半导体物理2013(第二章)分解.ppt

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。 ;§2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级; 两种杂质特点： 间隙式杂质原子小于晶体原子 替位式杂质： 1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近 2）价电子壳层结构比较相近 如：III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质 杂质浓度：单位体积内的杂质原子数 ;§2.1.2 施主杂质 施主能级; 以硅中掺磷P为例： 磷原子占据硅原子的位置。磷其中四个价电子与周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一个多余的价电子，束缚在正电中心P＋的周围。价电子只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子P＋，它是一个不能移动的正电中心。;施主杂质向导带释放电子的过程为施主电离 施主杂质未电离之前是电中性的称为中性态或束缚态；电离后成为正电中心称为离化态或电离态 使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的最小能量称为施主电离能，施主电离能为ΔED 被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为ED，。 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为主要依靠导带电子导电的n型半导体（也称电子型半导体）。 ;§2.1.3 受主杂质 受主能级; 以硅中掺硼B为例： In原子占据硅原子的位置，与周围的四个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子，这就在Si形成了一个空穴。这时In原子就成为多了一个价电子的磷离子，它是一个不能移动的负电中心。空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动。; 受主杂质释放空穴的过程称为受主电离 使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的最小能量称为受主电离能，记为ΔEA 空穴被受主杂质束缚时的能量状态称为受主能级，记为EA 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，使半导体成为主要依靠空穴导电的p型半导体（也称空穴型半导体）。 ; §2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算;类氢模型 ;§2.1.5 杂质的补偿作用;当ND≈NA 高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高度补偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。 有效杂质浓度 补偿后半导体中的净杂质浓度。;§2.1.6 深能级杂质;深能级的形成 Ⅵ族杂质.多于两个价电子被两个正电荷的杂质中心束缚，类似于一个氦原子，其每个电子平均受到大于一电子电荷的正电中心的作用，从而深能级杂质的电离能比浅能级杂质要大。在电离出一个电子后，带有两个正电荷的杂质中心使第二个电子电离需要更大能量，对应更深的能级，所以Ⅵ族杂质在硅锗中一般产生两重施主能级，如锗中的硒、碲。;深能级的形成 Ⅰ族杂质. 一方面可以失去唯一价电子产生一个施主能级，另一方面也能依次接受三个电子与周围四个近邻原子形成共价键，相应产生三个由浅到深的受主深能级。原则上Ⅰ族杂质能产生三重受主能级，但是较深的受主能级有可能处于允带之中，某些Ⅰ族杂质受主能级少于三个。 Ⅱ族杂质。与Ⅵ族杂质情况类似，可以产生两重受主能级。;深能级的基本特点： 1、含量极少，而且能级较深，不易在室温下电离，对载流子浓度影响不大； 2、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。 3、能级位置利于促进载流子的复合，其复合作用比浅能级杂质强，使少数载流子寿命降低，称这些杂质为复合中心杂质。（在第五章详细讨论） 4、深能级杂质电离后对载流子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。 ;§2.1.7 化合物半导体中的杂质能级; Ⅵ族杂质：与Ⅴ族晶格原子的价电子数相近，在Ⅲ-Ⅴ族化合物中取代Ⅴ族晶格原子，与周围晶格原子形成共价键后多余一个价电子，易失去这个价电子成为施主杂质，一般引入浅施主能级，如GaAs中的S、Se。可作为n型掺杂剂。 Ⅳ族杂质：既可以取代Ⅲ族晶格原子起施主作用，又可以取代Ⅴ族晶格原子起受主作用，从而在Ⅲ-Ⅴ族化合物中引入双重能级——双性行为。; 四族元素：硅在砷化镓中会产生双性行为，即硅的浓度较低时主要起施主杂质作用，当硅的浓度较高时，一部分硅原子将起到受主杂质作用。 这种双性行为可作如下解释： 因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不仅取代镓原子起着施主杂质的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起着受主杂质的作用，因而对于取代Ⅲ族原子镓的硅施主杂质起到补偿作用，从而降低了有效施主杂质的浓度，电子浓度趋于饱和。 ;Ⅲ、Ⅴ族元素：——等电子杂质 当Ⅲ族或Ⅴ族