半导体能级缺陷习题

1、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

2、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

3、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

4、 26 meV,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）NDNA时： n型半导体,有效的施主浓度 ND*=ND-NA,EA,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,NAND 经补偿后，导带中空穴浓度为 NA-NDNA 半导体为p型半导体,（B）NAND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。,

5、ED,有效的受主浓度 NA*=NA-ND,（C） NAND时 杂质的高度补偿,本征激发的导带电子 Ec ED 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。,Ec,Ev,ED,EA1,EA2,EA3,Au 掺入 Si,E

6、A3EA2EA1 电子的库伦排斥力,0.04,0.2,0.15,0.04,III-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+0.02-0.03 eV VI族元素 GaAs: 硫(S),硒(Se) ED=Ec-0.006 eV IV族元素 GaAs: 硅(Si) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV （杂质的双性行为） 锗(Ge) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV 等电子杂质 GaP: 氮(N) Ec-0.01 eV (等电子陷阱引起）,等电子杂质 与基质晶体原

7、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,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，

8、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

9、 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为族元素，本征半导体Si为族元素，As掺入Si中后，As的最外层电子有

10、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为族元素，而本征半导体Si为族元素，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

11、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-族GaAs中掺族Si。如果Si替位族As，则Si为施主；如果Si替位族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 说明类氢模型的优点和不足,2-7 锑化铟的禁带宽度