半导体物理学 半导体中的杂质和缺陷PPT学习教案

1、会计学1半导体物理学半导体物理学 半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷供载流子。供载流子。第1页/共81页杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对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半导体的性质产生了决定性的作用第2页/共81页 1. 浅能级杂质能级和杂质电离；浅能级杂质能级和杂质电离； 2. 浅能级杂质电离能的计算；浅能级杂质电离能的计算； 3. 杂质补偿作用杂质补偿作用 4. 深能级杂质的特点和作用深能级杂质的特点和作用 1、等电子杂质；、等电子杂质； 2、族元素起两性杂质作用族元素起两性杂质作用2-1 元素半导体中的杂质能级元素半导体中的杂质能级2-3 缺陷

2、能级缺陷能级2-2 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级点缺陷对半导体性能的影响点缺陷对半导体性能的影响 第3页/共81页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根据杂质在能级中的位置不同：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第4页/共81页在金刚石型晶体中，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 中的杂质有两种存中的杂质有两种存在方式，在方式，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

3、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第5页/共81页Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmSiSiSiSiSiSiSiPSiLi第6页/共81页N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7页/共81页杂质能级位于禁带中杂质能级位

4、于禁带中Eg浅能级浅能级第8页/共81页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浅能级浅能级第9页/共81页(1)VA族的替位杂质族的替位杂质在硅在硅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、元素半导体的杂质第10页/共81页 （a）电离态）电离态 （b）中性施主态）中性施主态 第11页/共81页过程：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+；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；

5、杂质电离动；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；杂质电离，杂质电离能，施主杂质电离，杂质电离能，施主杂质（杂质（n型杂质），施主能级型杂质），施主能级第12页/共81页电离的结果：导带中的电子数增加了，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这即是掺施主的意义所在。1.施主处于束缚态，施主处于束缚态，2.施主电离施主电离 3施主电离后处于施主电离后处于离化态离化态能能带带图图中中施施主主杂杂质质电电离离的的过过程程第13页/共81页电离时，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

6、施主能级被施主杂质束缚的电被施主杂质束缚的电子的能量比导带底子的能量比导带底Ec低，称为低，称为，ED。施主杂质少，原子间施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，相互作用可以忽略，施主能级是具有相同施主能级是具有相同能量的孤立能级能量的孤立能级ED施主浓度：施主浓度：ND第14页/共81页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+第15页/共81页施主杂质的电离能小，施主杂质的

7、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第16页/共81页n依靠导带电子导电的半导体。依靠导带电子导电的半导体。第17页/共81页3、受主能级：举例：、受主能级：举例：Si中掺硼中掺硼B第18页/共81页 在在Si单晶中，单晶中，族受主替位杂质两种电荷状态的价键族受主替位杂质两种电荷状态的价键（a）电离态）电离态 （b）中性受主态）中性受主

8、态 第19页/共81页2、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的共价键中产生一个空穴；空穴；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），受主能级第20页/共81页1.受主处于束缚态，受主处于束缚态，2，受主电离，受主电离 3，受主电离后，受主电离后处于离化态处于离化态能能带带图图中中受受主主杂杂质质电电离离的的过过程程

9、第21页/共81页在在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第22页/共81页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+第23页/共81页受主杂质的电离能小，在受主杂质

10、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 0.065Ge0.010.010.011第24页/共81页n依靠价带空穴导电的半导体。依靠价带空穴导电的半导体。第25页/共81页施主和受主浓度：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，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，

11、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！第26页/共81页等电子杂质等电子杂质第27页/共81页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，价带中出现受主提供的导电

12、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第28页/共81页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第29页/共81页杂质向导带和价

13、带提供电子和空穴的过程（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

14、体杂质半导体 第30页/共81页施主向导带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，第31页/共81页上述杂质的特点：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

15、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带中的位置杂质能级在禁带中的位置gDEEgAEE 第32页/共81页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）类氢模型类氢模型第33页/共81页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第34页/共81页2220408nhqmEn0,8220401EhqmE第

16、35页/共81页eVhqmEEE6 .1382204010第36页/共81页类氢模型：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：第37页/共81页200*22024*8rnrnDEmmhqmE200*22024*8rprpAEmmhqmE第38页/共81页对于对于Si中的中的P原子，剩余电子的运动半径原子，剩余电子的运动半径约为约为24.4 ：Si: a=5.4剩余电子本质上剩余电子本质上是在晶体中运动是在

17、晶体中运动SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi4 .24126. 01222qmhroo12)(Sir*0.26eommSi：r=1.17第39页/共81页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第40页/共81页*021PAormEEm0.

18、04 ASiEeV对于对于Si、Ge掺掺B0.01 AGeEeVEcEvEA第41页/共81页EcED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) NDNA半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和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受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-NAEA第42页/共81页EcEDEAEv电离施主电离施主电离受主电离受主(2) NDNA此时半导体为此时半导体为p型半导体型半导体 有效受主浓度有效受主浓度p=NA- ND第43页/共81页(3) NDNA杂

19、质的高度补偿杂质的高度补偿EcEDEAEv本征激发产生的本征激发产生的导带电子导带电子本征激发产生的价本征激发产生的价带空穴带空穴第44页/共81页第45页/共81页6. 深杂质能级深杂质能级根据杂质能级在禁带根据杂质能级在禁带中的位置，杂质分为中的位置，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 第46页/共81页第47页/共81页第48页/共81页第49页/共81页在在Ge中掺

20、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-第50页/共81页1. Au失去一个电子失去一个电子施主施主AuEcEvEDED=Ev+0.04 eV第51页/共81页EcEvEDEA1Au2. Au获得一个电子获得一个电子受主受主EA1= Ev + 0.15eV第52页/共81页3.Au获得第二个电子获得第二个电子EcEvEDEA1Au2EA2= Ec - 0.2eVEA2第53页/共81页4.Au获得第三个电子获得第三个电子EcEvEDEA1EA3= Ec - 0.04eVEA2EA3Au3第54页/共81页数载流

21、子寿命数载流子寿命降低。降低。EcEvEDEAAu doped Silicon0.35eV0. 54eV1.12eV0.29eV第55页/共81页0.35第56页/共81页2-2 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第57页/共81页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第58页/

22、共81页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第59页/共81页第60页/共81页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

23、 Si Ga 施主施主 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，某种杂在化合物半导体中，某种杂质在质在 其中既可以作施主又可以作受主，其中既可以作施主又可以作受主，这种杂质称为这种杂质称为两性杂质两性杂质。第61页/共81页第62页/共81页点缺陷：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 缺陷能级缺陷能级第63页/共81页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

24、主作用。作用。第64页/共81页(2) 填隙填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙原子缺陷起间隙原子缺陷起施主施主作用作用 第65页/共81页AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs反结构缺陷反结构缺陷GaAs受主受主 AsGa施施主主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 施施主主间隙原子间隙原子GaI、AsI GaI施主施主 AsI受主受主e第66页/共81页4.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+-+-+-+-+-+-+-+-+

25、-+-+-+-+-第67页/共81页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+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-电负性小电负性小第68页/共81页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+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+第69页/共81页产生负电中心，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+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-电负性大第70页/共8

26、1页产生负电中心，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+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-第71页/共81页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72页/共81页第二章第二章 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？施主电离前什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离

27、前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出出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，并用能带图表征后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出出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。举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

28、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？第73页/共81页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。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

29、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。第74页/共81页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。受主电离前带不带电，电离后带负电。例如，在例如，在Si中掺中掺B，B为为族元素，而本征半族元素，而本征半导体导体Si为为族元素，族元素，P掺入掺入B中后，中后，B的最外的最外层三个电子与层三