晶体及半导体材料讲解.ppt

半导体其它特性-2 掺杂效应（杂质敏感性） 半导体的电导（阻）率与材料中的杂质元素含量有关 高纯半导体材料几乎不导电，极少量的杂质即可大大提高半导体材料的电导率。 热敏特性（负温度电阻系数） 导电性能随环境温度的改变而明显变化 与多数金属导体相反，电阻率随温度升高而降低 各向异性 作为固体晶体，半导体也具有显著的物理和机械的各向异性 半导体材料用途 电子元器件 分离元器件：半导体二极管、晶体管（三极管）、 可控硅（闸流管）。 各种LED（发光二极管）、光热-电传感元器件。 (极)大规模集成电路 以个人电脑CPU为代表的集成电路芯片。 太阳电池 几乎95%以上的太阳电池都使用半导体硅材料制作。 本征半导体 本征半导体 没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体(intrinsic- semiconductor) 。 载流子 晶体中荷载电流（或传导电流）的粒子。可以是电子或空穴。 电子-空穴对 本征半导体受到光电注入或热激发时，部分电子会挣脱共价键的束缚，跃迁成为自由电子。原来位置形成带正电的空位，称为空穴。电子和空穴合称为电子-空穴对。电子和空穴均能自由移动，称为自由载流子。 热激发产生的电子跃迁过程称为本征激发。 硅的原子结构 硅的外层电子排列为1S22S22P63S23P2，如下图所示。最外层的4个价电子都与邻近的原子构成共价键结构。这时，每两个相邻原子之间都共用一对电子，使原子的最外层轨道上形成了8个价电子的稳定原子结构。 +14 最外层价电子 内层电子 原子核 共价键 硅的本征激发示意 电子-空穴对 目 录 晶体 半导体 掺杂和杂质 半导体的掺杂 掺杂的意义 电子-空穴数量相同，在本征半导体体内达到一个动态平衡。即同一时间既有激发的电子与空穴复合，也有新的位置上价电子的激发。 本征激发所产生的自由电子与空穴统称非平衡载流子，数量较少。正常情况下半导体导电性很弱，没有实际应用意义。 为了应用于实际生产、生活中，人们有意识地在高纯半导体中掺入特定种类和特定数量的杂质，以使半导体表现出特定的电学和光学等性能。 这种人为有意识掺入的杂质称为掺杂杂质。 * 掺杂是在高纯半导体材料基础上进行的，为此，首先要得到高纯材料 。 对半导体粗材料的提纯与掺杂过程相反，是除去材料内原有的不需要的杂质。 P型(IIIA族)掺杂 B（Al）：最外层有3个价电子。取代晶格结点中硅原子构成共键价时，因缺少一个价电子而形成一个空穴。其它位置的电子补位可看作空穴的移动。 空穴导电型半导体称为P型半导体（Positive-type）。 P型掺杂称为受主杂质（Acceptor）。 N型(VA族)掺杂 P（As、Sb）：最外层有5个价电子。取代晶格结点中硅原子构成共键价时，多余的第五个价电子容易摆脱磷原子核束缚形成自由电子。 电子导电型半导体称为N型半导体（Negative-type）。 N型掺杂称为施主杂质（Donor）。 * 注意：不论P型或N型半导体，尽管其中有一种载流子占多数，但整个晶体 仍然是不带电的，即电中性。 P型和N型掺杂 B、P原子结构示意 P：1S22S22P63S23P3 B：1S22S22P1 +5 +15 硼:+5 硅:+14 硅:+14 硅:+14 硅:+14 P型掺杂示意 N型掺杂示意 磷:+15 硅:+14 硅:+14 硅:+14 硅:+14 补偿和“假本征” 硅中同时存在P、N型杂质时，两种杂质形成的空穴和电子相互复合，最终表现出较高的电阻率，从宏观上来看，就好像只掺入少量的杂质。这种情况称为补偿。 如果P、N型杂质产生的空穴与电子基本全部复合，常温下半导体表现出很高的电阻率，甚至接近本征特性。这种情况我们称为假本征。 补偿的假本征与真正的本征半导体存在根本的区别： 首先，替位的杂质引起硅晶格的畸变，进而产生物理性能的变化； 其次，在硅晶体内的P型与N型杂质呈现出不同的物质特性，大量的杂质使半导体在不同的外加电场或光热时表现出复杂的性状。 金属杂质 重金属和过渡金属 Fe、Cu、Ni、Cr、Zn、Ti、Au、Ag、Mn、Co、Hg等过渡金属和重金属元素，在硅中对少数载流子的俘获截面往往比正常的掺杂元素（硼、磷）大2至3个数量级。因此，上述杂质的存在更严重地影响少子的体内寿命（及有效寿命）。 碱金属 K、Na ( Li、Ca ) 等碱金属杂质原子（或离子）在硅中迁移率很高，容易穿透氧化硅膜层而形成表面态和界面态，加速非平衡少数载流子的表面复合，产生表面、界面的漏电流，降低少子的表面寿命（及有效寿命）。 氧、碳杂质 氧、碳