半导体物理课件第二章.pptVIP

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半导体物理课件第二章.ppt

第2章 半导体中杂质和缺陷能级 要求 掌握锗、硅晶体中的杂质能级, Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级。 理解点缺陷。 实际半导体晶体 杂质 (impurity):在半导体晶体中引入的新的原子或离子 缺陷 (defect):晶体按周期性排列的结构受到破坏 掺杂工艺 ? 在单晶生长过程中掺入杂质 在高温下通过杂质扩散的工艺掺入杂质 离子注入杂质 在薄膜外延工艺过程中掺入杂质 用合金工艺将杂质掺入半导体中 掺杂浓度 (施主杂质ND,受主杂质NA) 掺杂浓度:单位体积中掺入杂质的数目。 1014~1020cm-3 硅晶体中:5x1022cm-3个原子 请估算杂质原子与Si原子的比例。 为什么极微量的杂质和缺陷,能够对半导体材料的物理、化学性质产生决定性影响? 杂质和缺陷的存在,会使周期性势场受到破坏,有可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态(即能级),从而对半导体的性质产生决定性影响。 杂质、缺陷能级位于禁带之中 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。 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ΔED。 n型半导体 依靠导带电子导电的半导体。 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ΔEA p型半导体 依靠价带空穴导电的半导体。 P型半导体 浅能级杂质 电离能小的杂质称为浅能级杂质。 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、正、负电荷处于介电常数ε=ε0εr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 估算结果与实际测量值有相同数量级 2.1.5杂质的补偿作用 假如半导体中,同时存在着施主和受主杂质,半导体是n型还是p型呢? 这要看哪一种杂质浓度大,因为施主和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 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ND≈NA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,该区就成为p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 2.2 III-V族化合物中的杂质能级 III族元素:硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl) V族元素:氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi) 1、I族元素 一般在砷化镓中引入受主能级。 如:银、金、铜、锂。 (1)等电子杂质 特征: a、与基体原子同族另外原子 如: III 硼、铝 V 磷、锑。 参入到砷化镓中,在禁带中不引入能级。 b、以替位形式存在于晶体中,基本上是电中性的。 (2)等电子陷阱 等电子杂质(如N或Bi )占据本征原子位置

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