半导体物理学 七版 刘恩科编著chap2.ppt

第2章 半导体中杂质和缺陷能级Impurity and defect energy level in semiconductor 刘 丹 2.1.1替位式杂质、间隙式杂质 替位式杂质 杂质原子的大小与晶体原子相似 III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质 间隙式杂质 杂质原子小于晶体原子 杂质浓度：单位体积内的杂质原子数 2.1.2施主杂质、施主能级 Donor impurity and donor level 2.1.3受主杂质、受主能级Acceptor impurity and acceptor level 2.1.4 浅能级杂质电离能简单计算 2.1.5杂质的补偿作用 当NDNA时 n= ND-NA ≈ ND，半导体是n型的 2.1.6深能级杂质 非Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge的禁带中产生的施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离能大，能够产生多次电离 特点 多为替位式杂质 硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底、受主能级距离价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。 深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。 金是I族元素 故可失去一个电子，施主能级略高于价带顶； 也可得到三个电子，形成稳定的共价键结构。但由于库仑力的排斥作用，后获得电子的电离能大于先获得电子的电离能。即EA3EA2EA1。 金在Ge中存在ED、 EA3、EA2、EA1四个孤立能级。 I族元素 一般为引入受主能级，如银受主能级为（Ev+0.11）ev，（Ev+0.238）ev；金受主能级为（Ev+0.09）ev；替位式铜受主能级为（Ev+0.14）ev，（Ev+0.44）ev等 II族元素 价电子比III族元素少一个，有获得一个电子完成共价键的倾向。通常取代III族原子位于格点上，表现为受主杂质。 III，V族元素 掺入不是由他们本身形成的III-V族化合物，实验中测不到杂质影响。是电中性杂质，在禁带中不引入能级。 等电子陷阱 （1）等电子杂质 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 例：GaP中掺入Ⅴ族的N或Bi b、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。 束缚激子 即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是束缚激子。 VI族元素 取代V族原子，表现为施主杂质，引入施主能级。 过渡族元素 2.4 缺陷、位错能级(defect levels) 2.4.1 点缺陷 point defects 热缺陷 thermal defects （由温度决定） 弗仓克尔缺陷 成对出现的间隙原子和空位 肖特基缺陷 只形成空位而没有间隙原子 III-V族化合物，成分偏离正常化学比 替位原子 空位易于间隙原子出现 因为空位周围有四个不成对电子，所以空位表现出受主作用； 每个间隙原子有四个可以失去的电子，所以表现出施主作用。 GaAs中的镓空位和砷空位均表现为受主作用； 离子性强的化合物半导体（M,X），正离子空位是受主，负离子空位是施主，金属原子为间隙原子时为施主，非金属原子为间隙原子时为受主。 离子性弱的二元化合物AB，替位原子AB是受主，BA是施主。 2.4.2位错 锗中的60°棱位错 （111）面内位错线[101]方向和滑移方向[110]之间的夹角是60° 正、负电荷所处介质的介电常数为： Impurity-doped Silicon 估算结果与实际测 量值有相同数量级 Ge： △ED ～ 0.0064 eV Si: △ED ～ 0.025 eV Impurity-doped Silicon 当NDNA时 p= NA-ND ≈ NA，半导体是p型的 当ND≈NA时 补偿半导体 有效杂质浓度 补偿后半导体中的净杂质浓度。 （1）浅能级杂质 （2）深能级杂质 △E D≮Eg △EA≮Eg △E D △EA EA E D E D EA Ec Ec Ev Ev △EDEg △EAEg Impurity-doped Silicon E D EA 在元素半导体中的替位受主和施主 Impurity-doped Silicon 例1：Au（Ⅰ族）在Ge中 Au在Ge中共有五种可能的状态： （1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ； （4） Au二 ；