半导体中杂质和缺陷能级

1、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2.1.12.1.1、杂质的类型、杂质的类型 杂质杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。 杂质在半导体中的分布状况杂质在半导体中的分布状况 （1 1）替位式杂质）替位式杂质 ：杂质原子与被替代的晶格原子的大：杂质原子与被替代的晶格原子的大小比较相近，而且其价电子层结构也比较相近小比较相近，而且其价电子层结构也比较相近（2 2）间隙式杂质：通常这种杂质的原子半径是比较小的）间隙式杂质：通常这种杂质的原子半径是比较小的 （3 3）杂质浓度：单位体积中的杂质原子数）杂质浓度：单位体积中的杂质原子

2、数举例：举例：SiSi中掺磷中掺磷P P（SiSi：P P） 2.1.2 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级施主杂质对半导体材料提供导电电子的杂质,称为施主杂质或者N型杂质杂质电离价电子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离。2.1.2 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级在在SiSi单晶中，单晶中，V V族施主替位杂质两种荷电状态的价键图族施主替位杂质两种荷电状态的价键图（a）电离态电离态（b）中性施主态中性施主态杂质电离能：是使被俘获的电子摆脱束缚，从而可以成为导电电子所需的能量ED=EC-ED ECEDEV 施主能级：将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主

3、能级电子浓度n0空穴浓度p02.1.3 2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级举例：举例：SiSi中掺硼中掺硼B B（SiSi：B B）受主杂质B在晶体中而产生导电空穴，被称为受主杂质或者P型杂质杂质电离受主杂质接受一个电子，在晶体中产生一个空穴的过程，称为杂质电离。 在在SiSi单晶中，单晶中，族受主替位杂质两种荷电状态的族受主替位杂质两种荷电状态的价键图（价键图（a a）电离态（电离态（b b）中性受主态中性受主态ECEAEV 空穴浓度p0电子浓度n0l受主能级：把被受主杂受主能级：把被受主杂质所束缚的空穴的能量质所束缚的空穴的能量状态称为受主能级状态称为受主能级。 受主电离能：

4、受主电离能：是使被俘获的空摆脱束缚，从而可以参与传导电流所需的能量E EA A=E=EA A-E-EV V 杂杂 质质 半半 导导 体体1 1、n n 型半导体：型半导体： 特征：特征： a a、施主杂质电离，导带施主杂质电离，导带中出现施主提供的电子中出现施主提供的电子 b b、电子浓度电子浓度nn空穴浓度空穴浓度p p2 2、p p 型半导体型半导体： 特征特征： a a、受主杂质电离，价带受主杂质电离，价带中出现受主提供的空穴中出现受主提供的空穴 b b、空穴浓度空穴浓度pp电子浓度电子浓度n n杂质能级位于禁带之中杂质能级位于禁带之中 Ec 杂质能级杂质能级 Ev 上述杂质的特点：上述

5、杂质的特点：施主电离能ED Eg受主电离能 EA Eg 浅能级杂质杂质的双重作用： 1、改变半导体的电阻率 2、决定半导体的导电类型即：杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较近2.1.4 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（1 1）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能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）（2） 氢原子基态电子的电离能氢原子基态电子的电离能) 2(h8qmEEE2204010 ) 1 ()()(44022022rErrqmhn 321,8222040nnhqmEn

6、2204018hqmE0E氢原子电子满足：解得电子能量：氢原子基态能量：氢原子的电离能：故基态电子的电离能：2.1.4 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正、负电荷所处介质：正、负电荷所处介质：分别为电导有效质量和*p*nmmr4q) r (Ur02电势能r0)3(Emmh8qmE2r00*n22r204*nD施主电离能)4(Emmh8qmE2r00*p22r204*pA受主电离能) 2(h8qmEEE2204010 估算结果与实际测 量值有相同数量级 Ge： ED 0.0064 eV Si: ED 0.025 eV 2.1.2.1.5 5、杂、杂 质质 的的 补

7、补 偿偿 作作 用用1 1、本征激发与本征半导体、本征激发与本征半导体（1 1）本征激发：）本征激发：在纯净半导体中，载流子的产生必须依靠价带中的电子激发到导带，它的特点是每产生一个导带电子就相应在价带中产生一个空穴，即电子和空穴是成对产生的。这种激发称为本征激发本征激发。即：即：n0=p0=ni（ ni为本征载流子浓度）为本征载流子浓度）（2 2）本征半导体：）本征半导体：不含杂质的半导体就是 本征半导体。n ni i= n= ni i（T T）电子浓度电子浓度空穴浓度空穴浓度n0=p0=ni 在室温（在室温（RT=300K）下：下： ni （Ge） 2.41013cm-3 ni （Si）

8、1.51010cm-3 ni （GaAs） 1.6106cm-3（3 3）n n型半导体与型半导体与p p型半导体型半导体( (A)A)如如施主浓度施主浓度N ND Dnni i n n型半导体型半导体(B)如受主浓度NAni p型半导体UESTC Nuo Liu(4)(4)杂质的补偿杂质的补偿, ,既掺有施主又掺有受主既掺有施主又掺有受主（A）ND(施主浓度） NA（受主浓度）时 所以：有效的施主浓度 ND*=ND-NAni 因 EA 在 ED 之下，ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚电子再电离到导带上。补偿半导体补偿半导体n n型半导体型半导体ED

9、EA（B）NAND时时 ED EA所以：有效的受主浓度 ND*=ND-NAnip p型半导体型半导体 因因 E EA A 在在 E ED D 之下之下， E ED D上的束缚电子首上的束缚电子首先填充先填充E EA A上的空位，上的空位，即施主与受主先相互即施主与受主先相互“抵消抵消”，剩余的束，剩余的束缚空穴再电离到价带缚空穴再电离到价带上。上。（C）NAND时时 杂质的高度补偿杂质的高度补偿 就实际而言：半导体的最重要的性质之一，就实际而言：半导体的最重要的性质之一，就是能够利用施主和受主杂质两种杂质进行参杂，就是能够利用施主和受主杂质两种杂质进行参杂，并利用杂质的补偿作用，根据人们的需要

10、改变半并利用杂质的补偿作用，根据人们的需要改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件。导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件。UESTC Nuo Liu2.1.6 2.1.6 深能级杂质深能级杂质（1）浅能级杂质）浅能级杂质（2）深能级杂质）深能级杂质E D EgEA EgEAE DE DEAEcEcEvEvEDEgEAEg杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较远深能级杂质的特征深能级杂质的特征 1 1 、浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主能级靠浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主能级靠近价带；深能级施主则主要位于禁带中线下，深能级近价带；深能级施主则主要位于禁带中线下，深能级受主主要位于禁

11、带中线上。受主主要位于禁带中线上。例例1 1：AuAu（族族）在在GeGe中中 Au Au在在GeGe中共有五种可能的状态：中共有五种可能的状态： （1 1）AuAu+ +；（；（2 2） Au Au0 0 （3 3） Au Au一一 （4 4） Au Au二二 （5 5） Au Au三三。2 2、多重能级特性：一些深能级杂质产生多次电、多重能级特性：一些深能级杂质产生多次电离，导致多重能级特性。离，导致多重能级特性。（1 1）AuAu+ +： Au0 e Au+EEgECEVED失去唯一的价电子，产生施主能级ED。（2 2） Au Au一：一： AuAu0 0 + e Au+ e Au一一E

12、A1ECEAEVAu接受一个电子后变成Au-，产生受主能级EA1（3 3） Au Au二：二：AuAu一一 + + e Aue Au二二ECEA2EA1EVE=EAu接受两个电子后变成Au=，产生受主能级EA2（4 4） Au Au三：三： Au二 + e Au三Au接受三个电子后变成Au三，产生受主能级EA3Au在在Si中既可作施主中既可作施主，又可作受主，称为，又可作受主，称为两性杂质两性杂质；如果在如果在Si中掺入中掺入Au的的同时又掺入浅受主杂同时又掺入浅受主杂质，质，Au呈施主作用呈施主作用；反之，若同时掺入施反之，若同时掺入施主杂质，则主杂质，则Au呈受主呈受主作用。作用。ECEV

13、EAED 由于电子间的库仑排斥力的作用，由于电子间的库仑排斥力的作用，AuAu从价带接从价带接受第二个电子所需的电离能比接受第一个电子时要受第二个电子所需的电离能比接受第一个电子时要大，接受第三个对比第二个大，所以大，接受第三个对比第二个大，所以E EA3A3EEA2A2EEA1A1。 深能级杂质在半导体中以替位式的形态存在，深能级杂质在半导体中以替位式的形态存在，一般情况下含量极少，它们对半导体中的导电电子一般情况下含量极少，它们对半导体中的导电电子浓度，导电空穴浓度和材料的导电类型的影响没有浓度，导电空穴浓度和材料的导电类型的影响没有浅能级杂质显著，浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用比浅

14、能级但对载流子的复合作用比浅能级杂质强得多。杂质强得多。2.4-族化合物中德尔杂质能级（1）等电子杂质）等电子杂质特征：特征：a、与本征元素同族但不同原子序数与本征元素同族但不同原子序数 例：例：GaP中掺入中掺入族的族的N或或Bi b、以替位形式存在于晶体中，基本上以替位形式存在于晶体中，基本上 是电中性的。是电中性的。（2 2）等电子陷阱）等电子陷阱 等电子杂质（如等电子杂质（如N）占据本征原子位置占据本征原子位置（如（如GaAsP中的中的P位置）后，即位置）后，即存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电子陷阱，后者就是空穴陷阱。 N

15、NP(3)(3)束缚激子束缚激子 例：例：GaP：N NP+e NP-（等电子陷阱）等电子陷阱）之后之后 NP- +h NP- +h 束缚激子束缚激子 即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，即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一种带电符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，这就是号的载流子，这就是束缚激子束缚激子。(4)(4)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 两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在其 中既可以作施主又可以作受主，这 种杂质称为两性杂质。Si Ga受主SiAs施主两性杂质2.4 缺 陷

16、能 级2.4.1 2.4.1 点缺陷点缺陷空位：指本体原子缺位；空位：指本体原子缺位；间隙：指不应有原子的地方加入了一个原子间隙：指不应有原子的地方加入了一个原子1、空位、间隙的产生与消失（1）由体内产生：在较高温度下，极少数的原子热运动特别激烈，克服周围原子化学键束缚而脱离格点，形成间隙原子，原先所处的位置成为空位。这时空位和间隙原子成对出现弗仑克尔弗仑克尔缺陷。缺陷。（2）由表面产生：在表面空位和间隙原子都可以单独的产生，然后扩散到体内。这时空位和间隙原子的数目也是独立变化的。（3）消失过程：空位和间隙原子的产生过程都可以倒过来进行。 在温度保持一定条件下，产生和消失可以达到相对的平衡，这时空位和间隙原子的浓度将保持相对稳定.以上两种由温度决定的点缺陷又称为热缺陷.2、位错能级（主要指线缺陷）、位错能级（主要指线缺陷） 如图，在位错所在处，有一个不成对的电子成为不饱和的共价键： 若这一不饱和键获得一个电子，起受主作用；而当原子E失去一个价电子，则起施主作用。一般情况下位错倾向于得到电子，起受主作用，而且产生的受主能级是深能级。 位错周围的晶格发生畸变，引起能带结构的变化。