第二章-半导体中的杂质与缺陷(更新上传)PPT课件.ppt

第二章 半导体中的杂质和缺陷1.理想半理想半导导体体：1、原子、原子严严格周期性排列，具有完整的晶格格周期性排列，具有完整的晶格 结结构。构。2、晶体中无、晶体中无杂质杂质，无缺陷。，无缺陷。3、电电子在周期子在周期场场中作共有化运中作共有化运动动，形成允，形成允带带和禁和禁带带电电子能量只能子能量只能处处在允在允带带中的中的能能级级上，禁上，禁带带中无能中无能级级。本征半本征半导导体体晶体具有完整的（完美的）晶体具有完整的（完美的）晶格晶格结结构，无任何构，无任何杂质杂质和缺陷。由本征激和缺陷。由本征激发发提供提供载载流子。流子。2.实际实际半半导导体体：1、总总是有是有杂质杂质、缺陷，使周期、缺陷，使周期场场破坏，在破坏，在杂质杂质或缺陷周或缺陷周围围引起局部性的量子引起局部性的量子态态对应对应的能的能级级常常常常处处在禁在禁带带中，中，对对半半导导体的体的性性质质起着决定性的影响。起着决定性的影响。2、杂质电杂质电离提供离提供载载流子。流子。杂质杂质半半导导体体3.主要内容2-1 元素半元素半导导体中的体中的杂质杂质能能级级2-2 化合物半化合物半导导体中的体中的杂质杂质能能级级2-3缺陷、位缺陷、位错错能能级级 重点重点 掌握掌握锗锗、硅晶体中的、硅晶体中的杂质杂质能能级级，-族化合物半族化合物半导导体的体的杂质杂质能能级级。施主施主/受主受主 施主施主杂质杂质/受主受主杂质杂质 施主能施主能级级/受主能受主能级级浅能浅能级杂质级杂质/深能深能级杂质级杂质浅能浅能级杂质电级杂质电离能的离能的计计算算杂质补偿杂质补偿作用作用 4.2-1 元素半导体中的杂质能级一、一、杂质杂质存在的方式存在的方式1、杂质杂质存在方式金金刚刚石石结结构构Si Si中，一中，一个晶胞内的原子占晶个晶胞内的原子占晶体原胞的体原胞的34%34%，空隙，空隙占占66%66%。杂质杂质与本体元素不同的其他元素与本体元素不同的其他元素5.(2)替位式杂质占据格点的位置。大小接近、电子壳层结构相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nm(1)间隙式杂质位于组成半导体的元素或离子的格点之间的间隙位置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLi半导体中杂质存在方式存在方式6.二、元素半二、元素半导导体的体的杂质杂质1.VA族的替位族的替位杂质杂质施主杂质在硅在硅Si中中掺掺入入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一个正电中心P和一个多余的价电子束缚态未未电电离离离化态电电离后离后7.电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电中心，称为施主施主杂质杂质。施主施主杂质杂质 施主能施主能级级被施主杂质束缚的电子的能量比导带底Ec低，称为施主能施主能级级，ED。施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，杂质的施主能级是具有相同能量的孤立能级ED施主施主浓浓度：度：ND+-EDEgEcEv8.施主施主电电离能离能 ED=弱束弱束缚缚的的电电子子摆摆脱脱杂质杂质原子原子束束缚缚成成为为晶格中自由运晶格中自由运动动的的 电电子（子（导带导带中的中的电电子）所需子）所需要的能量要的能量ECED ED=ECED施主电离能EV9.施主施主杂质杂质的的电电离能小，离能小，在常温下基本上在常温下基本上电电离。离。含有施主含有施主杂质杂质的半的半导导体，其体，其导电导电的的载载流子主要流子主要是是电电子子N型半型半导导体，或体，或电电子型半子型半导导体体晶体杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge 0.0126 0.0127 0.009610.在在Si中中掺掺入入BB具有得到电子的性质，这类杂质称为受主受主杂质杂质。受主受主杂质杂质向价向价带带提供空穴。提供空穴。2.A族替位族替位杂质杂质受主受主杂质杂质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。BBEA受主受主浓浓度：度：NA11.EcEvEA(2)受主受主电电离能和受主能离能和受主能级级受主受主电电离能离能 EA=空穴空穴摆摆脱受主脱受主杂质杂质束束缚缚成成为导电为导电 空穴所需要的能量空穴所需要的能量EA受主能受主能级级EA：被受主：被受主杂质杂质所束所束缚缚的空穴能量的空穴能量12.受主受主杂质杂质的的电电离能小，在离能小，在常温下基本上常温下基本上为为价价带电带电离离的的电电子所占据子所占据空穴由空穴由受主能受主能级级向价向价带带激激发发。含有受主含有受主杂质杂质的半的半导导体，其体，其导电导电的的载载流子主要流子主要是空穴是空穴P型半型半导导体，或空穴型半体，或空穴型半导导体。体。晶体杂质BAlGaSi0.045 0.057 0.065Ge0.010.010.01113.施主和受主施主和受主浓浓度：度：ND、NA施主：施主：Donor，掺掺入半入半导导体的体的杂质杂质原子向半原子向半导导体中提供体中提供导电导电的的电电子，并成子，并成为带为带正正电电的离的离子。如子。如Si中中掺的的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半入半导体的体的杂质原子向原子向半半导体提供体提供导电的空穴，并成的空穴，并成为带负电的离的离子。如子。如Si中中掺的的B小小结结！14.15.N型半型半导导体体特征：a 施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子b 电子浓度n 空穴浓度pP 型半型半导导体体特征：a 受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴b空穴浓度p 电子浓度n N型和型和P型半型半导导体都称体都称为为极性半极性半导导体体ECEDEVEA-+-+Eg16.P型型半半导导体体价价带带空空穴穴数数由由受受主主决决定定，半半导导体体导导电电的的载载流流子子主主要要是是空空穴穴。空空穴穴为为多多子子，电电子子为为少子。少子。N型型半半导导体体导导带带电电子子数数由由施施主主决决定定，半半导导体体导导电电的的载载流流子子主主要要是是电电子子。电电子子为为多多子子，空空穴穴为为少子。少子。多子多子多数多数载载流子流子少子少子少数少数载载流子流子17.杂杂质质向向导导带带和和价价带带提提供供电电子子和和空空穴穴的的过过程程（电电子子从从施施主主能能级级向向导导带带的的跃跃迁迁或或空空穴穴从从受受主主能能级级向向价价带带的的跃跃迁迁）称称为为杂杂质质电电离离或或杂杂质质激激发发。具具有有杂质杂质激激发发的半的半导导体称体称为杂质为杂质半半导导体体 杂质杂质激激发发3.杂质杂质半半导导体体电电子从价子从价带带直接向直接向导带导带激激发发，成，成为导带为导带的自由的自由电电子，子，这这种激种激发发称称为为本征激本征激发发。只有本征激。只有本征激发发的半的半导导体称体称为为本征半本征半导导体。体。本征激本征激发发N型和型和P型半型半导导体都是体都是杂质杂质半半导导体体 18.施主向导带提供的载流子=10161017/cm3 本征载流子浓度杂质杂质半半导导体中体中杂质载杂质载流子流子浓浓度度远远高于高于本征本征载载流子流子浓浓度度Si的原子浓度为10221023/cm3掺入P的浓度/Si原子的浓度=10-6例如：Si 在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，19.上述杂质的特点：施主杂质：受主杂质：浅能浅能级杂质级杂质杂质的双重作用：u改变半导体的导电性u决定半导体的导电类型杂质能级在禁带中的位置很接近导带底很接近价带顶20.4.浅能浅能级杂质电级杂质电离能的离能的简单计简单计算算+-施主施主-+受主受主浅能浅能级杂质级杂质=杂质杂质离子离子+束束缚电缚电子（空穴）子（空穴）类氢模型21.玻尔原子电子的运动轨轨道半径道半径为：n=1为基态电子的运动轨迹氢原子中的电子的电离能为E0=13.6eV玻玻尔尔能能级级：玻尔原子模型22.类氢模型：计算束缚电子或空穴运动轨道半径及电离能运动轨道半径：电离能：23.施主能施主能级级靠近靠近导带导带底部底部对于Si、Ge掺PEcEvED估算估算结结果与果与实测值实测值有相同的数量有相同的数量级级24.对于Si、Ge掺BEcEvEA25.EcED电离施主电离受主Ev5.杂质杂质的的补偿补偿作用作用(1)NDNA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半导体为n型半导体 有效施主有效施主浓浓度度n=ND-NAEA26.EcEDEAEv电离施主电离受主(2)NDNA此时半导体为p型半导体 有效受主有效受主浓浓度度p=NA-ND27.(3)NDNA杂质的高度补偿EcEDEAEv本征激本征激发发产产生的生的导导带电带电子子本征激本征激发发产产生的价生的价带带空穴空穴28.6.深杂质能级根据杂质能级在禁带中的位置，将杂质分为：浅能级杂质能级接近导带底Ec或价带顶Ev，电离能很小深能级杂质能级远离导带底Ec或价带顶Ev，电离能较大ECEDEVEAEgECEAEVEDEg29.例：在Ge中掺Au 可产生3个受主能级，1个施主能级Au的电子组态是：5s25p65d106s1Au+Au0Au-Au2-Au3-多次多次电电离，每一次离，每一次电电离相离相应应地有一个能地有一个能级级既既能引入施主能能引入施主能级级又能引入受主能又能引入受主能级级AuGeGeGeGe30.1.Au失去一个失去一个电电子子施主施主EcEvEDED=Ev+0.04 eVAu31.EcEvEDEA12.Au获获得一个得一个电电子子受主受主EA1=Ev+0.15eVAu32.3.Au获获得第二个得第二个电电子子EcEvEDEA1EA2=Ec-0.2eVEA2Au233.3.Au获获得第三个得第三个电电子子EcEvEDEA1EA3=Ec-0.04eVEA2EA3Au334.深能深能级杂质级杂质的特点的特点A杂质能级深B.主要以替位式存在.C.杂质在禁带中引入多个能级。D.有的属于两性杂质。如替代同一原子，则 施主总在受主下方。E.深能级杂质的行为与杂质的电子层结构、原子大小、杂质在晶格中的位置等有关。35.36.2-2 族化合物半族化合物半导导体中的体中的杂质杂质能能级级 理想的GaAs晶格为价价键结键结构构：含有离子键成分的共价键结构Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs族化合物半族化合物半导导体中的体中的杂质杂质37.施主施主杂质杂质替代替代族元素族元素受主受主杂质杂质替代替代III族元素族元素两性两性杂质杂质III、族元素族元素等等电电子子杂质杂质同族原子取代同族原子取代38.（1）施主）施主杂质杂质 族元素: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，由于族原子比族原子多一个价电子，因此族杂质在GaAs中一般起施主作用，为浅施主杂质。39.（2）受主）受主杂质杂质 I、II族元素（Ag、Au，Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代族元素Ga原子的晶格位置，由于I、族原子比族原子少一或二个价电子，因此I、族元素杂质在GaAs中通常起受主作用，均为浅受主。40.（3）两性两性杂质杂质 族元素杂质可以取代族的Ga，也可以取代族的As，甚至可以同时取代两者，因此族杂质可以同时起施主作用和受主作用，称为两性杂质。例:在掺Si浓度小于11018cm-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1018cm-3时，部分Si原子开始取代As位，出现补偿作用，电子浓度逐渐偏低。SiGaSiAs41.（4）中性）中性杂质杂质 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，在禁带不引入能级。42.（5）等）等电电子子杂质杂质 等等电电子子杂质杂质是与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子替代了同族原子后，基本仍是电中性的。但是由于共价半径和电负性不同，它们能俘获某种载流子而成为带电中心。带电中心称为等等电电子陷阱子陷阱。例如，N取代GaP中的P而成为负电中心杂质电负性较本体原子大，俘获电子，形成电子陷阱.杂质电负性较本体原子小，俘获空穴，形成空穴陷阱.43.施主施主杂质杂质替代替代族元素族元素受主受主杂质杂质替代替代III族元素族元素两性两性杂质杂质III、族元素族元素等等电电子子杂质杂质同族原子取代同族原子取代44.等电子杂质特点：A.与基质原子同族，原子序数、电负性不同 如：GaP和GaAsP中的N，BiB.替代格点上的同族原子后，基本呈中性的杂质。C.能俘获某种载流子而成为带电中心，带电中心又能俘获另一种载流子而成为束缚激子。D.等电子络合物也能形成等电子陷阱。45.GaAs中常用掺杂剂p型杂质：镁，锌，镉n型杂质：锗、锡（代替Ga），碲，硒（代替As）46.点缺陷：空位、点缺陷：空位、间间隙原子隙原子线线缺陷：位缺陷：位错错面缺陷：面缺陷：层错层错、晶界、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的、缺陷的类类型型2-3 缺陷能缺陷能级级缺陷缺陷原子周期性排列被破坏原子周期性排列被破坏47.2.元素半元素半导导体中的缺陷体中的缺陷(1)空位空位SiSiSiSiSiSiSiSi原子的空位起原子的空位起受主受主作用。作用。48.(2)填隙填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi间间隙原子缺陷起隙原子缺陷起施主施主作用作用 49.AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs反反结结构缺陷构缺陷GaAs受主受主 AsGa施主施主3.GaAs晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷空位空位VGa、VAs VGa受主受主 VAs 施主施主间间隙原子隙原子GaI、AsI GaI施主施主 AsI受主受主e当当T0K时时，热热缺陷：弗缺陷：弗仑仑克耳缺陷克耳缺陷、肖特基缺陷、肖特基缺陷50.第二章 内容提要（1）在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。根据杂质的分布位置可以分为施主杂质和受主杂质。（2）施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时，向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。（3）杂质元素掺入半导体后，由于在晶格势场中引入微扰，使能带极值附近出现分立的能级杂质能级。族元素在靠近导带底附近Ec的禁带中进入施主能级ED，族元素在靠近价带顶Ev的禁带中引入受主能级EA。51.（4）施主杂质和受主杂质之间有相互抵消作用，通常称为“杂质补偿”。“杂质补偿”是制造各种半导体器件的基础。（5）非、族元素在半导体中也可能产生深能级或者多能级。（6）深能级和晶体缺陷形成的能级一般作为复合中心。（7）-族化合物半导体中掺入一定量的与宿主原子等价的杂质原子，取代晶格点上的原子，这类杂质称为等电子杂质。由于这种杂质原子与宿主原子电负性上的差别，能够束缚某种载流子称为带电中心等电子陷阱。52.第二章 习题1.P48 习题习题 2,32.设计设计一个一个实验实验：首先将一：首先将一块块本征半本征半导导体体变变成成N型半型半导导体，然后再体，然后再设设法使它法使它变变成成P型半型半导导体。体。53.第二章第二章 思考思考题题1.说说明明杂质杂质能能级级以及以及电电离能的物理意离能的物理意义义。为为什么受主、施主能什么受主、施主能级级分分别别位于价位于价带带之上或之上或导带导带之下，而且之下，而且电电离能的数离能的数值较值较小？小？2.杂质杂质能能级为级为何用何用处处于同一能于同一能级级水平的短横水平的短横线线来表示？在什么情来表示？在什么情况下，况下，杂质杂质能能级级会会产产生能生能级级分裂？分裂？3.纯锗纯锗、硅中、硅中掺掺入入族或族或族元素后，族元素后，为为什么使半什么使半导导体体电电性能有性能有很大的改很大的改变变？杂质杂质半半导导体（体（p型或型或n型）型）应应用很广，但用很广，但为为什么我什么我们们很很强强调对调对半半导导体材料的提体材料的提纯纯？4.何何谓谓深能深能级杂质级杂质？靠近价？靠近价带顶带顶的的杂质杂质能能级级一定是受主能一定是受主能级吗级吗？5.杂质杂质激激发发和本征激和本征激发发有什么不同？有什么不同？6.常温下，浅能常温下，浅能级杂质处级杂质处于束于束缚态还缚态还是离化是离化态态？7.说说明半明半导导体中浅能体中浅能级杂质级杂质和深能和深能级杂质级杂质的作用有何不同？的作用有何不同？8.什么叫什么叫杂质补偿杂质补偿？什么叫高度？什么叫高度补偿补偿的半的半导导体？体？杂质补偿杂质补偿有何有何实实际应际应用？用？54.