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第2章 半导体中的杂质与缺陷
B
A
P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。
P原子具有提供电子的能力,称其为施主杂质。
设施主杂质能级为ED
施主杂质的电离能△ED=弱束缚的电子摆脱束缚
成为晶格中自由运动的
电子(导带中的电子)
所需要的能量
=EC-ED
EC
ED
△ED
Ec
Ev
施主能级靠近导带底部
对于Si、Ge掺P
ED
施主杂质的电离能小,在常温下基本上电离。
(1)在Si中掺入B
B具有得到电子的性质,这类杂质称为受主杂质。
受主杂质向价带提供空穴。
2.元素半导体中ⅢA族替位杂质的能级
B获得一个电子变成负离子,成为负电中心,周围产生带正电的空穴。
B-
+
B-
受主能级靠近价带顶部
(2)受主电离能和受主能级
以掺B为例:
受主能级EA
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)。
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,半导体导电的载流子主要是电子(电子数空穴数),对应的半导体称为N型半导体。称电子为多数载流子,简称多子,空穴为少数载流子,简称少子。
N型和P型半导体都称为极性半导体
3.杂质的补偿作用
(1)ND>NA
半导体中同时存在施主和受主杂质,施主和受主之间有互相抵消的作用
此时半导体为n型半导体
n=ND-NA
(2) NDNA
此时半导体为p型半导体
p=NA- ND
(3) ND≈NA
杂质的高度补偿
(2) 填隙
Si
间隙原子缺陷起施主作用
1.Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中的杂质和缺陷
三、 化合物半导体中的杂质和缺陷
●施主杂质
周期表中的Ⅵ族元素(Se、S、Te)在GaAs中通常都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置,由于Ⅵ族原子比Ⅴ族原子多一个价电子,因此Ⅵ族杂质在GaAs中一般起施主作用,为浅施主杂质。
●受主杂质
Ⅱ族元素(Zn、Be、Mg、Cd、Hg)在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素Ga原子的晶格位置,由于Ⅱ族原子比Ⅲ族原子少一个价电子,因此Ⅱ族元素杂质在GaAs中通常起受主作用,均为浅受主。
● 两性杂质
Ⅳ族元素杂质(Si、Ge、Sn、Pb)在GaAs中的作用比较复杂,可以取代Ⅲ族的Ga,也可以取代Ⅴ族的As,甚至可以同时取代两者,因此Ⅳ族杂质不仅可以起施主作用和受主作用,还可以起中性杂质作用。例如,在掺Si浓度小于1×1018cm-3时,Si全部取代Ga位而起施主作用,这时掺Si浓度和电子浓度一致;而在掺Si浓度大于1018cm-3时,部分Si原子开始取代As 位,出现补偿作用,使电子浓度逐渐偏低。
●中性杂质
Ⅲ族元素(B、Al、In)和Ⅴ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,因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性,对GaAs的电学性质没有明显影响。
(2)GaAs晶体中的点缺陷
当T>0K时:
●空位VGa、VAs
●间隙原子GaI、AsI
●反结构缺陷 —Ga原子占据As空位,或As原子占据Ga空位,记为GaAs和AsGa。
Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体中的缺陷
由于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体是负电性差别较大的元素结合成的晶体,主要是离子键起作用,正负离子相间排列组成了非常稳定的结构,所以外界杂质对它们性能的影响不显著,半导体的导电类型更主要的是由它们自身结构的缺陷(间隙离子或空格点)所决定,这类缺陷在半导体中常起施主或受主作用。
a.负离子空位
产生正电中心,起施主作用
●+
电负性小
●
b.正离子填隙
产生正电中心,起施主作用
c.正离子空位
产生负电中心,起受主作用
电负性大
d.负离子填隙
产生负电中心,起受主作用
Au的电子组态是:5s25p65d106s1
1.Au失去一个电子—施主
Au+
Ec
Ev
ED
ED=Ev+0.04 eV
§2.2半导体中的深能级杂质
在Ge中掺Au:
Ec
Ev
ED
EA1
Au
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