第二章半导体中的杂质和缺陷2015-3-25课程.ppt

学校：西安科技大学 院系：电控学院电子科学系;第二章 半导体中的杂质和缺陷;理想半导体： 1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格 结构。 2、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——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——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。 2、杂质电离提供载流子。 ;主要内容;§2-1 硅、锗晶体中的杂质能级;(2) 替位式→杂质占据格点位置。大小接近、电子壳层结构相近;1. VA族的替位杂质——施主杂质;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。;;施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。;在Si中掺入B;Ec;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。;施主和受主浓度：ND、NA;等电子杂质;N型半导体 特征：;P型半导体价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电子为少子。;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 ;施主向导带提供的载流子 =1016～1017/cm3 本征载流子浓度;上述杂质的特点：;4. 浅能级杂质电离能的简单计算;玻尔原子电子的运动轨道半径为：;类氢模型：计算束缚电子或空穴运动轨道半径及电离能;对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径约为24.4 ?：;施主能级靠近导带底部;对于Si、Ge掺B;Ec;Ec;(3) ND≈NA;6. 深杂质能级;例：在Ge中掺Au 可产生3个受主能级，1个施主能级;1. Au失去一个电子—施主;Ec;3.Au获得第二个电子;4.Au获得第三个电子;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。;§2-2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级 ;Ga;●等电子杂质 ;点缺陷：空位、间隙原子 线缺陷：位错 面缺陷：层错、晶界;点缺陷的表示;2.元素半导体中的缺陷;(2) 填隙;As;4.Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的缺陷;a.负离子空位;b.正离子填隙;产生负电中心，起受主作用;产生负电中心，起受主作用;负离子空位;一、线缺陷——晶体内部偏离周期性点阵结构的一维缺陷。 晶体中有许多晶面，如果沿着一晶面，晶体的一部分相对于另一部分发生滑移时，在滑移部分与未滑移部分的交界处，晶体中某处的一列或几列原子发生错排产生线性点阵畸变区，则这种一维缺陷称为线缺陷。 晶体中最重要的一种线缺陷是位错。位错在晶体的范性与强度、断裂、相变以及其他结构敏感性问题中起着重要作用。 位错——在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。 二、位错的基本类型 位错是晶体结构中的一种缺陷，也可以说是原子排列的一种特殊组态。位错最简单、最基本的类型是“刃位错”和“螺位错”。; 刃型位错的特点是位错线垂直于滑移矢量b； 螺型位错的特点是位错线平行于滑移矢量b。 滑移矢量b又称为伯格斯（Burgers）矢量（简称伯氏矢量），它的模等于滑移方向上的平衡原子间距，它的方向代表滑移方向。 ;位错线的特征：;混合型位错——位错线与滑移矢量既不平行又不垂直，如右图。 E处——位错线与滑移矢量平行，是纯螺型位错， F处——位错线与滑移矢量垂直，是纯刃型位错。 其余——位错线与滑移矢量既不平行又不垂直，属混合型位错。 混合位错的原子排列介于刃型位错和螺型位错之间，可以分解为刃型位错和螺型位错 。;位错的观察; （1）位错是热力学上不稳定的线缺陷，而且具有一定的宽度。 （2）半径比主晶格原子大的替位杂质倾向于在伸长变形区聚焦，而半径较小的则倾向于在压缩变形区聚焦。可见位错线类似于一根高能“管道”，它是晶体内空位的“源”和“漏”。 （3）位错向下攀移形成空位源，它向体内释放空位；位错向上攀移形成空位漏，它将聚集体内的空位。晶体在升降温过程中，体内的平衡空位数或其它缺陷的浓度的变化也是通过位错攀移运动来实现。 （4）在这根高能管道内及其附近，由于晶格畸变有较大的应力集中，在晶体内形成应力场，位错线附近原子的能量高于正常格点上原子的能量，所以管道内及其附近的原子容易被杂质原子替代，形成复杂的电荷中心，且易被腐蚀。 （5）对于