第二章_02载流子模型-掺杂.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本征半导体和本征激发,本征半导体：,纯净的、不含任何杂质和缺陷的半导体称为,本征半导体。,本征激发：,共价键上的电子激发成为准自由电子，也就是,价带电子激发成为导带电子的过程。,本征激发的特点：,成对的产生导带电子和价带空穴。,杂质：,半导体中存在的与本体元素不同的,其它元素。,1,实际半导体晶格偏离理想情况,杂质,缺陷,原子在平衡位置附近振动,2,杂质和缺陷,原子的周期性势场受到破坏,在禁带中引入能级,决定半导体的物理和化学性质,3,缺陷,点缺陷，如空位、间隙原子等,线缺陷，如位错等,面缺陷，如层错、晶粒间界等,4,5,6,Si,P,Li,7,杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏。,8,正电中心,9,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。,施主杂质,:,束缚在杂质能级上的电子被激发到导带,Ec,成为导带电子，该杂质电离后成为,正电中心,（正离子）。这种杂质称为,施主杂质,。,施主杂质具有提供电子的能力。,掺杂：,在半导体里掺入一定的特殊杂质原子，从而增加电子和空穴的浓度,10,导带电子,电离施主,P,+,11,对氢原子,氢原子中电子的能量,12,13,设 施主杂质能级为,E,D,施主杂质的电离能,E,D,：,即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。,施主的电离能,14,施 主 电 离 能：,E,D,=E,C,-E,D,E,D,=E,C,-E,D,E,C,E,D,Eg,E,V,15,16,对于,Si,、,Ge,掺,P,Ec,Ev,施主能级靠近导带底部,E,D,17,施主杂质的电离能小，,在常温下基本上电离。,18,价带,导带,19,（,1,）在,Si,中掺入,B,2.,元素半导体中,A,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,20,受主杂质：,束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带,Ev,成为价带空穴，该杂质电离后成为,负电中心,（负离子）。这种杂质称为,受主杂质,。,受主杂质具有得到电子的性质，,向价带提供空穴。,21,价带空穴,电离受主,B,22,电离的结果：,价带中的空穴数增加了，,这即是,掺受主的意义,所在。,受主能级,E,A,23,Ec,Ev,E,A,受主能级靠近价带顶部,(2),受主电离能和受主能级,24,Si,、,Ge,中,族杂质的电离能,E,A,（,eV,）,晶体 杂 质,B Al,Ga,In,Si 0.045 0.057 0.065 0.16,Ge,0.01 0.01 0.011 0.011,25,受主能级,E,A,受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离的电子所占据（空穴由受主能级向价带激发）。,26,杂质电离或杂质激发：,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）。,本征激发：,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,。,只有本征激发的半导体称为,本征半导体,。,所需要的能量称为,杂质的电离能,。,27,28,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,。,29,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。,30,Ec,E,D,电离施主,电离受主,Ev,3.,杂质的补偿作用,(1),N,D,N,A,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,此时为,n,型半导体,n=N,D,-N,A,E,A,31,Ec,E,D,E,A,Ev,电离施主,电离受主,(2)N,D,N,A,此时为,p,型半导体,p=N,A,-N,D,32,(3),N,D,N,A,杂质的高度补偿,Ec,Ev,E,A,E,D,不能向导带和价,带提供电子和空穴,33,34,(2),间隙,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,间隙原子缺陷起施主作用,35,1.,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,36,施主杂质,族元素,(Se,、,S,、,Te),在,GaAs,中通常都替代,族元素,As,原子的晶格位置。,族杂质在,GaAs,中一般起施主作用，为,浅施主杂质,。,37,受主杂质,族元素（,Zn,、,Be,、,Mg,、,Cd,、,Hg,）在,GaAs,中通常都取代,族元素,Ga,原子的晶格位置。,族元素杂质在,GaAs,中通常起受主作用，均为,浅受主杂质,。,38,中性杂质,族元素（,B,、,Al,、,In,）和,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。,在禁带中不引入能级,39,两性杂质,族元素杂质（,Si,、,Ge,、,Sn,、,Pb,）在,GaAs,中的作用比较复杂，可以取代,族的,Ga,，,也可以取代,族的,As,，,甚至可以同时取代两者。,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。,40,在掺,Si,浓度小于,110,18,cm,-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,10,18,cm,-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。,例如：,41,42,Ec,Ev,E,D,43,Ec,Ev,E,D,E,A1,44,Ec,Ev,E,D,E,A1,E,A2,45,Ec,Ev,E,D,E,A1,E,A2,E,A3,46,深能级一般作为复合中心,对载流子和导电类型影响较小,深能级瞬态谱仪测量杂质的深能级,例,1,、使用能带模型，形象而简要地说明半导体：,(1),电子、空穴、施主、受主,(2),本征半导体、,n,型半导体、,p,型半导体,47,例,2,、能带模型，砷化镓的价键模型如图所示，问,(1),当硅原子代替镓原子时，砷化镓的掺杂是,p,型还是,n,型？为什么？,(2),当硅原子代替砷原子时，砷化镓的掺杂是,p,型还是,n,型？为什么？,(3),画出掺杂砷化镓的能带图：,a,镓原子人位置由硅原子所代替,b,砷原子的位置由硅原子所代替。,48,