半导体物理与器件第四章2课件.ppt

半导体物理与器件 陈延湖 4.2 掺杂原子与能级 为什么要掺杂？ 本征半导体的使用存在诸多限制，掺杂能明显的改变本征半导体的电学特性，从而展现出半导体的真正能力 掺杂半导体称为非本征半导体，它是我们能够制造各种半导体器件的基础 掺杂原子 杂质 杂质原子 替位式杂质： 杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近 价电子壳层结构比较相近 施主杂质 施主能级 磷原子有5个价电子，硅有4个价电子。结果一个磷原子占据一个硅原子后，形成一个正电中心P+和一个多余的价电子。 施主杂质 施主能级 施主杂质或N型杂质： 磷原子这种能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心的杂质 施主杂质电离：电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程 施主杂质电离能：使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量 N型半导体或电子型半导体：掺入施主杂质，杂质电离后，增加导带中导电电子而并不产生价带空穴的半导体 施主能级 施主能级ED： 当杂质的束缚电子得到能量后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底 低 。将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为 受主杂质 受主能级 B原子占据硅原子的位置。磷原子有三个价电子。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中形成了一个空穴。 这时B原子就成为多了一个价电子的磷离子B－，它是一个不能移动的负电中心。 空穴束缚在负电中心B－的周围。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 受主能级 受主杂质或P型杂质： 能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心的杂质 受主电离：空穴摆脱受主杂质束缚的过程 受主杂质电离能ΔEa：使空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量 P型半导体或空穴型半导体：掺入受主杂质，杂质电离后，增加价带中导电空穴而并不产生导带电子的半导体 受主能级 当空穴得到能量后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，所以电子被受主杂质束缚时的能量比价带顶 高 。将被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级，记为 ， 受主能级位于离价带顶很近的禁带中。同样也是一组分立的能级 浅能级杂质电离能的简单计算 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。 只有电离能较小的杂质称为浅能级杂质 4 浅能级杂质电离能的简单计算 类氢模型：以参入硅中的磷原子为例，磷原子比周围的硅原子多一个电子电荷的正电中心和一个束缚着的价电子，相当于在硅晶体上附加了一个“氢原子”，所以可以用氢原子模型估计 的数值。 基态电子轨道半径r 浅能级杂质电离能的简单计算 与实验测量值具有相同数量级 杂质的补偿作用 常用符号：ND代表施主杂质浓度；NA代表受主杂质浓度；n代表导带中电子浓度；p代表价带中空穴浓度 浓度：单位体积的粒子数。如： 个/cm3 杂质的补偿作用 杂质补尝：半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们之间有相互抵消的作用，这种作用称为杂质补偿。 杂质的补偿作用 杂质完全或高度补偿：当 时，由于施主电子刚好填充受主能级，几乎不向导带和价带提供电子和空穴。这种情况称为杂质的完全补偿或高度补偿。 深能级杂质 如果杂质产生的施主能级距离导带底较远，受主能级距离价带顶较远，这种能级称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质 不容易电离，对载流子浓度影响不大 能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低 深能级杂质电离后成为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。 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 深能级杂质 Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中的杂质 化合物半导体包括两种元素，杂质掺杂特性较硅，锗材料复杂。 Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中的杂质 施主杂质： 六族元素如氧，硫等，常取代五族砷表现为施主杂质 Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中的杂质 等电子杂质（中性杂质）： 三 族元素（B、Al、In）和五族元素（P、Sb）在 GaAs 中通常分别替代 Ga 和 As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数，对 GaAs 的电学性质没有明显影响。在禁带中不引入能级。 4.3 非本征半导体 非本征半导体：掺入定量的特定的杂质原子（施主或受主），从而热平衡电子和空穴浓度不同于本征载流子浓度的半导体材料。 掺入施主杂质，杂质电离形成导带电子和正电中心（施主离子），而不产生空穴（实际上空穴减少），因而电子浓度会超过空穴，这时半导体就是n型半导体；在n型半导体中，电子称为多数载流子，相应空穴成为少数载流子。 相反，掺入受主杂质，形成价带空穴和负电中心（受主离子），空穴浓度超过电子，这时半导体就是p型半导体，多数载流子为空穴，少数载流子为电子。 掺入施主杂质，费米能级向