3 半导体中的杂质和缺陷能级.ppt

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1、第二章半导体中的杂质和缺陷能级2.1本征半导体和杂质半导体一、本征半导体和本征激发本征半导体：纯净的、不含任何杂质和缺陷的半导体称为本征半导体。本征激发：共价键上的电子激发成为准自由电子，也就是价带电子激发成为导带电子的过程。本征激发的特点：成对的产生导带电子和价带空穴。二、杂质半导体和杂质能级间隙式杂质，替位式杂质Si、Ge都具有金刚石结构，一个晶胞内含有8个原子。由于晶胞内空间对角线上相距1/4对角线长度的两个原子为最近邻原子，恰好就是共价半径的2倍，因此晶胞内8个原子的体积与立方晶胞体积之

2、比为34%，即晶胞内存在着66%的空隙。杂质半导体和杂质能级定性描述间隙式杂质，替位式杂质杂质进入半导体后可以存在于晶格原子之间的间隙位置上，称为间隙式杂质，间隙式杂质原子一般较小。也可以取代晶格原子而位于格点上，称为替（代）位式杂质，替位式杂质通常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。图替位式杂质和间隙式杂质Ⅲ、Ⅴ族元素掺入Ⅳ族的Si或Ge中形成替位式杂质，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。非本征半导体：掺杂半导体杂质半导

3、体和杂质能级施主杂质掺入５价的磷原子以Si中掺入V族元素磷(P)为例：当有五个价电子的磷原子取代Si原子而位于格点上时，磷原子五个价电子中的四个与周围的四个Si原子组成四个共价键，还多出一个价电子，磷原子所在处也多余一个称为正电中心磷离子的正电荷。多余的这个电子被正电中心磷离子所吸引只能在其周围运动，不过这种吸引要远弱于共价键的束缚，只需很小的能量就可以使其挣脱束缚，形成能在整个晶体中“自由”运动的导电电子。而正电中心磷离子被晶格所束缚，不能运动。杂质半导体和杂质能级施主杂质杂质半导体和杂质能级施

4、主杂质由于以磷为代表的Ⅴ族元素在Si中能够施放导电电子，称V族元素为施主杂质或n型杂质，用ND表示。电子脱离施主杂质的束缚成为导电电子的过程称为施主电离，所需要的能量ΔED称为施主杂质电离能。ΔED的大小与半导体材料和杂质种类有关，但远小于Si和Ge的禁带宽度。施主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后称为施主离化态。Si中掺入施主杂质后，通过杂质电离增加了导电电子数量从而增强了半导体的导电能力。把主要依靠电子导电的半导体称为n型半导体。n型半导体中电子称为多数载流子，简称多子；而空穴称

5、为少数载流子，简称少子。杂质半导体和杂质能级受主杂质掺入３价的硼原子杂质半导体和杂质能级受主杂质以Si中掺入Ⅲ族元素硼(B)为例：硼只有三个价电子，为与周围四个Si原子形成四个共价键，必须从附近的Si原子共价键中夺取一个电子，这样硼原子就多出一个电子，形成负电中心硼离子，同时在Si的共价键中产生了一个空穴。这个被负电中心硼离子依靠静电引力束缚的空穴还不是自由的，不能参加导电，但这种束缚作用同样很弱，很小的能量ΔEA就使其成为可以“自由”运动的导电空穴。而负电中心硼离子被晶格所束缚，不能运动。杂质半

6、导体和杂质能级受主杂质由于以硼原子为代表的Ⅲ族元素在Si、Ge中能够接受电子而产生导电空穴，称Ⅲ族元素为受主杂质或p型杂质，用NA表示。空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离，而所需要的能量ΔEA称为受主杂质电离能。不同半导体和不同受主杂质其ΔEA也不相同，但ΔEA通常远小于Si和Ge禁带宽度。受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为负电中心，称为受主离化态。Si中掺入受主杂质后，受主电离增加了导电空穴，增强了半导体导电能力，把主要依靠空穴导电的半导体称作p型半导体。p型半导体中空

7、穴是多子，电子是少子。杂质半导体和杂质能级电离能常见杂质的电离能杂质半导体和杂质能级III-V族半导体GaAs的杂质电离能双性杂质的概念＿硅替代镓做施主，替代砷做受主．杂质半导体和杂质能级施主能级受主能级掺入施主杂质的半导体，施主能级ED上的电子获得能量ΔED后由束缚态跃迁到导带成为导电电子，因此施主能级ED位于比导带底Ec低ΔED的禁带中，且ΔED<

8、能级上的空穴得到能量ΔEA后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴。(a)施主能级和施主电离(b)受主能级和受主电离图杂质能级和杂质电离杂质半导体和杂质能级施主能级受主能级如果Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族杂质浓度不太高，在包括室温的相当宽的温度范围内，杂质几乎全部离化。通常情况下半导体中杂质浓度不是特别高，半导体中杂质分布很稀疏，因此不必考虑杂质原子间的相互作用，被杂质原子束缚的电子(空穴)就像单个原子中的电子一样，处在互相分离、能量相等的杂质能级上而不形成杂质能带——非简并半导体。当