、掺过渡族元素，在GaAsGaAs中，中，GrGr、MnMn、CoCo、NiNi均产生均产生1 1个受主能级，而个受主能级，而FeFe产生产生2 2个受主能级；在个受主能级；在GaPGaP中，中，FeFe、CoCo、NiNi产生产生2 2个受主能级；而个受主能级；而V V、TiTi可以产生可以产生1 1个受主能级个受主能级和和1 1个施主能级。个施主能级。n n将将CrCr掺入掺入n n型型GaAsGaAs中，由于杂质的补偿作用，可以制备高中，由于杂质
39、的补偿作用，可以制备高电阻率的半绝缘电阻率的半绝缘GaAsGaAs晶体，电阻率到达晶体，电阻率到达106107106107 cmcm，可以用来作为集成电路衬底。可以用来作为集成电路衬底。氮化镓的杂质能级氮化镓的杂质能级目前常用硅作为目前常用硅作为GaN的的n型掺杂，用镁，型掺杂，用镁，锌作为锌作为GaN的的p型掺杂。型掺杂。硅作为施主的电离能：硅作为施主的电离能：0.0120.02eV镁作为受主的电离能：镁作为受主的电离能：0.140.21eV2.2 -族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级2.3 缺陷、位错能级缺陷、位错能级n n2.3.1 2.3.1 点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷n
40、n 间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位n n 肖特基缺陷：晶体内形成空位而无间隙原子。肖特基缺陷：晶体内形成空位而无间隙原子。肖特基缺陷：晶体内形成空位而无间隙原子。肖特基缺陷：晶体内形成空位而无间隙原子。n n 弗仓克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。弗仓克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。弗仓克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。弗仓克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。n n 硅、锗材料中空位硅、锗材料中空位硅、锗材料中空位硅、锗材料中空位VSiVSi、VGeVGe表现为受主表现为受
41、主表现为受主表现为受主; ; 间隙原间隙原间隙原间隙原子表现为施主子表现为施主子表现为施主子表现为施主n n 注意，间隙原子与间隙式杂质概念不同，作用也注意，间隙原子与间隙式杂质概念不同，作用也注意，间隙原子与间隙式杂质概念不同，作用也注意，间隙原子与间隙式杂质概念不同，作用也不同，间隙式杂质既可以表现为施主，也可以表现不同，间隙式杂质既可以表现为施主，也可以表现不同，间隙式杂质既可以表现为施主，也可以表现不同，间隙式杂质既可以表现为施主，也可以表现为受主。为受主。为受主。为受主。n n化合物半导体：化合物半导体：化合物半导体：化合物半导体：GaAsGaAs中，砷空位和镓空位都是受主；中，砷空
42、位和镓空位都是受主；中，砷空位和镓空位都是受主；中，砷空位和镓空位都是受主；n nVI-IIVI-II族化合物族化合物族化合物族化合物MXMX，正离子空位，正离子空位，正离子空位，正离子空位VMVM是受主，负离子空是受主，负离子空是受主，负离子空是受主，负离子空位位位位VXVX是施主；是施主；是施主；是施主；X X间隙是受主，间隙是受主，间隙是受主，间隙是受主，MM间隙是施主。间隙是施主。间隙是施主。间隙是施主。n n二元化合物二元化合物二元化合物二元化合物ABAB，替位原子构成反构造缺陷，替位原子构成反构造缺陷，替位原子构成反构造缺陷，替位原子构成反构造缺陷，ABAB是是是是受主，受主，受主
43、，受主，BABA是施主。是施主。是施主。是施主。2.3 缺陷、位错能级缺陷、位错能级化合物半导体中，利用成分偏离正常的化学比的现化合物半导体中，利用成分偏离正常的化学比的现化合物半导体中，利用成分偏离正常的化学比的现化合物半导体中，利用成分偏离正常的化学比的现象来控制材料的导电类型象来控制材料的导电类型象来控制材料的导电类型象来控制材料的导电类型 化合物中的替位原子，如化合物中的替位原子，如化合物中的替位原子，如化合物中的替位原子，如GaGaGaGa取代取代取代取代AsAsAsAs的位置起受主作用；的位置起受主作用；的位置起受主作用；的位置起受主作用；AsAsAsAs取代取代取代取代GaGaG
44、aGa的位置起施主作的位置起施主作的位置起施主作的位置起施主作用，这种点缺陷称为反构造缺陷用，这种点缺陷称为反构造缺陷用，这种点缺陷称为反构造缺陷用，这种点缺陷称为反构造缺陷2.3 缺陷、位错能级缺陷、位错能级n n2.3.2 2.3.2 位错位错n n 线位错在一条线附近原子的排列偏离了严格线位错在一条线附近原子的排列偏离了严格的周期性的周期性n n 面位错在一个面附近原子的排列偏离了严格面位错在一个面附近原子的排列偏离了严格的周期性的周期性n n 根据实验测得：根据实验测得：n n Si Si中位错能级在价带顶上面处中位错能级在价带顶上面处n n Ge Ge中的位错能级在导带底下面处中的位
45、错能级在导带底下面处n n 都属于深受主能级都属于深受主能级n n 当位错密度较高时，由于它和杂质之间的补当位错密度较高时，由于它和杂质之间的补偿作用，能使浅施主杂质的偿作用，能使浅施主杂质的n n型型SiSi、GeGe中的电子中的电子浓度降低，而对浓度降低，而对p p型型SiSi、GeGe却没有这种影响。却没有这种影响。本章小结本章小结一一 重要术语解释重要术语解释1 1掺杂掺杂掺杂掺杂2. 2. 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体3. 3. 非本征半导体非本征半导体非本征半导体非本征半导体4. 4. 补偿型半导体补偿型半导体补偿型半导体补偿型半导体5.5.多数载流子多数载流子多数载流
46、子多数载流子6. 6. 少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子7. n7. n型半导体型半导体型半导体型半导体8. p8. p型半导体型半导体型半导体型半导体9. 9. 施主杂质，施主能级，施主杂质电离能施主杂质，施主能级，施主杂质电离能施主杂质，施主能级，施主杂质电离能施主杂质，施主能级，施主杂质电离能 10. 10. 受主杂质，受主能级，受主杂质电离能受主杂质，受主能级，受主杂质电离能受主杂质，受主能级，受主杂质电离能受主杂质，受主能级，受主杂质电离能本章小结本章小结n n掺杂：通过在半导体材料中掺入杂质以改变半导掺杂：通过在半导体材料中掺入杂质以改变半导体材料的载流子浓度的方法。体材料
47、的载流子浓度的方法。n n本征半导体：没有掺杂的半导体，其内部的电子本征半导体：没有掺杂的半导体，其内部的电子和空穴成对出现，叫做本征半导体。和空穴成对出现，叫做本征半导体。n n非正征半导体：半导体材料内部由于杂质或缺陷，非正征半导体：半导体材料内部由于杂质或缺陷，使得电子或空穴任意一方增加，这样的半导体叫使得电子或空穴任意一方增加，这样的半导体叫做掺杂半导体。做掺杂半导体。学完本章后，应具备如下的能力：1画出施主和受主杂质电离图，说明施主杂质和受主杂质的电离过程2. 使用能带理论解释施主杂质和受主杂质的作用3. 解释杂质的补偿、杂质的双性行为；4. 解释浅能级杂质和深能级杂质及其作用。本章小结本章小结汇报结束谢谢大家!请各位批评指正
