半导体物理与器件2模板.pptx

半导体物理与器件半导体物理与器件陈延湖延湖n理想半导体：理想半导体：n原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构n原子是静止的原子是静止的n晶体中无杂质，无缺陷。晶体中无杂质，无缺陷。电子在周期场中作共有化运动，形电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带成允带和禁带电子能量只能处电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。在允带中的能级上，禁带中无能级。且由本征激发提供载流子。且由本征激发提供载流子。n实际半导体：实际半导体：n原子不是静止的，而是在其平衡位置做热运动原子不是静止的，而是在其平衡位置做热运动n晶体中有杂质和缺陷。晶体中有杂质和缺陷。原子的热运动、杂质、缺陷等原子的热运动、杂质、缺陷等使周期场破坏，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围在杂质或缺陷周围引起局部性的电子量子态引起局部性的电子量子态对应对应的能级常常处在禁带中的能级常常处在禁带中。杂质和缺陷杂质和缺陷4.2 掺杂原子与能级掺杂原子与能级n为什么要什么要掺杂？n本征半本征半导体的使用存在体的使用存在诸多限制，多限制，掺杂能明能明显的改的改变本征半本征半导体的体的电学特性，从而展学特性，从而展现出半出半导体的真正能体的真正能力力n掺杂半半导体称体称为非本征半非本征半导体体，它是我，它是我们能能够制造各制造各种半种半导体器件的基体器件的基础n掺杂原子与能级的核心问题掺杂原子与能级的核心问题n掺杂原子的种类与作用掺杂原子的种类与作用n杂质原子上电子的能级与电离能杂质原子上电子的能级与电离能掺杂原子掺杂原子杂质n 硅金刚石结构填充率硅金刚石结构填充率：在金刚石型晶体原子只占有晶胞体积的在金刚石型晶体原子只占有晶胞体积的34%，还有，还有66%是空隙是空隙n间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子的间隙位置；间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子的间隙位置；n替位式杂质：杂质原子取代晶格原子；替位式杂质：杂质原子取代晶格原子；杂质原子杂质原子n替位式替位式杂质：n杂质原子的大小与原子的大小与被取代的晶格原子被取代的晶格原子的大小比的大小比较相近相近n价价电子壳子壳层结构比构比较相近相近Si：r=0.117nmLi：r=0.068nm 间隙式杂质间隙式杂质P：r=0.11nm 替位式杂质替位式杂质替位式杂质替位式杂质施主杂质施主杂质(donor impurity)受主杂质受主杂质(acceptor impurity)n间隙式杂质：间隙式杂质：n原子一般比较小原子一般比较小施主杂质施主杂质 施主能级施主能级n磷原子有磷原子有5个价个价电子，硅有子，硅有4个价个价电子。子。结果一个果一个磷原子占据一个硅原子后，形成一个正磷原子占据一个硅原子后，形成一个正电中心中心P+和一个多余的价和一个多余的价电子。子。以硅中掺五族磷原子来讨论施主杂质以硅中掺五族磷原子来讨论施主杂质 多余价电子受正电中心的束缚很多余价电子受正电中心的束缚很弱，容易摆脱束缚成为导电电子，而弱，容易摆脱束缚成为导电电子，而P原子成为不可移动的带正电荷的原子成为不可移动的带正电荷的P离离子子施主杂质施主杂质 施主能级施主能级n施主施主杂质或或N型型杂质：磷原子磷原子这种能种能够施放施放电子子而而产生生导电电子并形成正子并形成正电中心的中心的杂质n施主施主杂质电离离：电子脱离子脱离杂质原子的束原子的束缚成成为导电电子的子的过程程n施主施主杂质电离能离能：使多余的价：使多余的价电子子挣脱束脱束缚成成为导电电子所需要的能量子所需要的能量nN型半型半导体或体或电子型半子型半导体体：掺入施主入施主杂质，杂质电离后，增加离后，增加导带中中导电电子而并不子而并不产生价生价带空穴的半空穴的半导体体施主能级施主能级n施主能施主能级ED：n当当杂质的束的束缚电子得到能子得到能量后，就从施主的束量后，就从施主的束缚态跃迁到迁到导带成成为导电电子，子，所以所以电子被施主子被施主杂质束束缚时的能量比的能量比导带底底 低低 。将被施主将被施主杂质束束缚的的电子的能量状子的能量状态称称为施主能施主能级，记为n因因 较小，施主能级较小，施主能级ED位于位于离导带底很近的离导带底很近的禁带中禁带中,是由多个是由多个具有具有相同能量的分立能级组相同能量的分立能级组成成 分立施主能级的能带图分立施主能级的能带图施主能级电离后的能带图施主能级电离后的能带图分立施主能级的能带图分立施主能级的能带图施主能级电离后的能带图施主能级电离后的能带图分立施主能级的能带图分立施主能级的能带图受主杂质受主杂质 受主能级受主能级nB B原子占据硅原子的位置。原子占据硅原子的位置。磷原子有三个价磷原子有三个价电子。与子。与周周围的四个硅原于形成共的四个硅原于形成共价价键时还缺一个缺一个电子，就子，就从从别处夺取价取价电子，子，这就就在在sisi中形成了一个空穴。中形成了一个空穴。n这时B B原子就成原子就成为多了一个多了一个价价电子的磷离子子的磷离子B B，它是，它是一个不能移一个不能移动的的负电中心中心。n空穴束空穴束缚在在负电中心中心B B的的周周围。空穴只要很少能量。空穴只要很少能量就可就可挣脱束脱束缚，成，成为导电空穴空穴在晶格中自由运在晶格中自由运动以硅中掺三族硼以硅中掺三族硼(B)来讨论受主杂质：来讨论受主杂质：受主杂质受主杂质 受主能级受主能级n受主受主杂质或或P型型杂质：能能够接受接受电子而子而产生生导电空穴，并形成空穴，并形成负电中心的中心的杂质n受主受主电离离：空穴：空穴摆脱受主脱受主杂质束束缚的的过程程n受主受主杂质电离能离能Ea：使空穴：使空穴摆脱受主脱受主杂质束束缚成成为导电空穴所需要的能量空穴所需要的能量nP型半型半导体或空穴型半体或空穴型半导体体：掺入受主入受主杂质，杂质电离后，增加价离后，增加价带中中导电空穴而并不空穴而并不产生生导带电子的半子的半导体体受主能级受主能级n当空穴得到能量后，当空穴得到能量后，就从受主的束就从受主的束缚态跃迁到价迁到价带成成为导电空空穴，所以穴，所以电子被受主子被受主杂质束束缚时的能量比的能量比价价带顶 高高 。将将被受主被受主杂质束束缚的空的空穴的能量状穴的能量状态称称为受受主能主能级，记为 ，n受主能受主能级位于离价位于离价带顶很近的禁很近的禁带中。同中。同样也是一也是一组分立的能分立的能级受主能级电离后的能带图受主能级电离后的能带图分立受主能级的能带图分立受主能级的能带图 浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质电离能的简单计算n所所谓浅能浅能级，是指施主能，是指施主能级靠近靠近导带底，受主能底，受主能级靠近价靠近价带顶。n只有只有电离能离能较小的小的杂质称称为浅能浅能级杂质浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质电离能的简单计算类氢模型类氢模型n实验证明五价元素磷（实验证明五价元素磷（P）、锑（）、锑（Sb）在硅、锗中是浅施）在硅、锗中是浅施主杂质，三价元素硼（主杂质，三价元素硼（B）、铝（）、铝（Al）、镓（）、镓（Ga）、铟）、铟（In）在硅、锗中为浅受主杂质。）在硅、锗中为浅受主杂质。n室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以全部电离。全部电离。4 浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质电离能的简单计算n类氢模型模型：以参入硅中的磷原子以参入硅中的磷原子为例，磷原子比周例，磷原子比周围的的硅原子多一个硅原子多一个电子子电荷的正荷的正电中心和一个束中心和一个束缚着的价着的价电子，子，相当于在硅晶体上附加了一个相当于在硅晶体上附加了一个“氢原子原子”，所以可以用，所以可以用氢原子模型估原子模型估计 的数的数值。基于量子理论氢原子电子的能量基于量子理论氢原子电子的能量氢原子基态电子的电离能氢原子基态电子的电离能对晶体中电子要进行修正：对晶体中电子要进行修正：n=1n=n基基态电子子轨道半径道半径rn=1n=对氢原子的基态轨道半径：对氢原子的基态轨道半径：施主杂质电离能：施主杂质电离能：受主杂质电离能：受主杂质电离能：对杂质的基态轨道半径：对杂质的基态轨道半径：a0浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质电离能的简单计算n与与实验测量量值具有相同数量具有相同数量级硅中硅中P P的束缚电子的运动轨道半径的束缚电子的运动轨道半径a a约约23.923.9杂质的补偿作用杂质的补偿作用n常用符号：常用符号：ND代表施主代表施主杂质浓度；度；NA代表受主代表受主杂质浓度；度；n代表代表导带中中电子子浓度；度；p代表价代表价带中空中空穴穴浓度度n浓度：度：单位体位体积的粒子数。如：的粒子数。如：个个/cm3Donor:施主施主Acceptor 受主受主（a a）施主杂质的电子首先跃迁到受主能级，剩施主杂质的电子首先跃迁到受主能级，剩余的才向导带跃迁；杂质完全电离时余的才向导带跃迁；杂质完全电离时 半导体仍为为半导体仍为为n n型半导体型半导体杂质的补偿作用杂质的补偿作用n杂质补尝：半半导体中存在施主体中存在施主杂质和受主和受主杂质时，它，它们之之间有相互抵消的作用，有相互抵消的作用，这种作用称种作用称为杂质补偿。（b）受主杂质上的空位首先接受来自施主受主杂质上的空位首先接受来自施主杂质的电子，剩余的向价带释放空穴；杂质完全电离杂质的电子，剩余的向价带释放空穴；杂质完全电离EcEvEd(a)EcEvEa(b)半导体仍为半导体仍为p型半导体型半导体 杂质的补偿作用杂质的补偿作用n杂质完全或高度完全或高度补偿：当：当 时，由于，由于施主施主电子子刚好填充受主能好填充受主能级，几乎不向，几乎不向导带和价和价带提供提供电子和空穴。子和空穴。这种情况称种情况称为杂质的完全的完全补偿或高度或高度补偿。n完全补偿的半导体材料的载流子浓度非常接近本完全补偿的半导体材料的载流子浓度非常接近本征半导体。但是实际晶格中包含有大量的电离了征半导体。但是实际晶格中包含有大量的电离了的杂质离子，一般不能用来制造器件。的杂质离子，一般不能用来制造器件。利用杂质补尝常用来改变半导体的导电类型，是制作利用杂质补尝常用来改变半导体的导电类型，是制作各种器件的基础工艺各种器件的基础工艺 深能级杂质深能级杂质n如果如果杂质产生的施主能生的施主能级距离距离导带底底较远，受主，受主能能级距离价距离价带顶较远，这种能种能级称称为深能深能级，相，相应的的杂质称称为深能深能级杂质n不容易不容易电离，离，对载流子流子浓度影响不大度影响不大n能起到复合中心作用，使少数能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低流子寿命降低n深能深能级杂质电离后成离后成为带电中心，中心，对载流子起散射作流子起散射作用，使用，使载流子迁移率减少，流子迁移率减少，导电性能下降。性能下降。n一般会一般会产生多重能生多重能级，甚至既，甚至既产生施主能生施主能级也也产生受生受主能主能级 深能级杂质深能级杂质EcEvEA30.04EA20.20EA10.15E ED D0.040.04n在锗中的中性金原子在锗中的中性金原子 ，有可能分别接受一，有可能分别接受一，二，三个电子而成为二，三个电子而成为 ，起受，起受主作用，引入主作用，引入E EA1A1、E EA2A2、E EA3A3 等三个受主能级。等三个受主能级。n 中性金原子也可能给出它的最外层电子而成为中性金原子也可能给出它的最外层电子而成为 AuAu+，起施主作用，引入一个施主能级，起施主作用，引入一个施主能级E ED D。金原子最外层有一个价电子，比锗少三个价电子。金原子最外层有一个价电子，比锗少三个价电子。族化合物半导体中的杂质n化合物半化合物半导体包括两种元素，体包括两种元素，杂质掺杂特性特性较硅，硅，锗材料材料复复杂。以砷化镓为例以砷化镓为例A：替代镓：替代镓B：替代砷：替代砷C：填隙：填隙族化合物半导体中的杂质n施主施主杂质：n六族元素如氧，硫等，常取代五族砷表六族元素如氧，硫等，常取代五族砷表现为施主施主杂质以砷化镓为例以砷化镓为例n受主杂质：受主杂质：n二族元素如铍二族元素如铍be，镁，镁mg等，常取代三族镓表现为受主等，常取代三族镓表现为受主杂质杂质族化合物半导体中的杂质n等等电子子杂质（中性（中性杂质）：）：三三 族元素（族元素（B、Al、In）和五族元素（）和五族元素（P、Sb）在）在 GaAs 中通常分中通常分别替替代代 Ga 和和 As，由于，由于杂质在晶格位置上并不改在晶格位置上并不改变原有原有的价的价电子数，子数，对 GaAs 的的电学性学性质没有明没有明显影响。影响。在禁在禁带中不引入能中不引入能级。n双性杂质：双性杂质：n四族元素如硅，锗，碳，可取四族元素如硅，锗，碳，可取代镓原子起着施主杂质的作用，代镓原子起着施主杂质的作用，也可取代也可取代V V族砷原子而起着受族砷原子而起着受主杂质的作用。主杂质的作用。n一般情况下，一般情况下，实验结果表明，实验结果表明，在砷化镓材料中，锗原子往往在砷化镓材料中，锗原子往往倾向于表现为受主杂质，而硅倾向于表现为受主杂质，而硅原子则倾向于表现为施主杂质。原子则倾向于表现为施主杂质。非本征半非本征半导体：体：掺入定量的特定的入定量的特定的杂质原子（施主原子（施主或受主），从而或受主），从而热平衡平衡电子和空穴子和空穴浓度不同于本度不同于本征征载流子流子浓度的半度的半导体材料。体材料。n掺入施主入施主杂质，杂质电离形成离形成导带电子和正子和正电中心中心（施主离子），而不（施主离子），而不产生空穴（生空穴（实际上空穴减少），上空穴减少），因而因而电子子浓度会超度会超过空穴，空穴，这时半半导体就是体就是n型半型半导体体；在在n型半型半导体中，体中，电子称子称为多数多数载流子，相流子，相应空穴成空穴成为少数少数载流子流子。n相反，相反，掺入受主入受主杂质，形成价，形成价带空穴和空穴和负电中心（受中心（受主离子），主离子），空穴空穴浓度超度超过电子，子，这时半半导体就是体就是p型半型半导体，多数体，多数载流子流子为空穴，少数空穴，少数载流子流子为电子子。4.3 非本征半导体非本征半导体n掺入施主入施主杂质，费米能米能级向上（向上（导带）移）移动，导带电子子浓度增加，空度增加，空穴穴浓度减少度减少n过程：施主程：施主电子子热激激发跃迁到迁到导带增加增加导带电子子浓度；施主度；施主电子子跃迁迁到价到价带与空穴复合，减与空穴复合，减少空穴少空穴浓度；施主原子度；施主原子改改变了了费米能米能级位置，位置，导致致载流子重新分布流子重新分布n掺入受主入受主杂质，费米能米能级向下（价向下（价带）移）移动，导带电子子浓度减少，空度减少，空穴穴浓度增加度增加n过程：价程：价带电子子热激激发到受主能到受主能级产生空穴，生空穴，增加空穴增加空穴浓度；度；导带电子子跃迁到受主能迁到受主能级减少减少导带电子子浓度；受主原度；受主原子改子改变费米能米能级位置，位置，导致重新分布致重新分布EvEcEd非本征半导体载流子浓度非本征半导体载流子浓度n非非简并半并半导体体热平衡平衡载流子流子浓度度同样同样:又又则则EFEFi电子浓度超电子浓度超过本征载流子浓度；过本征载流子浓度；EFEFi空穴浓度超空穴浓度超过本征载流子浓度过本征载流子浓度n0和和p0乘积乘积n非简并半导体载流子浓度积的公式：非简并半导体载流子浓度积的公式：n只要满足玻尔兹曼近似条件，只要满足玻尔兹曼近似条件，只要处于热平衡状态，对于本征只要处于热平衡状态，对于本征半导体和非本征半导体都普遍适用。半导体和非本征半导体都普遍适用。分析公式可得浓度积的重要意义：分析公式可得浓度积的重要意义：nn0、p0之积与之积与EF无关，这表明浓度积无关，这表明浓度积与杂质浓度无关，而由半导体与杂质浓度无关，而由半导体的材料特性和温度决定。的材料特性和温度决定。n当温度一定时，对某种半导体，该当温度一定时，对某种半导体，该乘积乘积 恒定恒定这表明：导带电子浓度与这表明：导带电子浓度与价带空穴浓度是相互制约的，价带空穴浓度是相互制约的，若电子浓度大，则空穴浓度一定小，反若电子浓度大，则空穴浓度一定小，反之亦然；之亦然；这是动态热平衡的一个反映。这是动态热平衡的一个反映。简并与非简并半导体简并与非简并半导体n简并与非并与非简并半并半导体体n在在n0、p0的推的推导过程中，使用了玻程中，使用了玻尔兹曼假曼假设，该假假设只能只能处理非理非简并系并系统。而。而当当导带电子（价子（价带空穴）空穴）浓度超度超过了状了状态密度密度Nc（Nv）时，费米能米能级位于位于导带（价（价带）内部，）内部，这时半半导体体转变为n（p）型）型简并半并半导体。体。简并与非简并半导体简并与非简并半导体n简并半并半导体的体的载流子流子浓度公式度公式n简并化并化标准准n简并化与并化与杂质掺杂的关系，及的关系，及杂质带导电重点问题重点问题简并半导体的载流子浓度简并半导体的载流子浓度 费米积分费米积分n把把EF与与EC的相的相对位位置作置作为区分区分简并化与并化与非非简并化的并化的标准。准。简并与非简并半导体简并与非简并半导体简并与非简并半导体简并与非简并半导体n发生生简并的条件并的条件n大量大量掺杂n温度的影响（低温温度的影响（低温简并）并）n简并系并系统的特点：的特点：n杂质未完全未完全电离离n杂质能能级相互交叠分裂相互交叠分裂成能成能带，甚至可能与，甚至可能与带边相交叠。相交叠。杂质上未上未电离离电子也可子也可发生共有化生共有化运运动参与参与导电。