半导体物理 第二章 半导体中杂质和缺陷能级1.ppt

第二章 半导体中杂质和缺陷能级Ø 半导体材料中的杂质能级Ø Ⅲ－Ⅴ化合物半导体及杂质能级 Ø 半导体中的缺陷和能级 Impurity-doped SiliconImpurity-doped Siliconu晶格振动u杂质u晶格不完整性Impurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon 实际半导体材料结构偏离理想晶体现象有复杂原因: 杂质和缺陷对半导体的物理和化学性质起到决定性的影响，原因是在半导体禁带中引入电子的能量状态（能级）晶体中的杂质占位 l杂质原子来源：半导体材料制备中引入、 原材料、玷污、 人为掺杂l杂质原子在晶体中的占位：− 间 隙 原 子 ： 处 于 正 常 原 子 构 成 的 多 面 体空隙− 替位原子：取代正常格点原子半导体中的杂质能级 Impurity-doped SiliconImpurity-doped SiliconImpurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon1、杂质与杂质能级 •杂质：杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。

半导体中存在的与本体元素不同的其它元素•杂质来源杂质来源: （（1））有意掺入有意掺入 （（2）无意掺入）无意掺入•杂质在半导体中的分布状况杂质在半导体中的分布状况 （（1）替位式杂质）替位式杂质 （（2）间隙式杂质）间隙式杂质 杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏：Impurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon杂质能级位于禁带之中 Ec Ev Impurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon杂质能级杂质能级•施主杂质与施主能级 • P在Si中成为替位杂质：−五价P外层5个价电子，4个和硅原子形成共价键，剩余1个电子；−电子脱离P原子束缚，成为导电电子：P电离（杂质电离），电离能很小0.04eV−P+为不动的正电中心（电离施主），V族杂质为施主杂质或n型杂质−半导体中导带多出电子，半导体导电靠电子导电－ n型半导体−电离前施主杂质为中性的束缚态，束缚电子的能级为施主能级ED,为靠近导带的孤立能级: ⊿ED=Eg－ED<

导带中的电子数增加了，这即是掺施主的意义所在施主电离能：△ED=EC-ED △△△△E EDD=E=ECC-E-EDDEgECEDEVImpurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon 含有电离和中性施主能级的Si的E-x和E-k图△△ED DImpurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon施主杂质：束缚在杂质能级上的电子被激发到导带束缚在杂质能级上的电子被激发到导带Ec成为导成为导带电子，该杂质电离后成为带电子，该杂质电离后成为正电中心正电中心（正离子）这种杂质称（正离子）这种杂质称为为施主杂质施主杂质 Si、、Ge中中Ⅴ族杂质的电离能族杂质的电离能△△ED（（eV）） 晶晶 杂杂 质质 体体 P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 Ge 0.0126 0.0127 0.0096Impurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon•B在Si中成为替位杂质：−三价B外层3个价电子，和硅原子形成共价键，从Si中夺取1个电子成负电中心；−Si晶体中有原子因失去电子形成空穴，易于挣脱负电中心束缚成为自由导电空穴；−价带空穴增多，半导体导电能力主要依靠空穴－P型半导体−B受主杂质，B－为电离受主；未电离束缚态能级EA靠近价带，孤立能级 ⊿EA=E g –EA-<

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Impurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon受主电离能： △EA=EA-EVEgEA△△EAEVECImpurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon 含有电离和中性受主能级的Si的E-x和E-k图△△EAImpurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为负电中心（负离子）这种杂质称为受主杂质Si、、Ge中中Ⅲ族杂质的电离能族杂质的电离能△△EA（（eV）） 晶晶 杂杂 质质 体体 B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011Impurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon（浅）杂质半导体1、、n 型半导体：型半导体： 特征：特征：a、施主杂质电离，、施主杂质电离， 导带中导带中 出现施主出现施主 提供的导电电提供的导电电 子；子； b、电子浓度、电子浓度n>空穴浓度空穴浓度p 2、、p 型半导体型半导体： 特征特征：a、受主杂质电离，价带中、受主杂质电离，价带中 出现受主提供的空穴；出现受主提供的空穴； b、空穴浓度、空穴浓度p>电子浓度电子浓度nImpurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon• Impurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon•上述杂质的特点：上述杂质的特点： 施主电离能施主电离能△△ED<

施主和受主杂质间存在相互抵消作用，即杂质的补偿作用−半导体的净杂质浓度为有效杂质浓度： ND-NA , ND>NA, n型半导体 NA-ND , NA>ND， p型半导体−杂质的补偿作用实际应用：通过扩散或离子注入等手段，改变半导体局部导电类型，满足制备器件需要杂质的补偿作用:Impurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon5、杂质的补偿作用Impurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon 有效的施主浓度有效的施主浓度 ND*=ND-NA 因因 EA 在在 ED 之下之下 ED上的束缚电子首上的束缚电子首 先填充先填充EA上上的空位，即施主与受主先相互的空位，即施主与受主先相互 “抵消抵消”，剩余的束缚，剩余的束缚电子再电离到导带上电子再电离到导带上 Impurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon（（A））ND>NA时：时： n型半导体型半导体因因 EA 在在 ED 之下之下 ，， ED上的束缚电子首先填充上的束缚电子首先填充EA上上的空位，即施主与受主先相互的空位，即施主与受主先相互 “抵消抵消”，剩余，剩余的束的束 缚空穴再电离到价带缚空穴再电离到价带 上。

上 有效的受主浓度有效的受主浓度 NA*=NA-NDImpurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon（（B））NA>ND时：时： p型半导体型半导体（C） NA≌ND时 杂质的高度补偿本征激发的导带电子本征激发的导带电子 Ec ED EA Ev 本征激发的价带空穴本征激发的价带空穴Impurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon。