半导体物理2解读.ppt

半导体物理 光电工程学院微电子教学部 冯世娟 fengsj@cqupt.edu.cn 第二章 半导体中杂质和缺陷能级 理想半导体： 1、原子严格地周期性排列，晶体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。由本征激发提供载流子 ?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。 第二章 半导体中杂质和缺陷能级 实际材料中 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。 第二章 半导体中杂质和缺陷能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2. 施主杂质 施主能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 Ⅴ族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质 2.1 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Ⅴ族杂质的电离能 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 3. 受主杂质 受主能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为受主杂质电离能。 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。 2.1 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Ⅲ族杂质的电离能 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 4. 浅能级杂质电离能的简单计算 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 类氢模型 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 5. 杂质的补偿作用 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 从能带角度理解： 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 6. 深能级杂质 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 杂质在GaAs中的存在形式 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 施主杂质 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 受主杂质 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 两性杂质 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 掺Si的GaAs一般表现为n型。这是因为掺入的Si大部分占据Ga的位置。 在Si的浓度小于1018／cm3,电子浓度大致与Si的浓度相等。但当Si的浓度更高时，电子浓度低于Si的浓度，且电子浓度有饱和的倾向。这说明有相当一部分硅占据了As的位置而起受主作用。而出现了杂质的补偿作用。 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 中性杂质 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 等电子陷阱 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 束缚激子 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 2.3 缺陷、位错能级 1. 点缺陷 2.3 缺陷、位错能级 2.3 缺陷、位错能级 半导体中主要的点缺陷 2.3 缺陷、位错能级 GaAs的点缺陷 2.3 缺陷、位错能级 2. 位错 2.3 缺陷、位错能级 60°棱位错 2.3 缺陷、位错能级 三种情况： 1）取代砷 2）取代镓 3）填隙 周期表中的Ⅵ族元素(Se、S、Te)在GaAs中通常都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置，由于Ⅵ族原子比Ⅴ族原子多一个价电子，因此Ⅵ族杂质在GaAs中一般起施主作用，为浅施主杂质。 Ⅱ族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素Ga原子的晶格位置，由于Ⅱ族原子比Ⅲ族原子少一个价电子，因此Ⅱ族元素杂质在GaAs中通常起受主作用，均为浅受主。 Ⅳ族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs中的作用比较复杂，可以取代Ⅲ族的Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同时取代两者，因此Ⅳ族杂质不仅可以起施主作用还可以起受主作用。如Si在GaAs中引入的施主能级和受主能级分别在导带以下0.006eV和价带以上0.03eV处。 Ge和Sn在GaAs中也主要起施主作用，常用作n型材料的掺杂剂． 杂质的双性行为 Ⅲ族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元素（P、Sb）在GaAs中通常分别替代Ga和