演示文稿半导体中杂质和缺陷能级

（优选）半导体中杂质和缺陷能级当前1页，总共43页。当前2页，总共43页。、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

当前3页，总共43页。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—价电子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离。当前4页，总共43页。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）中性施主态当前5页，总共43页。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当前6页，总共43页。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。当前7页，总共43页。在Si单晶中，Ⅲ族受主替位杂质两种荷电状态的价键图（a）电离态（b）中性受主态当前8页，总共43页。△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当前9页，总共43页。杂质半导体1、n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当前10页，总共43页。杂质能级位于禁带之中

Ec杂质能级

Ev

当前11页，总共43页。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当前12页，总共43页。2.1.4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）当前13页，总共43页。（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当前14页，总共43页。正、负电荷所处介质：当前15页，总共43页。估算结果与实际测

量值有相同数量级Ge：△ED～0.0064eVSi:△ED～0.025eV当前16页，总共43页。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。当前17页，总共43页。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当前18页，总共43页。在室温（RT=300K）下：

ni（Ge）≌2.4×1013cm-3

ni（Si）≌1.5×1010cm-3ni（GaAs）≌1.6×106cm-3ni——本征载流子浓度当前19页，总共43页。（3）n型半导体与p型半导体

(A)如施主浓度ND>nin型半导体(B)如受主浓度NA>nip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。当前20页，总共43页。UESTCNuoLiu(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-NA>ni

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n型半导体EDEA当前21页，总共43页。（B）NA>ND时

ED

EA所以：有效的受主浓度ND*=ND-NA>nip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。当前22页，总共43页。（C）NA≈ND时

杂质的高度补偿

当前23页，总共43页。※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。当前24页，总共43页。UESTCNuoLiu2.1.6深能级杂质（1）浅能级杂质（2）深能级杂质△ED≮Eg△EA≮EgEAEDEDEAEcEcEvEv△ED《Eg△EA《Eg杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较远当前25页，总共43页。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，深能级受主主要位于禁带中线上。当前26页，总共43页。例1：Au（Ⅰ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。当前27页，总共43页。（1）Au+：Au0–eAu+△EEgECEVED失去唯一的价电子，产生施主能级ED。当前28页，总共43页。（2）Au一：Au0+eAu一△EA1ECEAEVAu接受一个电子后变成Au-，产生受主能级EA1当前29页，总共43页。（3）Au二：Au一+eAu二

ECEA2EA1EV△E=△EAu接受两个电子后变成Au=，产生受主能级EA2当前30页，总共43页。（4）Au三：Au二+eAu三Au接受三个电子后变成Au三，产生受主能级EA3当前31页，总共43页。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当前32页，总共43页。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EA3>EA2>EA1。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。当前33页，总共43页。2.4Ⅲ-Ⅴ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Ⅴ族的N或Bib、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。当前34页，总共43页。（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。

NNP当前35页，总共43页。(3)束缚激子

例：GaP：NNP+eNP-（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。当前36页，总共43页。(4)两性杂质举例：GaAs中掺Si（Ⅳ族）Ga：Ⅲ族As：Ⅴ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。SiGa受主SiAs施主两性杂质当前37页，总共43页。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当前38页，总共43页。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。当前39页，总共43页。（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.当前40页，总共43页。2、位错能级（主要指线缺陷）如图，在位