第二章半导体中杂质和缺陷能级

1、LOGO 第二章第二章 半导体中杂质半导体中杂质 和缺陷能级和缺陷能级1、硅、锗中晶体中的杂质能级、硅、锗中晶体中的杂质能级 2、缺陷、位错能级、缺陷、位错能级LOGO教学目标、教学重点与难点教学目标、教学重点与难点 教学目标教学目标 教学重点难点教学重点难点半导体中的杂质和缺陷能级的原理及作用半导体中的杂质和缺陷能级的原理及作用杂质与缺陷的作用，对半导体性质的影响；杂质与缺陷的作用，对半导体性质的影响；深能级杂质。深能级杂质。 LOGO第二章第二章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级1、硅、锗中晶体中的杂质能级、硅、锗中晶体中的杂质能级 2、缺陷、位错能级、缺陷、位错能级LOGO硅

2、、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级v替位式杂质间隙式杂质替位式杂质间隙式杂质B 替位式杂质替位式杂质A 间隙式杂质间隙式杂质LOGO施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级 掺入施主杂质磷掺入施主杂质磷 P P硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGO如何用能带理论解释施主杂质？硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGO杂质能级杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGO施施 主主 电电 离离 能：能：E ED D = E= EC C- E- ED D 硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGOvSi、Ge中中族杂质的电离能

3、族杂质的电离能ED（eV） 晶体晶体 杂杂 质质 电电 离离 能能ED 禁带宽度禁带宽度Eg P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 1.12 Ge 0.0126 0.0127 0.0096 0.67硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGO 掺入受主杂质硼（掺入受主杂质硼（B B）硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGO如何用能带理论解释受主杂质？硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGO硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGO硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGOv特点：特点： 施主电离能施主电

4、离能 ED Eg 受主电离能受主电离能 EA Eg 即所谓的浅能级杂质即所谓的浅能级杂质 硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGOv杂质的补偿：既掺有施主杂质又掺有受主杂质杂质的补偿：既掺有施主杂质又掺有受主杂质v杂质补偿作用分为三种情况考虑：杂质补偿作用分为三种情况考虑：（A） NDNA时时 （B） NAND时时 （C） ND NA时时 硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGOv（A）NDNA时时 n型半导体型半导体 v因因 EA 在在 ED 之下，之下， ED上的束缚电子首先填充上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互上的空位，即施主与受主先相互

5、“抵消抵消”，剩余的束缚电子再电离到导带上。剩余的束缚电子再电离到导带上。v所以：有效的施主浓度所以：有效的施主浓度 ND*=ND-NA硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGOv（B）NAND时时 P型半导体型半导体 v因因 EA 在在 ED 之下，之下， ED上的束缚电子首先填充上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互上的空位，即施主与受主先相互“抵消抵消”，剩余的束缚空穴再电离到价带上。剩余的束缚空穴再电离到价带上。v所以：有效的施主浓度所以：有效的施主浓度 NA*=NA-ND硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGO 本征激发的导带电子本征激发的

6、导带电子 本征激发的价带空穴本征激发的价带空穴EvEcEDEA硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGO（1）浅能级杂质）浅能级杂质ED、EA远小于远小于Eg（2）深能级杂质）深能级杂质 ED、EA和和Eg相当相当硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGOv例例1：Au（族）在族）在Si中中 硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGOv例例2：Au（族）在族）在Ge中中Au在在Ge中共有五种可能的状态：中共有五种可能的状态： （1）Au+（2）Au0 （3）Au- （4）Au2-（5）Au3-。硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级LOGO第

7、二章第二章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级硅、锗中晶体中的杂质能级硅、锗中晶体中的杂质能级 缺陷、位错能级缺陷、位错能级LOGO 缺陷、位错能级缺陷、位错能级缺陷对材料性能有重要的影响 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列 实际晶体：存在各种各样的结构不完整性 LOGO 形成原因：1、热缺陷（晶格位置缺陷) 2、杂质缺陷(组成缺陷 ） 缺陷、位错能级缺陷、位错能级LOGO（1）弗伦克尔缺陷（Frenkel） 原子进入晶格的间隙位置，空位和间隙原子同时出 现，晶体体积不发生变化，晶体不会因为出现空位而产 生密度变化。1、热缺陷（晶格位置缺陷、热缺陷（晶格位置缺陷)特点：空位与间隙粒子

8、成对出现，数量相等，晶体体积不发生变化。特点：空位与间隙粒子成对出现，数量相等，晶体体积不发生变化。 缺陷、位错能级缺陷、位错能级LOGO （2）肖特基缺陷（Schottky） 表面层原子获得较大能量，离开原来格点位跑到表面外新的格点位，原来位置形成空位这样晶格深处的原子就依次填入，结果表面上的空位逐渐转移到内部去。特点：晶体表面增加了新的原子层，晶体内部只有空位缺陷。晶体体积膨胀，密度下降。1、热缺陷（晶格位置缺陷、热缺陷（晶格位置缺陷) 缺陷、位错能级缺陷、位错能级LOGO2、杂质缺陷(组成缺陷 ） 外来原子进入主晶格产生的缺陷。在原晶体结构中进入了杂在原晶体结构中进入了杂质原子，它与固有

9、原子性质不同，破坏了原子排列的周期性，质原子，它与固有原子性质不同，破坏了原子排列的周期性，杂质原子在晶体中占据两种位置：杂质原子在晶体中占据两种位置：（2） 替位式杂质替位式杂质（1） 间隙式杂质间隙式杂质 缺陷、位错能级缺陷、位错能级LOGO点缺陷和位错点缺陷和位错 点缺陷：在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。是处于原子大小数量级上的缺陷 线缺陷（位错)：缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生短。在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷。这种线缺陷又称位错。的缺陷