第二章半导体中杂质和缺陷能级课件

1、2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,第二章半导体中的杂质和缺陷能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质 Si和Ge都具有金钢石结构，一个原胞含有8个原子。 原胞内8个原子的体积与立方原胞体积之比为34%，原胞内存在66%的空隙。,金钢石晶体结构中的四面体间隙位置,金钢石晶体结构中的六角形间隙位置,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,杂质原子进入半导体硅后，只可能以两种方式存在。 一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质；间隙式杂质原子一般较小，如离子锂（Li+）。,另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位式杂质。替位式杂质原子通常

2、与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层结构也相似。 用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量多少，杂质浓度的单位为1/cm3,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,P,Si,Si,Si,Si,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,施 主 掺 杂（掺磷）,2.1.2 施主杂质、施主能级,磷替代硅，其效果是形成一个正电中心P+和一个多余的价电子。这个多余的价电子就束缚在正电中心P+的周围（弱束缚）。,族元素有5个价电子，其中的四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个电子，同时族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心，

3、所以，一个族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。 电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.2 施主杂质、施主能级 多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱 很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导电的自由电子，而族原子形成一个不能移动的正电中心。 硅、锗中的族杂质，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质或N型杂质，掺有N型杂质的半导体叫N型半导体。施主杂质未电离时是中性的，电离后成为正电中心。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,带有分立的施主能级的能带图,施主能级电离能带图,被施主杂质束缚的电子

4、的能量状态称为施主能级ED。 施主能级位于离导带低很近的禁带中 杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级是一些具有相同能量的孤立能级。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.3 受主杂质 受主能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,受 主 掺 杂（掺硼）,硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子，称为负电中心（B- ） 。带负电的硼离子和带正电的空穴间有静电引力作用，这个空穴受到硼离子的束缚，在硼离子附近运动。,族元素占据了硅原子的位置： 族元素有3个价电子，它与周围的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴，而族原子接受一个电子后所在处形成一个负离子

5、中心，所以，一个族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个负电中心和一个空穴,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.3受主杂质、受主能级 空穴束缚在族原子附近，但这种束缚很弱 很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运动的 导电空穴，而族原子形成一个不能移动的负电中心。 硅、锗中的族杂质，能够接受电子而在价带中产生空穴， 并形成负电中心的杂质，称为受主杂质或P型杂质，掺有P 型杂质的半导体叫P型半导体。受主杂质未电离时是中性的，电离后成为负电中心。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,受主能级电离能带图,带有分立的受主能级的能带图,被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA。 施主能级位于

6、离价带顶很近的禁带中 杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的受主能级是一些具有相同能量的孤立能级。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,施主和受主浓度：ND、NA,施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B,总结,总结,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算 采用类氢原子模型估算施主和受主杂质的电离能 氢原子中电子的能量：,n=1时,基态电子能量,n=时，氢原子电离,E=0,氢原子的电离能

7、,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,晶体内杂质原子束缚的电子： m0mn*, mp*; 0 r0 施主杂质的电离能： Si: Ge:,受主杂质的电离能,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,氢原子轨道半径： 施主杂质轨道半径：,基态下（n=1），氢原子的轨道半径：,作业： 第二章习题8 加上第三小问 请画出杂质能级的能带图,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.5 杂质的补偿作用 当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是n型还是p型呢？ 在半导体中，若同时存在着施主和受主杂质，施受主杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂质的补偿作用。,NDNA,NAND,1、当 NDNA,2.1 硅、锗晶体中的杂

8、质能级,因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为n= ND-NA。即则有效施主浓度为NAeff ND-NA,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2、 当NAND 施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有NA-ND个空穴，它们可接受价带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓度p= NA-ND. 即有效受主浓度为NAeff NA-ND,EC,EV,ED,EA,3、当NAND时， 不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿. 这种材料容易被误认高纯半导体，实际上含杂质很

9、多，性能很差， 不能用于制造半导体器件.,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础 根据需要用扩散或离子注人方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件.,晶体管制造过程中的杂质补偿,n型Si外延层,硼,磷,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.6 深能级杂质 在半导体硅、锗中，除、族杂质在禁带中形成浅能级外，其它各族元素掺入硅、锗中也会在禁带中产生能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,特点： 1、施主杂质能级距离导带底较远，受主杂质能级距离价带顶较远，这种能级称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。 2、深能级杂质能够产生

10、多次电离，每次电离对应有一个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,金在锗中产生的能级 金在锗中产生4个能级， ED是施主能级，EA1、EA2和EA3是受主能级。中性金原子只有一个价电子，它取代锗原子后，金的这一价电子可以电离跃迁到导带，形成施主能级ED。它也可以从价带接受3个电子，形成三个受主能级。金有5种荷电状态，Au+, Au0, Au-, Au-,Au-,EC,EV,ED,EA1,Ei,EA2,EA3,0.04,0.20,0.15,0.04,金在锗中的能级,本章小结,一 .重要术语 1掺杂 2. 本征半导体 3. 非本征半导体 4. 补偿型半导体 5.多数载流子 6. 少数载流子 7. n型半导体 8. p型半导体 9. 施主杂质，施主能级，施主杂质电离能 10. 受主杂质，受主能级，受主杂质电离能,掺杂：通过在半导体材料中掺入杂质以改变半导体材料的载流子浓度的方法。 本征半导体：没有掺杂的半导体，其内部的电子和空穴成对出现，叫做本征半导体。