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Chapter 2 半导体中的杂质和缺陷能级;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
;由于纯度有限,半导体原材料所含有的杂质
半导体单晶制备和器件制作过程中的污染
为改变半导体的性质,在器件制作过程中有目的掺入的某些特定的化学元素原子;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;晶格中的空位;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离
使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电离能
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,使半导体成为电子导电的n型半导体。
施主杂质未电离时为中性的,称为束缚态或中性态,电离后称为离化态
电子挣脱正电中心束缚所需能量为电离能
被束缚的电子能量状态称为施主能级, 记为Ed,离导带底很近。
施主能级为孤立能级;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;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。
受主杂质的电离过程,可以用能带图表示:;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;晶体;浅能级杂质:电离能小的杂质称为浅能级杂质。
所谓浅能级,是指施主能级靠近导带底,受主能级靠近价带顶。
室温下,掺杂浓度不很高的情况下,浅能级杂质几乎可以可以全部电离。五价元素磷(P)、锑(Sb)在硅、锗中是浅受主杂质,三价元素硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)在硅、锗中为浅受主杂质。
;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;深能级杂质对半导体的影响
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。。
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 硅锗半导体中的杂质能级;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;施主和受主浓度:ND、NA;2.1 硅锗半导体中的杂质能级;价键结构:
含有离子键成分的共价键结构;Ⅲ族元素:B, Al, Ga, In ,Tl
Ⅴ族元素:N, P,As, Sb, Bi;Ⅱ族杂质.与Ⅲ族原子价电子数相近,通常取代晶格中Ⅲ族原子,因为少一个价电子,取代晶格原子后,具有获得一个电子完成共价键的趋势,是受主杂质,而且电离能较小,在Ⅲ-Ⅴ族化合物中引入浅受主能级,所以Ⅱ族杂质是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的p型掺杂剂,如GaAs中的Mg、Zn。; 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。;等电子杂质
当Ⅲ族或Ⅴ族杂质掺入不是由它们本身构成的Ⅲ-Ⅴ族化合物中,取代同族
晶格原子时,既可以引入杂质能级,也可能不引入能级,这取决于杂质种类
和Ⅲ-Ⅴ族化合物的种类。 与晶格基质原子具有相同价电子的杂质称为等电子
杂质。但是某些等电子杂质取代晶格上的同族原子后,因为与晶格原子的共
价半径与负电性的显著差别,能够在晶体中俘获某种载流子成为带电中心,
这种带电中心叫等电子陷阱。
;;2.3 半导体中的缺陷能级;点缺陷对半导体性质的影响:
1)缺陷处晶格畸变,周期性势场被破坏,致使在禁带中产生能级。
2)热缺陷能级大多为深能级,在半导体中起复合中心作用,使非平衡载流子浓度和寿命降低。
3)空位缺陷有利于杂质扩散
4)对载流子有散射作用,使载流子迁移率和寿命降低。;●反结构缺陷
GaAs受主 ,AsGa施主;位错形成原因:晶格畸变
刃位错对半导体性能的影响:
;什么叫施主?什么叫施主电离?施主电离前后有何特征?试举例说明之,并用能带图表征出n型半导体。
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