第二章 半导体中杂质和缺陷能级.

1、1第二章第二章 半导体中杂质和缺陷的能级半导体中杂质和缺陷的能级22.1.1 2.1.1 间隙式杂质和替位式杂质间隙式杂质和替位式杂质2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级晶体中的杂质能级实际半导体中并不是完美的一种原子的晶体结构。存在着一定数实际半导体中并不是完美的一种原子的晶体结构。存在着一定数目的缺陷和杂质。目的缺陷和杂质。即使微量的杂质，对半导体的导电能力会带来巨大的影响即使微量的杂质，对半导体的导电能力会带来巨大的影响-半半导体的特性。导体的特性。杂质：与本体原子不同元素的原子。杂质：与本体原子不同元素的原子。 只有替位杂质才能被激活。只有替位杂质才能被激活。正如一般电子为晶体原子所束缚

2、的情况，电子也可以受杂质的束正如一般电子为晶体原子所束缚的情况，电子也可以受杂质的束缚，形成杂质能级。电子也具有确定的能级，这种杂质能级处于缚，形成杂质能级。电子也具有确定的能级，这种杂质能级处于禁带（带隙）之中，它们对实际半导体的性质起着决定性作用。禁带（带隙）之中，它们对实际半导体的性质起着决定性作用。32.1.1 2.1.1 间隙式杂质和替位式杂质间隙式杂质和替位式杂质半导体中间隙式杂质和替位式杂质 按照球形原子堆积模型，金刚石型晶体的一个原胞中的8个原子只占该晶胞体积的34，还有66是空隙。A间隙式杂质原子：原子半径比较小B替位式杂质原子：原子的大小与被 取代的晶体原子大小比较相近杂质

3、浓度：单位体积中的杂质原子数42.1.2 2.1.2 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级5施主能级ED被施主杂质束缚的多余的一个价电子状态对应的能量。2.1.2 2.1.2 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级62.1.2 2.1.2 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级施主杂质施主杂质施主电离施主电离束缚态束缚态中性态中性态VA族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心。释放电子的过程。施主杂质未电离时电中性的状态离化态离化态电离后成为正电中心。施主杂质电离能ED多余的一个价电子脱离施主杂质而成为自由电子所需要的能量。72.1.3 2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受

4、主能级p 硼掺入硅中, 硼只有三个价电子,与周围的四个硅原子成键时，产生一个空穴。其它成键电子很容易来填补这个空穴。填补时，空穴激发到价带（空穴电离，能量升高），同时硼原子成为负电中心。这一过程很容易发生，意味着空穴电离能较小。82.1.3 2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级等价表述等价表述受主杂质受主杂质电离能电离能受主杂质受主杂质电离电离硼原子看成是一个负电中心束缚着一个空穴, 空穴很容易电离到价带, 同时在硼原子处成为一个负电中心。空穴挣脱受主杂质束缚的过程。使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量。P型半导体 如何计算、分析半导体中，杂质的能级。这里介绍一种最如何计

5、算、分析半导体中，杂质的能级。这里介绍一种最简单的、实际上也是最重要的一类杂质能级简单的、实际上也是最重要的一类杂质能级类氢杂质类氢杂质能级。能级。 在在SiSi、GeGe元素半导体和元素半导体和族化合物半导体等最重要的族化合物半导体等最重要的半导体材料中发现：半导体材料中发现： 加入多一个价电子的元素，如在加入多一个价电子的元素，如在Si Si 、GeGe中加入中加入P P、AsAs、SbSb，或在，或在族化合物中加入族化合物中加入族元素，族元素，这些掺入的杂质将成为施主这些掺入的杂质将成为施主； 加入少一个价电子的元素，如在加入少一个价电子的元素，如在Si Si 、GeGe中加入中加入Al

6、 Al 、GaGa、InIn，或在，或在族化合物中加入族化合物中加入族元素，这些掺入的杂族元素，这些掺入的杂质将成为受主质将成为受主；2.1.4、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 加入多一个价电子的替位式杂质原子，在加入多一个价电子的替位式杂质原子，在填满价带（饱和周围成键原子的共价键）填满价带（饱和周围成键原子的共价键）之外尚多余一个电子，同时，相比原来的之外尚多余一个电子，同时，相比原来的原子，杂质原子也多一个正电荷，多余的原子，杂质原子也多一个正电荷，多余的正电荷正好束缚多余的电子，类似氢原子正电荷正好束缚多余的电子，类似氢原子的情形。的情形。 加入少一个价电子的替

7、位式杂质原子，在加入少一个价电子的替位式杂质原子，在与近邻与近邻4 4个原子形成共价键时，缺少了一个原子形成共价键时，缺少了一个电子，这样就使得此处的共价键中相比个电子，这样就使得此处的共价键中相比原来缺少了一个电子。其它价键中的电子原来缺少了一个电子。其它价键中的电子很容易来填补这个空缺。这样一来，杂质很容易来填补这个空缺。这样一来，杂质处多了一个负电荷，同时满带处取去了一处多了一个负电荷，同时满带处取去了一个电子，亦即多一个空穴。如同这个空穴个电子，亦即多一个空穴。如同这个空穴可以被杂质负电荷所束缚，并类似氢原子可以被杂质负电荷所束缚，并类似氢原子的情形，只有正负电荷对调了，这样一个的情形

8、，只有正负电荷对调了，这样一个束缚的空穴相当于一禁带中一个空的受主束缚的空穴相当于一禁带中一个空的受主能级。能级。112.1.4、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2220248nhmqEn)()(4202202rErrqmhn氢原子电子满足：可以解出能量本征值：可以解出能量本征值：基态氢原子的电离能基态氢原子的电离能Ei:eVmqE6 .138220241a0称为波尔半径，值为：称为波尔半径，值为：Amqa52.0420202.1.4、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 半导体中点电荷库仑场，受到连续介质的屏蔽，库仑势减弱了半导体中点电荷库仑场，受到连

9、续介质的屏蔽，库仑势减弱了 r，(半导体相对介电常数半导体相对介电常数) 束缚电子或空穴的质量为有效质量束缚电子或空穴的质量为有效质量m*，由氢原子的结果得到，由氢原子的结果得到 由于由于m* NNA ADADNNNnl ND NA时,由于受主能级低于施主能级, 施主杂质的电子首先跳到受主杂质的能级上，此时还有ND- NA个电子在施主能级上。l 在杂质全部电离时,它们跃迁到导带成为导电电子,有ND- NA个导带电子,半导体是n型的。能带角度的理解：能带角度的理解：182.1.5 2.1.5 杂质的补偿作用杂质的补偿作用（b b）N ND D N NA AADANNNpl ND NA时,由于受主

10、能级低于施主能级, 施主杂质的电子首先跳到受主杂质的能级上,此时还有NA- ND个空穴在受主能级上。l 在空穴全部电离时跃迁到价带时,有NA- ND个价带空穴,半导体是p型的。192.1.6 2.1.6 深能级杂质深能级杂质浅能级杂质浅能级杂质通常情况下，半导体中些施主能级距离导带底较近；或受主能能级距离价带顶较近。深能级杂质深能级杂质若杂质提供的施主能级距离导带底较远；或提供的受主能能级距离价带顶较远。l 许多深杂质能级是由于杂质的多次电离产生的.每一次电离相应地有一个能级，这些杂质在硅或锗的禁带中往往引入若干个能级，而且有些杂质还可以引入施主能级，又能引入受主能级。如：Au在Ge中产生四个

11、深杂质能级,其中三个为受主能级，一个为施主能级。2.1.6 2.1.6 深能级杂质深能级杂质深能级杂质的作用1. ED，EA 较大，杂质电离作用较弱，对载流子（导电电子和空穴）浓度影响较小；2. 对载流子的复合作用较大（复合中心），降低非平衡载流子的寿命。2.2 III-V族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级2.2.1 GaAs中的杂质等电子杂质：是等价电子，与所取代的基体原子具有相同等电子杂质：是等价电子，与所取代的基体原子具有相同价电子数的杂质。价电子数的杂质。 GaP中参入中参入N或或Bi，分别在禁带中产生，分别在禁带中产生Ec=-0.008eV，Ev= +0.038eV能级处。能级

12、处。 N取代取代P后，比后，比P有更强的获得电子的能力，常可吸引一个有更强的获得电子的能力，常可吸引一个导带中的电子变成带负电的离子。导带中的电子变成带负电的离子。 Bi取代取代P后，比后，比P有更强的获得空穴的能力，常可吸引一个有更强的获得空穴的能力，常可吸引一个价带中的空穴变成带正电的离子。价带中的空穴变成带正电的离子。等电子杂质等电子杂质 (等电子陷阱）等电子陷阱）2.2.1 GaAs中的杂质242.3 2.3 缺陷和位错能级缺陷和位错能级p 晶体中存在缺陷和位错的地方，严格的周期势场也会发生畸变，这些缺陷可以在半导体的禁带范围内引入电子能态而成为禁带中的缺陷或位错能级，这些能级一般也是深能级。p 如：硅、锗中的空位引起不饱和的