半导体物理学 第二章_半导体中的杂质和缺陷.ppt

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1、第二章半导体中的杂质和缺陷理想半导体：1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流子。实际半导体实际半导体中原子并不是静止在具有严格周期性的晶格位置上，而是在其平衡位置附近振动；实际半导体并不是纯净的，而是含有杂质的；实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种形式的缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺陷；杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半导体的性质产生了决定性的作用主要内

2、容1.浅能级杂质能级和杂质电离；2.浅能级杂质电离能的计算；3.杂质补偿作用4.深能级杂质的特点和作用1、等电子杂质；2、Ⅳ族元素起两性杂质作用§2-1元素半导体中的杂质能级§2-3缺陷能级§2-2化合物半导体中的杂质能级点缺陷对半导体性能的影响§2.1Si、Ge晶体中的杂质能级1、杂质与杂质能级杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。杂质的来源：｛有意掺入无意掺入根据杂质在能级中的位置不同：｛替位式是杂质间隙式杂质在金刚石型晶体中，晶胞中原子的体积百分数为34%，说明还有66%是空隙。Si中的杂质有两种存在方式，a：间隙式杂质特点：杂质原子一般较小，锂元素b：替位式杂质特

3、点：杂质原子的大小与被替代的晶格原子大小可以相比，价电子壳层结构比较相近，Ⅲ和Ⅴ族元素在Si，Ge中都是替位式以硅为例说明单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度B:替位式→杂质占据格点位置。大小接近、电子壳层结构相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nmA:间隙式→杂质位于间隙位置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLiN型半导体P型半导体复合中心陷阱杂质分类浅能级杂质深能级杂质杂质能级位于禁带中Eg浅能级施主杂质施主能级Ei受主杂质受主能级EcEv浅能级(1)VA族的替位杂质——施主杂质在硅Si中掺入PSiSiSiSiSiSiSiP+

4、Si磷原子替代硅原子后，形成一个正电中心P＋和一个多余的价电子束缚态—未电离离化态—电离后2、元素半导体的杂质（a）电离态（b）中性施主态过程：1.形成共价键后存在正电中心P+；2.多余的一个电子挣脱束缚，在晶格中自由动；杂质电离3.P+成为不能移动的正电中心；杂质电离，杂质电离能，施主杂质（n型杂质），施主能级电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是掺施主的意义所在。1.施主处于束缚态，2.施主电离3施主电离后处于离化态能带图中施主杂质电离的过程电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电中心，——施主杂质。施主杂质施主能级被施主杂质束缚的电子的能量比导带底Ec低，称为施主能级，E

5、D。施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的孤立能级．ED施主浓度：ND施主电离能△ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量ECED△ED=EC－ED施主电离能EV-束缚态离化态+施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子——N型半导体，或电子型半导体晶体杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096定义：施主杂质V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。施主电离施主杂质释放

6、电子的过程。施主能级被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能量为ΔED。n型半导体依靠导带电子导电的半导体。3、受主能级：举例：Si中掺硼B在Si单晶中，Ⅲ族受主替位杂质两种电荷状态的价键（a）电离态（b）中性受主态价带空穴电离受主B-2、受主能级：举例：Si中掺硼B过程：1.形成共价键时，从Si原子中夺取一个电子，Si的共价键中产生一个空穴；2.当空穴挣脱硼离子的束缚，形成固定不动的负电中心B-受主电离，受主电离能，受主杂质（p型杂质），受主能级电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意义所在1.受主处于束缚态，2，受主电离3，受主电离后处于离化态能带图中受

7、主杂质电离的过程在Si中掺入BB具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。受主杂质向价带提供空穴。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－EA受主浓度：NAEcEvEA受主电离能和受主能级受主电离能△EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量-束缚态离化态+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。含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴——P型半导体，或空穴型半导体。晶体杂质BAlGaSi