半导体能级缺陷习题

第2章小结

半导体中杂质和缺陷能级§2.1掺杂晶体

理想半导体材料原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置上晶体是纯净的，即不含杂质

(没有与组成晶体材料的元素不同的其它化学元素)晶格结构是完整的，即具有严格的周期性实际半导体材料原子在平衡位置附近振动含有杂质；晶格结构不完整，存在缺陷点缺陷，线缺陷，面缺陷杂质与组成晶体材料的元素不同的其他化学元素形成原因原材料纯度不够制作过程中有玷污人为的掺入分类(1)：按杂质原子在晶格中所处位置分间隙式杂质替位式杂质杂质原子位于晶格原子的间隙位置要求杂质原子比较小杂质原子取代晶格原子而位于格点处要求杂质原子的大小、价电子壳层结构等均与晶格原子相近两种类型的杂质可以同时存在这里主要介绍替位式杂质分类(2)：按杂质所提供载流子的类型分施主杂质受主杂质第V族杂质原子替代第IV族晶体材料原子能够施放(Discharge)电子而产生导电电子，并形成正电中心的杂质（n型杂质）n型半导体

第III族杂质原子替代第IV族晶体材料原子能够接受(Accept)电子而产生导电空穴，并形成负电中心的杂质（p型杂质）p型半导体施主杂质受主杂质本征半导体施主杂质(IV->V)提供载流子：导带电子电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是掺施主的意义所在受主杂质(IV->III)提供载流子：价带空穴电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意义所在分类(3)：按杂质原子所提供的能级分浅能级杂质深能级杂质如第IV族材料中加入第III或V族杂质杂质能级离导带或者价带很近晶格中原子热振动的能量就足以将浅能级杂质电离影响半导体载流子浓度，从而改变半导体的导电类型如第IV族材料中加入非III、V族杂质杂质能级离导带或者价带很远常规条件下不易电离起一定的杂质补偿作用；对载流子的复合作用非常重要，是很好的复合中心杂质浅能级的简单计算类氢原子模型的计算氢原子基态电子的电离能:施主杂质电子的电离能:施主杂质电子的玻尔半径:氢原子基态电子的玻尔半径室温kBT~26meV~几十个meV~25A硅-硅间距～5.4A锗，硅的介电常数为16，12施主杂质电子的玻尔半径修正（A）ND>NA时：

n型半导体

有效的施主浓度

ND*=ND-NAEA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。杂质的补偿作用NA>>ND经补偿后，导带中空穴浓度为NA-ND≈NA半导体为p型半导体（B）NA>ND时：

p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。

ED

有效的受主浓度

NA*=NA-ND（C）

NA≌ND时

杂质的高度补偿本征激发的导带电子

EcED

EA

Ev本征激发的价带空穴杂质的高度补偿控制不当，使得ND≈NA施主电子刚好够填满受主能级虽然杂质很多，但不能给半导体材料提供更多的电子和空穴一般不能用来制造半导体器件（易被误认为纯度很高，实质上含杂质很多，性能很差）深能级杂质非III，V族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，他们产生的受主能级距离价带顶也较远，成为深能级，深能级杂质。深能级杂质通常能产生多次电离，每次电离对应一个能级。EcEvEDEA1EA2EA3Au掺入SiEA3>EA2>EA1

电子的库伦排斥力0.04III-V族化合物半导体中的浅能级杂质在III-V族化合物中掺入不同类型杂质：II族元素GaAs:铍(Be),镁(Mg),锌(zn),镉(Cd)EA=Ev+0.02-0.03eVVI族元素GaAs:硫(S),硒(Se)ED=Ec-0.006eVIV族元素GaAs:硅(Si)Ev+0.03eV,Ec-0.006eV（杂质的双性行为）

锗(Ge)Ev+0.03eV,Ec-0.006eV等电子杂质GaP:氮(N)Ec-0.01eV(等电子陷阱引起）等电子杂质与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子称为等电子杂质（同族原子杂质）等电子陷阱形成条件等电子杂质替代格点上的同族原子后，基本仍是电中性的。但是，掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径等方面有较大差别，等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负性时，替代后，它能俘获电子成为负电中心，这个带电中心就成为等电子陷阱。杂质的双性行为硅在砷化镓中既能取代镓而表现出施主杂质，又能取代砷表现出受主杂质缺陷：晶格周期的不完整分为三类点缺陷（点的不完整）：空位、间隙原子线缺陷（线的不完整）：位错面缺陷（面的不完整）：层错大多由热振动引起由晶体内部的应力引起的，导致晶格结构发生扭曲§2.2缺陷、位错能级点缺陷在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动，而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原来的位置空出来，成为空位。（热缺陷）

Frenkel缺陷：间隙原子和空位成对出现

Schottky缺陷：只在晶体内形成空位，而无间隙原子反结构缺陷（化合物、替位原子）有两种替位方式：A取替B，记为AB；B取替A，记为BA位错：位错是近完整晶体中的一个缺陷，它是晶体中以滑移区与未滑移区的边界刃型位错结构特点：周围有畸变、上半部压应力、下半部张应力、中心有最大畸变、范围局限于2-3个原子间距的管道区域。

位错对半导体材料和器件的性能会产生严重影响！目前对位错的了解还不太充分。第二章习题理想半导体材料原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置上晶体是纯净的，即不含杂质

(没有与组成晶体材料的元素不同的其它化学元素)晶格结构是完整的，即具有严格的周期性实际半导体材料原子在平衡位置附近振动含有杂质；晶格结构不完整，存在缺陷点缺陷，线缺陷，面缺陷2-1实际半导体和理想半导体的主要区别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，这种杂质就叫施主杂质。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Si中掺As，As为Ⅴ族元素，本征半导体Si为Ⅳ族元素，As掺入Si中后，As的最外层电子有四个与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而As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由电子。这个过程就是施主电离。n型半导体:电子的数目远大于空穴的数目的半导体（或者说以电子导电为主）2-2以As掺入Si为例说明施主杂质，施主杂志电离过程和n型半导体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）的过程就叫受主电离。受主电离前带不带电，电离后带负电。例如，在Si中掺Ga，Ga为Ⅲ族元素，而本征半导体Si为Ⅳ族元素，Ga掺入Si中后，Ga的最外层三个电子与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而Ga倾向于接受一个由价带热激发的电子,形成自由空穴。这个过程就是受主电离。p型半导体：空穴的数目远大于电子的数目的半导体（或者说以空穴导电为主）2-3以Ga掺入Si为例说明施主杂质，施主杂志电离过程和n型半导体两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的杂质。如Ⅲ-Ⅴ族GaAs中掺Ⅳ族Si。如果Si替位Ⅲ族As，则Si为施主；如果Si替位Ⅴ族Ga，则Si为受主。所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。2-4以Si掺入GaAs为例说明杂质的两性行为当半导体中既有施主又有受主时，施主和受主将先互相抵消，剩余的杂质最后电离，这就是杂质补偿。利用杂质补偿效应，可以根据需要改变半导体中某个区域的导电类型，制造各种器件。2-5举例说明杂质补偿的作用优点：基本上能够解释浅能级杂质电离能的小的差异，计算简单不足：类氢能级的杂质原子除形成正或负电中心，在原子以外的空间等效于点电荷外，在原子内的区域和原来的原子的势能是有差别的，这样就使类氢能级的基态在一定程度上偏离类氢的模型，称为中心胞修正。只有电子轨道半径较大时，该模型才较适用，对电子轨道半径较小的，简单的库仑势场不能计入引入杂质中心带来的全部影响。2-6说