硅锗中的杂质和缺陷.pptxVIP

第4章 硅、锗晶体中的杂质和缺陷;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;§4.1 Si、Ge晶体中的杂质的性质 1、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。;在金刚石型晶体中，晶胞中原子的体积百分数为34%，说明还有66%是空隙。Si 中的杂质有两种存在方式， a：间隙式杂质 特点：杂质原子一般较小，锂元素 b：替位式杂质 特点：杂质原子的大小与被替代的晶格原子大小可以相比，价电子壳层结构比较相近，Ⅲ和Ⅴ族元素在Si，Ge中都是替位式;B:替位式→杂质占据格点位置。大小接近、电子壳层结构相近;N型半导体;杂质能级位于禁带中;;(1)VA族的替位杂质——施主杂质;过程： 1.形成共价键后存在正电中心P+； 2.多余的一个电子挣脱束缚，在晶格中自由动；杂质电离 3. P+成为不能移动的正电中心；;;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。;;;定义：;3、受主能级：举例：Si中掺硼B;;;在Si中掺入B;;;定义：;施主和受主浓度：ND、NA;N型半导体 特征：;P型半导体价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电子为少子。;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。具有杂质激发的半导体称为杂质半导体 ;施主向导带提供的载流子 =1016～1017/cm3 》 本征载流子浓度;上述杂质的特点：;;;(3) ND≈NA;杂质的补偿作用;5. 深杂质能级;;深能级杂质;例1：Au（Ⅰ族）在Ge中;在Ge中掺Au 可产生3个受主能级，1个施主能级;1. Au失去一个电子—施主;;3.Au获得第二个电子;4.Au获得第三个电子;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??命降低。;;化合物半导体中的杂质能级（补充） ;;●等电子杂质 ;;●两性杂质; 半导体单晶硅的缺陷;一、点缺陷 点缺陷的概念：由于晶体中空位、填隙原子及杂质原子的存在，引起晶格周期性的破坏，发生在一个或几个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点缺陷。 按其对理想晶格的偏离的几何位置及成分来划分：空位、填隙原子和复合体（络合体）等。 ;1、空位：晶体中的原子由于热运动或辐射离开平衡位置跑到晶格的空隙中或晶体的表面，原来的位置又没被其他的原子占据而留下的空位。如图所示：;空位存在的形式： 1）晶体由在冷却到室温的过程中，空位来不及扩散直接被“冻结”在体内。 2)与杂质原子形成络合体。 3）双空位。 4)凝聚成团而塌蹦形成位错圈。 ;2、填隙原子：晶体中的原子由于热运动或辐射离开平衡位置跑到晶格的空隙中，这样的原子称为填隙原子。如图所示： ;3、复合缺陷（络合体) 杂质原子与空位相结合形成的复合体。 如：空位-磷原子对（E中心） 空位-氧原子对 （A中心） 这些络合体具有电活性，因此会影响半导体的载流子浓度。;二、线缺陷：周期性的破坏局域在线附近, 一般指位错 。位错主要有刃位错、螺旋位错以及混合位错。如图所示为位错的示意图： ;1、刃位错：刃位错的构成象似一把刀劈柴似的，把半个原子面夹到完整晶体中，这半个面似刀刃，因而得名。 若一个晶面在晶体内部突然终止于某一条线处，则称这种不规则排列为一个刃位错。如图所示，刃位错附近的原子面会发生朝位错线方向的扭曲以致错位。刃位错可由两个量唯一地确定：第一个是位错线，即多余半原子面终结的那一条直线；第二个是伯格斯矢量（Burgers vector，简称伯氏矢量或柏氏矢量），它描述了位错导致的原子面扭曲的大小和方向。对刃位错而言，其伯氏矢量方向垂直于位错线的方向。;2、螺旋位错： 当晶体中存在螺位错时，原来的一组晶面就象变成似单个晶面组成的螺旋阶梯。 如图所示，将规则排列的晶面想像成一叠间距固定的纸片，若将这叠纸片剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中一侧上移半层，另一侧下移半层， 形 成一个类似于楼梯拐角处的排列结构，则此时在“剪开线”终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则排列结构称为 一个螺旋位错。;3、混合位错： 除了上面介绍的两种基本型位错外，还有一种形式更为普遍的位错，既有线位错也有螺旋位错，这种位错称为混合位错。;四、杂质沉淀 硅的生产