《半导体物理学》Semi_Phys06.ppt

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 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） 即使微量的杂质，对半导体的导电能力会带来巨大的影响----半导体的特性。 杂质：与本体原子不同元素的原子。 （只有替位杂质才能被激活） 正如一般电子为晶体原子所束缚的情况，电子也可以受杂质的束缚，形成杂质能级。电子也具有确定的能级，这种杂质能级处于禁带（带隙）之中，它们对实际半导体的性质起着决定性作用。 杂质存在的方式--替位式杂质和间隙式杂质 替位式杂质：激活的。 间隙式杂质：中性的（束缚的） 一、替位式杂质、间隙式杂质 替位式杂质 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 杂质原子小于晶体原子 计算表明：在晶体的晶胞中，只有34%是被原子占据，其余66%都是空的。可以很容易被一些杂质原子占据。 杂质浓度：单位体积内的杂质原子数 二、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。 三、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。 四、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∞时 氢原子基态电子的电离能 考虑到正、负电荷处于介电常数ε=ε0εr的介质中，且处于晶格形成的周期性势场中运动，所以有： 施主杂质电离能 受主杂质电离能 五、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 补偿半导体 有效杂质浓度 补偿后半导体中的净杂质浓度。 六、深能级杂质 非III、V族元素（37页图2-9） 特点 多为替位式杂质 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。 深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。 金是I族元素，在锗中： 可失去一个电子，施主能级略高于价带顶； 也可得到三个电子，形成稳定的共价键结构。但由于库仑力的排斥作用，后获得电子的电离能大于先获得电子的电离能。即EA3EA2EA1。 金存在ED、 EA3、EA2、EA1四个孤立能级。 金是I族元素，在硅中： 导带之下0.54 eV 处有一个深受主能级， 在价带之上0.35 eV有一深施主能级。 深能级杂质在半导体中起着多方面的作用 可以是有效复合中心，使载流子寿命大大降低； 可以成为非辐射复合中心，而影响发光效率； 可以作为杂质补偿，大大提高材料的电阻率。 * * 周期性势场被破坏 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●Si ●P 对于Si中的P原子， 剩余电子的运动 半径：r ~ 65 ? Si的晶格常数为 5.4? ○ 对于Ge中的P