半導體物理學第二章半導體中的雜質和缺陷

1、第二章 半導體中的雜質和缺陷,理想半導體：1、原子嚴格周期性排列，具有完整的晶格 結構。2、晶體中無雜質，無缺陷。3、電子在周期場中作共有化運動，形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級上，禁帶中無能級。?本征半導體——晶體具有完整的（完美的）晶格結構，無任何雜質和缺陷。由本征激發(fā)提供載流子。,實際半導體,實際半導體中原子并不是靜止在具有嚴格周期性的晶格位置上，而是在其平衡位置附近振動； 實際半導體并不

2、是純凈的，而是含有雜質的； 實際的半導體晶格結構并不是完整無缺的，而是存在著各種形式的缺陷，點缺陷，線缺陷，面缺陷；,雜質和缺陷可在禁帶中引入能級，從而對半導體的性質產(chǎn)生了決定性的作用,主要內容,,1. 淺能級雜質能級和雜質電離； 2. 淺能級雜質電離能的計算； 3. 雜質補償作用 4. 深能級雜質的特點和作用,1、等電子雜質； 2、Ⅳ族元素起兩性雜質作用,§2-1 元素半導體中的雜質能級,

3、67;2-3 缺陷能級,§2-2 化合物半導體中的雜質能級,點缺陷對半導體性能的影響,§2.1 Si、Ge晶體中的雜質能級1、雜質與雜質能級雜質：半導體中存在的與本體元素不同的其它元素。,雜質的來源：,｛,有意摻入無意摻入,根據(jù)雜質在能級中的位置不同：,｛,替位式是雜質間隙式雜質,在金剛石型晶體中，晶胞中原子的體積百分數(shù)為34%，說明還有66%是空隙。Si 中的雜質有兩種存在方式，a：間隙式雜質

4、 特點：雜質原子一般較小，鋰元素b：替位式雜質 特點：雜質原子的大小與被替代的晶格原子大小可以相比，價電子殼層結構比較相近，Ⅲ和Ⅴ族元素在Si，Ge中都是替位式,以硅為例說明,單位體積中的雜質原子數(shù)稱為雜質濃度,B:替位式→雜質占據(jù)格點位置。大小接近、電子殼層結構相近,Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nm,Li：0.068nm,A: 間隙式→雜質位于間隙位置。,Li,N型半導體,P

5、型半導體,復合中心,陷阱,,,,,,,雜質分類,淺能級雜質,深能級雜質,雜質能級位于禁帶中,淺能級,淺能級,(1)VA族的替位雜質——施主雜質,在硅Si中摻入P,,,磷原子替代硅原子后，形成一個正電中心P＋和一個多余的價電子,束縛態(tài)—未電離離化態(tài)—電離后,2、元素半導體的雜質,（a）電離態(tài) （b）中性施主態(tài),,過程：1.形成共價鍵后存在正電中心P+；2.多余的一個電子掙脫束縛，在晶格中自由動；雜質

6、電離3. P+成為不能移動的正電中心；,雜質電離，雜質電離能，施主雜質（n型雜質），施主能級,電離的結果：導帶中的電子數(shù)增加了，這即是摻施主的意義所在。,1.施主處于束縛態(tài)，2.施主電離 3施主電離后處于離化態(tài),能帶圖中施主雜質電離的過程,電離時，P原子能夠提供導電電子并形成正電中心，——施主雜質。,施主雜質 施主能級,被施主雜質束縛的電子的能量比導帶底Ec低，稱為施主能級，ED。施主雜質少，原子間相互作用可以忽略，施主能級是具

7、有相同能量的孤立能級．,ED,施主濃度：ND,,施主電離能△ED=弱束縛的電子擺脫雜質原子束縛成為晶格中自由運動的 電子（導帶中的電子）所需要的能量,,EC,,ED,,△ED =EC－ED,施主電離能,,EV,,-,束縛態(tài),離化態(tài),+,施主雜質的電離能小，在常溫下基本上電離。,含有施主雜質的半導體，其導電的載流子主要是電子——N型半導體，或電子型半導體,定義：,施主

8、雜質V族元素在硅、鍺中電離時能夠釋放電子而產(chǎn)生導電電子并形成正電中心，稱此類雜質為施主雜質或n型雜質。施主電離施主雜質釋放電子的過程。施主能級被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)，記為ED，施主電離能量為ΔED。n型半導體依靠導帶電子導電的半導體。,3、受主能級：舉例：Si中摻硼B(yǎng),在Si單晶中，Ⅲ族受主替位雜質兩種電荷狀態(tài)的價鍵（a）電離態(tài) （b）中性受主態(tài),,價帶空穴 電離受主

9、B-,2、受主能級：舉例： Si中摻硼B(yǎng),過程：1.形成共價鍵時，從Si 原子中奪取一個電子，Si 的共價鍵中產(chǎn)生一個空穴；2.當空穴掙脫硼離子的束縛，形成固定不動的負電中心B-,受主電離，受主電離能，受主雜質（p型雜質），受主能級,電離的結果：價帶中的空穴數(shù)增加了，這即是摻受主的意義所在,1.受主處于束縛態(tài)，2，受主電離 3，受主電離后處于離化態(tài),能帶圖中受主雜質電離的過程,在Si中摻入B,B具有得到電子的性質，這類雜質稱為受主雜

10、質。受主雜質向價帶提供空穴。,B獲得一個電子變成負離子，成為負電中心，周圍產(chǎn)生帶正電的空穴。,B－,,,,,,,,,,,＋,B－,EA,受主濃度：NA,受主電離能和受主能級,受主電離能△EA=空穴擺脫受主雜質束縛成為導電 空穴所需要的能量,-,,束縛態(tài),離化態(tài),,+,受主雜質的電離能小，在常溫下基本上為價帶電離的電子所占據(jù)——空穴由受主能級向價帶激發(fā)。,含有受主雜質的半導體，其導

11、電的載流子主要是空穴——P型半導體，或空穴型半導體。,定義：,受主雜質III族元素在硅、鍺中電離時能夠接受電子而產(chǎn)生導電空穴并形成負電中心，稱此類雜質為受主雜質或p型雜質。受主電離受主雜質釋放空穴的過程。受主能級被受主雜質束縛的空穴的能量狀態(tài)，記為EA。受主電離能量為ΔEAp型半導體依靠價帶空穴導電的半導體。,施主和受主濃度：ND、NA,施主：Donor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如

12、Si中摻的P 和As 受主：Acceptor，摻入半導體的雜質原子向半導體提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中摻的B,小結！,,,,等電子雜質,N型半導體特征：,a 施主雜質電離，導帶中出現(xiàn)施主提供的導電電子,b 電子濃度n 〉空穴濃度p,P 型半導體特征：,a 受主雜質電離，價帶中出現(xiàn)受主提供的導電空穴,b空穴濃度p 〉電子濃度n,N型和P型半導體都稱為極性半導體,P型半導體價帶空穴數(shù)由受主決定，半導體導電

13、的載流子主要是空穴?？昭槎嘧?，電子為少子。,N型半導體導帶電子數(shù)由施主決定，半導體導電的載流子主要是電子。電子為多子，空穴為少子。,多子——多數(shù)載流子少子——少數(shù)載流子,雜質向導帶和價帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向導帶的躍遷或空穴從受主能級向價帶的躍遷）稱為雜質電離或雜質激發(fā)。具有雜質激發(fā)的半導體稱為雜質半導體,雜質激發(fā),3. 雜質半導體,電子從價帶直接向導帶激發(fā)，成為導帶的自由電子，這種激發(fā)稱為本征激發(fā)。只有本征激發(fā)的

14、半導體稱為本征半導體。,本征激發(fā),N型和P型半導體都是雜質半導體,施主向導帶提供的載流子=1016～1017/cm3 》 本征載流子濃度,雜質半導體中雜質載流子濃度遠高于本征載流子濃度,Si的原子濃度為1022～1023/cm3,摻入P的濃度/Si原子的濃度=10-6,例如：Si 在室溫下，本征載流子濃度為1010/cm3，,上述雜質的特點：,施主雜質：,受主雜質：,,淺能級雜質,雜質的雙重作用：,改變半導體的導電性 決定半導體的

15、導電類型,雜質能級在禁帶中的位置,4. 淺能級雜質電離能的簡單計算,淺能級雜質=雜質離子+束縛電子（空穴）,類氫模型,玻爾原子電子的運動軌道半徑為：,n=1為基態(tài)電子的運動軌跡,玻爾能級：,玻爾原子模型,類氫模型氫原子中電子能量n=1,2,3……，為主量子數(shù)，當n=1和無窮時,,氫原子基態(tài)電子的電離能考慮到正、負電荷處于介電常數(shù)ε=ε0εr的介質中，且處于晶格形成的周期性勢場中運動，所以電子的慣性質量要用有效質量代替,,

16、類氫模型：計算束縛電子或空穴運動軌道半徑及電離能,運動軌道半徑：,電離能：,施主雜質電離能受主雜質電離能,,,對于Si中的P原子，剩余電子的運動半徑約為24.4 Å：,Si: a=5.4Å,剩余電子本質上是在晶體中運動,Si：r=1.17Å,施主能級靠近導帶底部,對于Si、Ge摻P,估算結果與實測值有相同的數(shù)量級,對于Si、Ge摻B,5. 雜質的補償作用,(1) ND＞NA,半導體中同時存在施主

17、和受主雜質，施主和受主之間有互相抵消的作用,此時半導體為n型半導體,,有效施主濃度n=ND-NA,EA,(2) ND<NA,,此時半導體為p型半導體,有效受主濃度p=NA- ND,(3) ND≈NA,雜質的高度補償,本征激發(fā)產(chǎn)生的導帶電子,本征激發(fā)產(chǎn)生的價帶空穴,雜質的補償作用,當ND>>NA時 n= ND-NA ≈ ND，半導體是n型的當ND<<NA時 p= NA-ND ≈ NA，半導體是p型的

18、當ND≈NA時補償半導體有效雜質濃度補償后半導體中的凈雜質濃度。,6. 深雜質能級,根據(jù)雜質能級在禁帶中的位置，雜質分為：,淺能級雜質→能級接近導帶底Ec或價帶頂Ev，電離能很小,深能級雜質→能級遠離導帶底Ec或價帶頂Ev，電離能較大,,EC,,ED,,EV,,EA,,,Eg,,EC,,EA,,EV,,ED,,,,,Eg,,,,,深能級雜質,非III、V族元素（52頁圖2-8/9）特點多為替位式雜質硅、鍺的禁帶中產(chǎn)生的施主

19、能級距離導帶底和價帶頂較遠，形成深能級，稱為深能級雜質。深能級雜質能夠產(chǎn)生多次電離，每次電離均對應一個能級。有的雜質既能引入施主能級，又能引入受主能級。,例1：Au（Ⅰ族）在Ge中,Au在Ge中共有五種可能的狀態(tài)： （1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ；

20、 （4） Au二 ； （5） Au三。,在Ge中摻Au 可產(chǎn)生3個受主能級，1個施主能級,,,Au,Ge,Ge,Ge,Ge,,Au+,Au0,Au-,Au2-,Au3-,1. Au失去一個電子—施主,,,Au＋,,,,,,,

21、Ec,Ev,,ED,ED=Ev+0.04 eV,,,Ec,Ev,,ED,,EA1,,,Au－,,,,,,,2. Au獲得一個電子—受主,EA1= Ev + 0.15eV,3.Au獲得第二個電子,,,Ec,Ev,,ED,,EA1,,,Au2－,,,,,,,EA2= Ec - 0.2eV,,EA2,,4.Au獲得第三個電子,,,Ec,Ev,,ED,,EA1,EA3= Ec - 0.04eV,,EA2,,EA3,,,Au3－,,,,,,,,,

22、深能級雜質特點：不容易電離，對載流子濃度影響不大；一般會產(chǎn)生多重能級，甚至既產(chǎn)生施主能級也產(chǎn)生受主能級。能起到復合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低。,§2-2 化合物半導體中的雜質能級,Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體中的雜質,理想的GaAs晶格價鍵結構：含有離子鍵成分的共價鍵結構,,,,,,,Ga-,As,Ga,Ga,As,Ga,As+,Ga,As,,,施主雜質替代Ⅴ族元素,受主雜質替代III族元素,,,,兩性雜質

23、III、Ⅴ族元素,等電子雜質——同族原子取代,●等電子雜質,等電子雜質是與基質晶體原子具有同數(shù)量價電子的雜質原子．替代了同族原子后，基本仍是電中性的。但是由于共價半徑和電負性不同，它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。帶電中心稱為等電子陷阱。,例如，N取代GaP中的P而成為負電中心,電子陷阱,空穴陷阱,●束縛激子,等電子陷阱俘獲一種符號的載流子后，又因帶電中心的庫侖作用又俘獲另一種帶電符號的載流子，形成束縛激子。,●兩性雜質,舉例：GaA

24、s中摻Si（Ⅳ族） Ga：Ⅲ族 As：Ⅴ族 Si Ga 施主 兩性雜質 SiAs 受主,,,兩性雜質：在化合物半導體中，某種雜質在 其中既可以作施主又可以作受主，這種雜質稱為兩性雜質。,§2.3氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質能級,點

25、缺陷：空位、間隙原子線缺陷：位錯面缺陷：層錯、晶界,1、缺陷的類型,§2-4 缺陷能級,2.元素半導體中的缺陷,(1) 空位,原子的空位起受主作用。,(2) 填隙,Si,間隙原子缺陷起施主作用,●反結構缺陷GaAs受主 AsGa施主,3. GaAs晶體中的點缺陷,●空位VGa、VAs VGa受主 VAs 施主,●間隙原子GaI、AsI GaI施主 AsI受主,e,4.Ⅱ－Ⅵ族化合物半導體的缺陷,Ⅱ－Ⅵ族化合物

26、半導體離子鍵結構,a.負離子空位,產(chǎn)生正電中心，起施主作用,,,電負性小,,b.正離子填隙,產(chǎn)生正電中心，起施主作用,,,-,+,,產(chǎn)生負電中心，起受主作用,,c.正離子空位,,+,-,+,-,+,-,+,,+,-,+,-,-,+,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,,,-,電負性大,,產(chǎn)生負電中心，起受主作用,d.負離子填隙,,,-,-,,負離子空位,產(chǎn)生正電中心，起施主作用,正離子填隙,,正離子空位,負離子填隙,,產(chǎn)生負

27、電中心，起受主作用,第二章 半導體中的雜質和缺陷能級1.什么叫淺能級雜質？它們電離后有何特點？2.什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離前后有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出n型半導體。3.什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出p型半導體。4.摻雜半導體與本征半導體之間有何差異？試舉例說明摻雜對半導體的導電性能的影響。5.兩性雜質和其它雜質有何異同？6.深能級雜質和淺能級雜質對

28、半導體有何影響？7.何謂雜質補償？雜質補償?shù)囊饬x何在？,1、解：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁帶寬度的雜質。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶負電（電離受主）的離子，并同時向導帶提供電子或向價帶提供空穴。2、解：半導體中摻入施主雜質后，施主電離后將成為帶正電離子，并同時向導帶提供電子，這種雜質就叫施主。 施主電離成為帶正電離子（中心）的過程就叫施主電離。施主電離前不帶電，電離后帶正電。例如，在Si

29、中摻P，P為Ⅴ族元素。 本征半導體Si為Ⅳ族元素，P摻入Si中后，P的最外層電子有四個與Si的最外層四個電子配對成為共價電子，而P的第五個外層電子將受到熱激發(fā)掙脫原子實的束縛進入導帶成為自由電子。這個過程就是施主電離。,3、解：半導體中摻入受主雜質后，受主電離后將成為帶負電的離子，并同時向價帶提供空穴，這種雜質就叫受主。 受主電離成為帶負電的離子（中心）的過程就叫受主電離。受主電離前帶不帶電，電離后帶負電

30、。例如，在Si中摻B，B為Ⅲ族元素，而本征半導體Si為Ⅳ族元素，P摻入B中后，B的最外層三個電子與Si的最外層四個電子配對成為共價電子，而B傾向于接受一個由價帶熱激發(fā)的電子。這個過程就是受主電離。,4、解：在純凈的半導體中摻入雜質后，可以控制半導體的導電特性。摻雜半導體又分為n型半導體和p型半導體。例如，在常溫情況下，本征Si中的電子濃度和空穴濃度均為1.5x1010cm-3。當在Si中摻入1.0x1016cm-3 的P后，半導體中

31、的電子濃度將變?yōu)?.0x1016cm-3，而空穴濃度將近似為2.25x104cm-3。半導體中的多數(shù)載流子是電子，而少數(shù)載流子是空穴。5、解：兩性雜質是指在半導體中既可作施主又可作受主的雜質。如Ⅲ-Ⅴ族GaAs中摻Ⅳ族Si如果Si替位Ⅲ族As，則Si為施主；如果Si替位Ⅴ族Ga，則Si為受主。所摻入的雜質具體是起施主還是受主與工藝有關。6、解：深能級雜質在半導體中起復合中心或陷阱的作用。淺能級雜質在半導體中起施主或受主的作用。7