半导体物理学第二章

1、半导体物理学第二章第1页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二第2页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二、杂质的类型杂质：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 （1）替位式杂质 ：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（2）间隙式杂质：通常这种杂质的原子半径是比较小的 （3）杂质浓度：单位体积中的杂质原子数第3页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二举例：Si中掺磷P（Si：P） 2.1.2 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

2、子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离。第4页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二2.1.2 施主杂质、施主能级在Si单晶中，V族施主替位杂质两种荷电状态的价键图（a）电离态（b）中性施主态第5页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二杂质电离能：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 ED=EC-EDECEDEV 施主能级：将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级电子浓度n0空穴浓度p0第6页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二2.1.3 受主杂质、受主能级举例：Si中掺硼B（Si：B）受主杂质B在

3、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。第7页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二 在Si单晶中，族受主替位杂质两种荷电状态的价键图（a）电离态（b）中性受主态第8页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二EA=EA-EVECEAEV 空穴浓度p0电子浓度n0受主能级：把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称为受主能级。 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EA=EA-EV 第9页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二杂 质 半 导 体1、n

4、 型半导体： 特征： a、施主杂质电离，导带中出现施主提供的电子 b、电子浓度n空穴浓度p2、p 型半导体： 特征： a、受主杂质电离，价带中出现受主提供的空穴 b、空穴浓度p电子浓度n第10页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二杂质能级位于禁带之中 Ec 杂质能级 Ev 第11页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二上述杂质的特点：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第12页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二2.1

5、.4 浅能级杂质电离能的简单计算（1）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（空穴）第13页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二（2） 氢原子基态电子的电离能氢原子电子满足：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 浅能级杂质电离能的简单计算第14页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二正、负电荷所处介质：第15页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二估算结果与实际测 量值有相同数量级Ge： ED 0.0064 eVSi: ED 0.025 eV 第16页，共44页，202

6、2年，5月20日，1点57分，星期二2.1.5、杂 质 的 补 偿 作 用1、本征激发与本征半导体（1）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。第17页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二即：n0=p0=ni（ ni为本征载流子浓度）（2）本征半导体：不含杂质的半导体就是 本征半导体。ni= ni（T）电子浓度空穴浓度n0=p0=ni第18页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二在室温（RT=300K）下： ni （Ge）2.4

7、1013cm-3 ni （Si） 1.51010cm-3 ni （GaAs） 1.6106cm-3ni本征载流子浓度第19页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二（3）n型半导体与p型半导体(A)如施主浓度NDni n型半导体(B)如受主浓度NAni p型半导体 当半导体中掺入一定量的浅施主或浅受主时，因其离化能ED或 EA很小（RT下的kT=0.026eV）,所以它们基本上都处于离化态。第20页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二(4)杂质的补偿,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

8、 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n型半导体EDEAUESTC Nuo Liu第21页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二（B）NAND时 ED EA所以：有效的受主浓度 ND*=ND-NAnip型半导体 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”，剩余的束缚空穴再电离到价带上。第22页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二（C）NAND时 杂质的高度补偿 第23页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期

9、二 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，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。第24页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二2.1.6 深能级杂质（1）浅能级杂质（2）深能级杂质E DEgEAEgEAE DE DEAEcEcEvEvEDEgEAEg杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较远UESTC Nuo Liu第25页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二深能级杂质的特征 1 、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，深能级受主主要

10、位于禁带中线上。第26页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二例1：Au（族）在Ge中 Au在Ge中共有五种可能的状态： （1）Au+；（2） Au0 （3） Au一 （4） Au二 （5） Au三。2、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。第27页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二（1）Au+： Au0 e Au+EEgECEVED失去唯一的价电子，产生施主能级ED。第28页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二（2） Au一： Au0 + e Au一EA1ECEAEVAu接受一个电子后变成Au-，产生受主能级EA1第

11、29页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二（3） Au二：Au一 + e Au二ECEA2EA1EVE=EAu接受两个电子后变成Au=，产生受主能级EA2第30页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二（4） Au三： Au二 + e Au三Au接受三个电子后变成Au三，产生受主能级EA3第31页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二Au在Si中既可作施主，又可作受主，称为两性杂质；如果在Si中掺入Au的同时又掺入浅受主杂质，Au呈施主作用；反之，若同时掺入施主杂质，则Au呈受主作用。ECEVEAED第32页，共44页，2022年，5月20日，1

12、点57分，星期二 由于电子间的库仑排斥力的作用，Au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大，接受第三个对比第二个大，所以EA3EA2EA1。 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，但对载流子的复合作用比浅能级杂质强得多。第33页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二2.4-族化合物中德尔杂质能级（1）等电子杂质特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 例：GaP中掺入族的N或Bi b、以替位形式存在于晶体中，基本上 是电中性的。第34页，共44页，2022年，

13、5月20日，1点57分，星期二（2）等电子陷阱 等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaAsP中的P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 NP第35页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二(3)束缚激子 例：GaP：N NP+e NP-（等电子陷阱）之后 NP- +h NP- +h 束缚激子 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号的载流子，这就是束缚激子。第36页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二(4)两性杂质举例：G

14、aAs中掺Si（族）Ga：族 As：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施主两性杂质第37页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二2.4 缺 陷 能 级2.4.1 点缺陷空位：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第38页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二1、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缺陷。第39页，

15、共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二（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.第40页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二2、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。第41页，共44页，2022年，5月20日，1点57分，星期二 位错周围的晶格发生畸变，引起能带结构的变化。一般情况下，在晶格伸张区，材料