半导体中的杂质与缺陷.ppt.ppt

第二章 半导体中的杂质和缺陷 理想半导体： 1、原子严格周期性排列，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。 ?本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流子。 实际半导体： 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。 主要内容 §2-1 元素半导体中的杂质能级 一、杂质存在的方式 1、杂质存在方式 (2) 替位式→杂质占据格点位置。大小接近、电子壳层结构相近 深能级杂质特点： 不容易电离，对载流子浓度影响不大； 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。 能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。 第二章 习题 例：在Ge中掺Au 可产生3个受主能级，1个施主能级 Au的电子组态是：5s25p65d106s1 Au Ge Ge Ge Ge Au+ Au0 Au- Au2- Au3- 多次电离，每一次电离相应地有一个能级既能引入施主能级．又能引入受主能级 1. Au失去一个电子—施主 Au＋ Ec Ev ED ED=Ev+0.04 eV Ec Ev ED EA1 Au－ 2. Au获得一个电子—受主 EA1= Ev + 0.15eV 3.Au获得第二个电子 Ec Ev ED EA1 Au2－ EA2= Ec - 0.2eV EA2 4.Au获得第三个电子 Ec Ev ED EA1 EA3= Ec - 0.04eV EA2 EA3 Au3－ Ec Ev ED EA Au doped Silicon 0.35eV 0. 54eV 1.12eV §2-2 化合物半导体中的杂质能级 Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质 理想的GaAs晶格 价键结构： 含有离子键成分的共价键结构 Ga- As Ga Ga As Ga As+ Ga As 施主杂质 替代Ⅴ族元素 受主杂质 替代III族元素 两性杂质 III、Ⅴ族元素 等电子杂质——同族原子取代 ●等电子杂质 等电子杂质是与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子．替代了同族原子后，基本仍是电中性的。但是由于共价半径和电负性不同，它们能俘获某种载流子而成为带电中心。带电中心称为等电子陷阱。 例如，N取代GaP中的P而成为负电中心 电子陷阱 空穴陷阱 点缺陷：空位、间隙原子 线缺陷：位错 面缺陷：层错、晶界 Si Si Si Si Si Si Si Si Si 1、缺陷的类型 §2-3 缺陷能级 * * ?杂质半导体 1. 浅能级杂质能级和杂质电离； 2. 浅能级杂质电离能的计算； 3. 杂质补偿作用 4. 深能级杂质的特点和作用 1、等电子杂质； 2、Ⅳ族元素起两性杂质作用 §2-1 元素半导体中的杂质能级 §2-3 缺陷能级 §2-2 化合物半导体中的杂质能级 点缺陷对半导体性能的影响 金刚石结构Si中，一个晶胞内的原子占晶体原胞的34%，空隙占66%。 杂质——与本体元素不同的其他元素 Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm Li：0.068nm (1) 间隙式→杂质位于间隙位置。 Si Si Si Si Si Si Si P Si Li 1. VA族的替位杂质——施主杂质 在硅Si中掺入P Si Si Si Si Si Si Si P+ Si 磷原子替代硅原子后，形成一个正电中心P＋和一个多余的价电子 束缚态—未电离 离化态—电离后 二、元素半导体的杂质 电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电中心，——施主杂质。 施主杂质 施主能级 被施主杂质束缚的电子的能量比导带底Ec低，称为施主能级，ED。 施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的孤立能级． ED 施主浓度：ND 施主电离能△ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子 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 △ED =EC－ED 施主电离能 EV - 束缚态 离化态 + 施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。 含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子——N型半导体，或电子型半导体 0.0096 0.0127 0.0126 Ge 0.039 0.049 0.044 Si Sb As P 杂质 晶体 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. ⅢA族替位杂质——受主杂质 B获得一个电子变成负离