半导体物理与器件基础-第2章分析.ppt

Prof.LEI 半导体物理与器件基础 雷天民 西Ⅱ-206 leitianmin@163.com 第二章 半导体中的杂质和缺陷 硅、锗晶体中的杂质能级 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级 缺陷 位错能级 杂质电离：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，所需能量为杂质电离能ΔE。 施主电离：施主杂质释放电子的过程称为施主电离，对应的电离能称为施主电离能ΔED。 受主电离：空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离，对应的电离能称受主电离能ΔEA。 本章小结 请同学自己完成！ 作业：7、8 §2.3 缺陷、位错能级 同理，负电中心在中性态时束缚着空穴，被束缚的空穴容易被激发至价带而留下固定的负电中心。所以负电中心起受主作用，相应在禁带中引入受主能级。 若正、负电中心带有多个电子电荷，则可分别产生多重施主能级和多重受主能级。 §2.3 缺陷、位错能级 半导体中的缺陷类型和密度可以影响半导体的导电类型和载流子数目。 四、位错 位错是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件的性能会产生严重影响。 但是，目前仅对硅、锗中的位错了解得稍多一些，对于其它半导体中的位错了解很少，甚至还没有了解。 §2.3 缺陷、位错能级 在棱位错周围，晶格发生畸变。理论指出，有体积形变时，导带底 Ec 和价带顶 Ev 的改变可分别表示为 其中，εc 和 εv 分别为单位体变引起的 Ec 和 Ev 的变化，称为形变势常数，即 于是，禁带宽度的变化为 §2.3 缺陷、位错能级 * 半导体中存在杂质原子或缺陷时，它们产生的附加势场使严格的周期势场被破坏，导致电子束缚在杂质原子或缺陷周围，相应的能级位于禁带之中，称为杂质或缺陷能级。 由于被束缚的电子态，其波函数遍及范围只在杂质附近局部范围内，又称此为局域化电子态。 杂质和缺陷对半导体性质的影响极大，其在半导体中的作用与它们引入的能级有密切关系。 §2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 本节要点： 杂质与杂质能级 施主杂质 施主能级 受主杂质 受主能级 浅能级杂质电离能的简单计算 杂质的补偿作用 深能级杂质 一、杂质与杂质能级 杂质:半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。 替位式杂质与间隙式杂质 杂质能级位于禁带中 Ev Ec 杂质能级 §2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 二、施主（Donor）与受主（Acceptor） 施主：掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电电子，并成为带正电的离子。如Si中掺P、As、Sb 受主：掺入的杂质原子向半导体中提供导电空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的Al、B、Ga、In 电离施主Sb+ 电离受主B－ §2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 １、杂质的电离 　　很小的能量就能使电子（空穴）挣脱杂质能级的束缚，成为导电电子或导电空穴，在晶格中自由运动，这时的杂质原子就成为少（多）了一个价电子的正、负离子，它是一个不能移动的正（负）电中心。 §2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 Sb原子中这个多余的电子的运动半径远远大于其余四个电子，所受到的束缚最小，极易摆脱束缚成为自由电子。 设施主能级为ED，则?ED=EC-ED。 EC ED △ED 2、施主杂质与施主能级 §2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 0.0096 0.0127 0.0126 Ge 0.039 0.049 0. 044 Si Sb As P 杂质 晶体 施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。 §2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 3、受主杂质与受主能级 Ec Ev EA §2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 0.011eV 0.065eV Ga 0.011eV 0.01eV 0.01eV Ge 0.16eV 0.057eV 0. 045eV Si In Al B 杂质 晶体 受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带激发的电子所占据（空穴由受主能级向价带激发）。 §2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 4、杂质能级的表示 + + + EC EV ED - - - EA EC EV §2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 　　杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发。所需要的能量称为杂质的电离能。 　　电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为本征激发，只有本征激发的半导体称为本征半导体。 　　掺受主的半导体的价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴（空穴数电子数），对应的半导体称为P型半导体。空穴为多子，电子为少子。 　　掺施主的半导体的导带电子数主要由施主决定，半导体导