半导体物理北交经典课件考研必备-第二章.ppt

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1、实际半导体晶格偏离理想情况杂质缺陷原子在平衡位置附近振动杂质和缺陷原子的周期性势场受到破坏在禁带中引入能级决定半导体的物理和化学性质杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。缺陷点缺陷，如空位、间隙原子等线缺陷，如位错等面缺陷，如层错、晶粒间界等SiP●Li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。杂质能级位于禁带之中EcEv杂质能级BA正电中心●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

2、●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●Si●P对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径：r~65ÅSi的晶格常数为5.4Å○对于Ge中的P原子，r85ÅP原子中这个多余的电子的运动半径远远大于其余四个电子，所受到的束缚最小，极易摆脱束缚成为自由电子。施主杂质:束缚在杂质能级上的电子被激发到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为正电中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。施主杂质具有提供电子的能力。导带电子电离施主P+对氢原子氢原子中电子的能量设施主杂质能级为ED施主杂质的电离能△ED：即弱束缚的电子摆脱束缚成为晶格中自由运动的电子

3、（导带中的电子）所需要的能量。施主的电离能施主电离能：△ED=EC-ED△ED=EC-EDECEDEgEV对于Si、Ge掺PEcEv施主能级靠近导带底部ED施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。价带导带（1）在Si中掺入B2.元素半导体中ⅢA族替位杂质的能级B获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。B－＋B－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。受主杂质具有得到电子的性质，向价带提供空穴。价带空穴电离受主B－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。受主

4、能级EAEcEvEA受主能级靠近价带顶部(2)受主电离能和受主能级Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能△EA（eV）晶体杂质BAlGaInSi0.0450.0570.0650.16Ge0.010.010.0110.011受主能级EA受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离的电子所占据（空穴由受主能级向价带激发）。杂质电离或杂质激发：杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）。本征激发：电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为~。只有本征激发的半导体称为本征半导体。所需要的能量称为杂质的电离能。掺施主的半导体的

5、导带电子数主要由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子（电子数>>空穴数），对应的半导体称为N型半导体。称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。掺受主的半导体的价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴（空穴数>>电子数），对应的半导体称为P型半导体。空穴为多子，电子为少子。N型和P型半导体都称为极性半导体EcED电离施主电离受主Ev3.杂质的补偿作用(1)ND＞NA半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用此时为n型半导体n=ND-NAEAEcEDEAEv电离施主电离受主(2)ND

6、≈NA杂质的高度补偿EcEvEAED不能向导带和价带提供电子和空穴(2)间隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙原子缺陷起施主作用1.Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质和缺陷三、化合物半导体中的杂质和缺陷●施主杂质Ⅵ族元素(Se、S、Te)在GaAs中通常都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置。Ⅵ族杂质在GaAs中一般起施主作用，为浅施主杂质。●受主杂质Ⅱ族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素Ga原子的晶格位置。Ⅱ族元素杂质在GaAs中通常起受主作用，均为浅受主杂质。●中性杂质Ⅲ族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元素（P、Sb）在GaAs中通常分别替代

7、Ga和As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数，因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性，对GaAs的电学性质没有明显影响。●两性杂质Ⅳ族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs中的作用比较复杂，可以取代Ⅲ族的Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同时取代两者。Ⅳ族杂质不仅可以起施主作用和受主作用，还可以起中性杂质作用。在掺Si浓度小于1×1018cm-3时，Si全部取代Ga位而起施主作用，这时掺Si浓度和电子浓度一致；而在掺Si浓度大于1018cm-3时，部分Si原子开始取代As位，出现补偿作用，使电子浓