半导体物理-3-第二章

1、 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级理想半导体理想半导体：1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格、原子严格周期性排列，具有完整的晶格 结构。结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。、晶体中无杂质，无缺陷。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带和禁带电子能量只能处在允带中的能级电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。上，禁带中无能级。本征半导体本征半导体晶体具有完整的（完美的）晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激发晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流子。提供载流子。实际半导体实际半导体u 实际半导体中原子并不

2、是静止在具有严格实际半导体中原子并不是静止在具有严格周期性的晶格位置上，而是在其平衡位置周期性的晶格位置上，而是在其平衡位置附近振动；附近振动；u 实际半导体并不是纯净的，而是含有杂质实际半导体并不是纯净的，而是含有杂质的；的；u 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种形式的缺陷，点缺陷，而是存在着各种形式的缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺陷；线缺陷，面缺陷；杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半导体的性质产生了决定性的作用导体的性质产生了决定性的作用杂质的来源：杂质的来源：有意掺入有意掺入无意掺入无意掺入根据杂

3、质在能级中的位置不同：根据杂质在能级中的位置不同：替位式是杂质替位式是杂质间隙式杂质间隙式杂质在金刚石型晶体中，晶胞中原子的体积百分数为在金刚石型晶体中，晶胞中原子的体积百分数为34%，说明还有，说明还有66%是空隙。是空隙。Si 中的杂质有两种存在中的杂质有两种存在方式，方式，a：间隙式杂质：间隙式杂质 特点：杂质原子一般较小，锂元素特点：杂质原子一般较小，锂元素b：替位式杂质：替位式杂质 特点：杂质原子的大小与被替代的晶格原子大特点：杂质原子的大小与被替代的晶格原子大小可以相比，价电子壳层结构比较相近，小可以相比，价电子壳层结构比较相近，和和族族元素在元素在Si，Ge中都是替位式中都是替位

4、式以硅为例说明以硅为例说明单位体积中的杂质原子数称为单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度杂质浓度B:替位式替位式杂质占据格点位杂质占据格点位置。大小接近、电子壳层置。大小接近、电子壳层结构相近结构相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmSiSiSiSiSiSiSiPSiLiN型半导体型半导体P型半导体型半导体复合中心复合中心陷阱陷阱杂质分类杂质分类浅能级杂质浅能级杂质深能级深能级杂质杂质第五章杂质能级位于禁带中杂质能级位于禁带中Eg浅能级浅能级施主杂质施主杂质施主能级施主能级Ei受主杂质受主杂质 受主能级受主能级EcEv浅能级浅能级(1)VA族的替位杂质族的替位杂质

5、在硅在硅Si中掺入中掺入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未电离未电离电离后电离后2、元素半导体的杂质、元素半导体的杂质施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As 半导体的掺杂半导体的掺杂电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是掺施主的意义所在电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是掺施主的意义所在。过程：过程：1.形成共价键后存在正电中心形成共价键后存在正电中心P+；束缚的电；束缚的电子子2.多余的一个电子挣脱束缚，在晶格中自由多余的一个电子挣脱束缚，在晶格中自由动；杂质

6、电离动；杂质电离3. P+成为不能移动的正电中心；成为不能移动的正电中心；电离时，电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电原子能够提供导电电子并形成正电中心，中心，。施主杂质施主杂质 施主能级施主能级被施主杂质束缚的电子被施主杂质束缚的电子的能量比导带底的能量比导带底Ec低，低，称为称为，ED。施主杂质少，原子间相施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的能级是具有相同能量的孤立能级孤立能级ED施主浓度：施主浓度：ND施主电离能施主电离能ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中自由运动的束缚成为晶格中自由运动的 电子（导带中的电

7、子）所需电子（导带中的电子）所需要的能量要的能量ECED ED =ECED施主电离能施主电离能EV-束缚态束缚态离化态离化态+施主杂质的电离能小，施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。在常温下基本上电离。含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子是电子N型半导体，或电子型半导体型半导体，或电子型半导体晶晶体体杂质杂质PAsSbSi0.044 0.049 0.039Ge 0.01260.01270.0096定义：定义：l施主杂质施主杂质lV族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生族元素在硅、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，称此类杂

8、质为施主导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或杂质或n型杂质。型杂质。l施主电离施主电离l施主杂质释放电子的过程。施主杂质释放电子的过程。l施主能级施主能级l被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能量为施主电离能量为ED。ln型半导体型半导体l依靠导带电子导电的半导体。依靠导带电子导电的半导体。3、受主能级：举例：、受主能级：举例：Si中掺硼中掺硼B2、受主能级受主能级：举例：举例： Si中掺硼中掺硼B过程：过程：1.形成共价键时，形成共价键时，从从Si 原子中夺取一个电子，原子中夺取一个电子，Si 的共价键中产生一个空的共价键中产生一个

9、空穴；穴；2.当空穴挣脱硼离子的束当空穴挣脱硼离子的束缚，形成固定不动的负电缚，形成固定不动的负电中心中心B-受主电离，受主电离能，受主受主电离，受主电离能，受主杂质（杂质（p型杂质），受主能级型杂质），受主能级在在Si中掺入中掺入BB具有得到电子的性质，这类杂质称为具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质受主杂质。受主杂质向价带提供空穴。受主杂质向价带提供空穴。B获得一个电子变成获得一个电子变成负离子，成为负电中负离子，成为负电中心，周围产生带正电心，周围产生带正电的空穴。的空穴。BBEA受主浓度：受主浓度：NA电离的结果：电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意义掺受主的意义所在

10、VAAEEEEcEvEA受主电离能和受主能级受主电离能和受主能级受主电离能受主电离能EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量空穴所需要的能量-束缚态束缚态离化态离化态+受主杂质的电离能小，在受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离常温下基本上为价带电离的电子所占据的电子所占据空穴由空穴由受主能级向价带激发。受主能级向价带激发。含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴是空穴P型半导体，或空穴型半导体型半导体，或空穴型半导体。晶晶体体杂质杂质BAlGaSi0.045 0.057 0.065Ge0.010.01

11、0.011定义：定义：l受主杂质受主杂质lIII族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或主杂质或p型杂质。型杂质。l受主电离受主电离l受主杂质释放空穴的过程。受主杂质释放空穴的过程。l受主能级受主能级l被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量为受主电离能量为EAlp型半导体型半导体l依靠价带空穴导电的半导体。依靠价带空穴导电的半导体。施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半

12、，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如子。如Si中中掺掺的的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向，掺入半导体的杂质原子向半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如子。如Si中掺的中掺的B小结！小结！等电子杂质等电子杂质N型半导体型半导体特征：特征：a 施主杂质电离，导带中施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子出现施主提供的导电电子b 电子浓度电子浓度n 空穴浓度空穴浓度pP 型半导体型半导体特征：特征：a 受主杂质电离，价带中受主杂质电离，价带中出现受

13、主提供的导电空穴出现受主提供的导电空穴b空穴浓度空穴浓度p 电子浓度电子浓度n ECEDEVEA-+-+EgN型和型和P型半导体都称为型半导体都称为极性半导体极性半导体P型半导体型半导体价带空穴数由受主决定，半导体价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电子为少子。子为少子。N型半导体型半导体导带电子数由施主决定，半导体导带电子数由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子。电子为导电的载流子主要是电子。电子为多子多子，空，空穴为穴为少子少子。多子多子多数载流子多数载流子少子少子少数载流子少数载流子杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（

14、电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）称为向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发杂质电离或杂质激发。具。具有杂质激发的半导体称为有杂质激发的半导体称为杂质半导体杂质半导体 杂质激发杂质激发3. 杂质半导体杂质半导体电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为电子，这种激发称为本征激发本征激发。只有本征激发。只有本征激发的半导体称为的半导体称为本征半导体本征半导体。本征激发本征激发N型和型和P型半导体都是型半导体都是杂质半导体杂质半导体 施主向导带

15、提供的载流子施主向导带提供的载流子=10161017/cm3 本征载流子浓度本征载流子浓度杂质半导体中杂质载流子浓度远高于杂质半导体中杂质载流子浓度远高于本征载流子浓度本征载流子浓度Si的原子浓度为的原子浓度为10221023/cm3掺入掺入P的浓度的浓度/Si原子的浓度原子的浓度=10-6例如：例如：Si 在室温下，本征载流子浓度为在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，上述杂质的特点：上述杂质的特点：施主杂质：施主杂质：受主杂质：受主杂质：浅能级杂质浅能级杂质杂质的双重作用：杂质的双重作用：u 改变半导体的导电性改变半导体的导电性u 决定半导体的导电类型决定半导体的导电类型杂质能级在禁

16、带中的位置杂质能级在禁带中的位置gDEEgAEE 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+-施主施主-+受主受主浅能级杂质浅能级杂质=杂质离子杂质离子+束缚电子（空穴）束缚电子（空穴）类氢模型类氢模型222oHohrnmq玻尔原子电子的运动玻尔原子电子的运动轨道半径轨道半径为：为：n=1为基态电子的运动轨迹为基态电子的运动轨迹42228onom qEh ne= -玻尔能级：玻尔能级：玻尔原子模型玻尔原子模型l类氢模型类氢模型l氢原子中电子能量氢原子中电子能量ln=1,2,3，为主量子数，当，为主量子数，当n=1和无穷时和无穷时2220408nhqmEn0,8220401Eh

17、qmEl氢原子基态电子的电离能氢原子基态电子的电离能l考虑到正、负电荷处于介电常数考虑到正、负电荷处于介电常数= =0 0r r的介质中，且处于晶格形成的周期性势场的介质中，且处于晶格形成的周期性势场中运动，所以电子的惯性质量要用有效质中运动，所以电子的惯性质量要用有效质量代替量代替eVhqmEEE6 .1382204010类氢模型：类氢模型：计算束缚电子或空穴运动轨道计算束缚电子或空穴运动轨道半径及电离能半径及电离能22*2rohrnmq 运动轨道半径：运动轨道半径：4*4*022222221188orooroorm qm qmmEEhmhm 电离能：电离能：l施主杂质电离能施主杂质电离能l

18、受主杂质电离能受主杂质电离能200*22024*8rnrnDEmmhqmE200*22024*8rprpAEmmhqmE施主能级靠近导带底部施主能级靠近导带底部100,16,122rrGerSi*000.26,0.12eSieGemmmm=对于对于Si、Ge掺掺PEcEvED*021eDormEEmeVESiD025. 0,eVEGeD064. 0,估算结果与实测值有估算结果与实测值有相同的数量级相同的数量级*021PAormEEm0.04 ASiEeV对于对于Si、Ge掺掺B0.01 AGeEeVEcEvEAEcED电离施主电离施主电离受主电离受主Ev5. 杂质的补偿作用杂质的补偿作用(1)

19、 NDNA半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受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主之间有互相抵消的作用此时半导体为此时半导体为n型半导体型半导体 有效施主浓度有效施主浓度n=ND-NAEAEcEDEAEv电离施主电离施主电离受主电离受主(2) NDNA时时l n= ND-NA ND，半导体是，半导体是n型的型的l当当NDNA时时l p= NA-ND NA，半导体是，半导体是p型的型的l当当NDNA时时l补偿半导体补偿半导体l有效杂质浓度有效杂质浓度l补偿后半导体中的净杂质浓度。补偿后半导体中的净杂质浓度。6. 深杂质能级深杂质能级根据杂质能级在禁带中根据杂质能级

20、在禁带中的位置，杂质分为：的位置，杂质分为：浅能级杂质浅能级杂质能级接近导带底能级接近导带底Ec或价带顶或价带顶Ev，电离能很小电离能很小深能级杂质深能级杂质能级远离导带能级远离导带底底Ec或价带顶或价带顶Ev，电离能较，电离能较大大ECEDEVEAEgECEAEVEDEggDEE gAEE 深能级杂质深能级杂质l非非III、V族元素族元素l特点特点l多为替位式杂质多为替位式杂质l硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和价带硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。l深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一深能级杂质

21、能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。主能级。例例1：Au（族）在族）在Ge中中Au在Ge中共有五种五种可能的状态： （1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ； （4） Au二 ； （5） Au三。在在Ge中掺中掺Au 可产生可产生3个受主能级，个受主能级，1个施主能级个施主能级AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-1. Au失去一个电子失去一个电子施主施主AuEcEvEDED=Ev+0.04 eVEcEvEDEA1Au2. Au获得一个电子获得一个电子受主受主EA1= Ev

22、 + 0.15eV3.Au获得第二个电子获得第二个电子EcEvEDEA1Au2EA2= Ec - 0.2eVEA24.Au获得第三个电子获得第三个电子EcEvEDEA1EA3= Ec - 0.04eVEA2EA3Au3深能级杂质特点深能级杂质特点：l不容易电离，对载流子不容易电离，对载流子浓度影响不大；浓度影响不大；l一般会产生多重能级，一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也甚至既产生施主能级也产生受主能级。产生受主能级。l能起到复合中心作用，能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低使少数载流子寿命降低。EcEvEDEAAu doped Silicon0.35eV0. 54eV1.12eV0

23、.29eV0.352-2 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级 族化合物半导体中的杂质族化合物半导体中的杂质理想的理想的GaAs晶格晶格价键结构：价键结构：含有离子键成分的含有离子键成分的共价键结构共价键结构Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs施主杂质施主杂质替代替代族元素族元素受主杂质受主杂质替代替代III族元素族元素两性杂质两性杂质III、族元素族元素等电子杂质等电子杂质同族原子取代同族原子取代等电子杂质等电子杂质 等电子杂质等电子杂质是与基质晶体原子具有同数量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，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

24、是由于基本仍是电中性的。但是由于共价半径共价半径和和电负性电负性不同，它们能俘获某种载流子而成不同，它们能俘获某种载流子而成为带电中心。带电中心称为为带电中心。带电中心称为等电子陷阱等电子陷阱。例如，例如，N取代取代GaP中的中的P而成为负电中心而成为负电中心电子陷阱电子陷阱空穴陷阱空穴陷阱 等电子陷阱俘获一种符号的载流子后等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库仑作用又俘获另，又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，形成束缚激一种带电符号的载流子，形成束缚激子。子。两性杂质两性杂质举例：举例：GaAs中掺中掺Si（族）族） Ga：族族 As：族族 Si Ga 施主施主

25、两性杂质两性杂质 SiAs 受主受主两性杂质两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在化合物半导体中，某种杂质在在 其中既可以作施主又可以作受主，这其中既可以作施主又可以作受主，这种杂质称为两性杂质。种杂质称为两性杂质。点缺陷：空位、间隙原子点缺陷：空位、间隙原子线缺陷：位错线缺陷：位错面缺陷：层错、晶界面缺陷：层错、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的类型、缺陷的类型2-4 缺陷能级缺陷能级2.元素半导体中的缺陷元素半导体中的缺陷(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。(2) 填隙填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙原

26、子缺陷起间隙原子缺陷起施主施主作用作用 AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs反结构缺陷反结构缺陷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 施主施主间隙原子间隙原子GaI、AsI GaI施主施主 AsI受主受主e4.族化合物半导体的缺陷族化合物半导体的缺陷族化合物半导体族化合物半导体离子键结构离子键结构负离子负离子正离子正离子+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-a.负离子空位负离子空位产生正电中心，起施主作用产生正电中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-

27、+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-电负性小电负性小b.正离子填隙正离子填隙产生正电中心，起施主作用产生正电中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+产生负电中心，起受主作用产生负电中心，起受主作用c.正离子空位正离子空位+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-电负性大产生负电中心，起受主作用产生负电中心，起受主作用d.负离子填隙负离子填隙+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-负离子空位负离子空位产生正电中心，

28、起施主作用产生正电中心，起施主作用正离子填隙正离子填隙正离子空位正离子空位负离子填隙负离子填隙产生负电中心，起受主作用产生负电中心，起受主作用第二章第二章 半导体中的杂质和缺陷能级半导体中的杂质和缺陷能级1.什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？2.什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出n型半导体。型半导体。3.什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出有何特

29、征？试举例说明之，并用能带图表征出p型半导体。型半导体。4.掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响。例说明掺杂对半导体的导电性能的影响。5.两性杂质和其它杂质有何异同？两性杂质和其它杂质有何异同？6.深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？7.何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？1、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。它们电离后将成为带正电（电离施主）或带带宽度的杂质。

30、它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离受主）的离子，并同时向导带提供电子或向价带负电（电离受主）的离子，并同时向导带提供电子或向价带提供空穴。提供空穴。2、解：半导体中掺入施主杂质后，施主电离后将成为带正电、解：半导体中掺入施主杂质后，施主电离后将成为带正电离子，并同时向导带提供电子，这种杂质就叫施主。离子，并同时向导带提供电子，这种杂质就叫施主。 施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离。施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离。施主电离前不带电，电离后带正电。例如，在施主电离前不带电，电离后带正电。例如，在Si中掺中掺P，P为为族元素。族元素。 本征半导体本征半导

31、体Si为为族元素，族元素，P掺入掺入Si中后，中后，P的最外层电子的最外层电子有四个与有四个与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而的最外层四个电子配对成为共价电子，而P的第五的第五个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自由电子。这个过程就是施主电离。由电子。这个过程就是施主电离。3、解：半导体中掺入受主杂质后，受主电离、解：半导体中掺入受主杂质后，受主电离后将成为带负电的离子，并同时向价带提供后将成为带负电的离子，并同时向价带提供空穴，这种杂质就叫受主。空穴，这种杂质就叫受主。 受主电离成为带负电的离子（中心）的受主电离成为带负电的离子（中心）的过程就叫受主电离。过程就叫受主电离。受主电离前带不带电，电离后带负电