半导体物理课件第二章.ppt

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1、第2章半导体中杂质和缺陷能级要求掌握锗、硅晶体中的杂质能级，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级。理解点缺陷。实际半导体晶体理想半导体晶体在平衡位置附近振动原子静止在格点位置上纯净的含有杂质晶格结构完整无缺存在着各种缺陷实际晶体与理想晶体的区别杂质(impurity)：在半导体晶体中引入的新的原子或离子缺陷(defect)：晶体按周期性排列的结构受到破坏Si能够得到广泛应用的重要原因：对其杂质实现可控操作，从而实现对半导体性能的精确控制杂质主要来源：无意掺入：制备半导体的原材料纯度不够，加工工艺有意掺入：为了控制半导体的某些性质，人为掺入某种原子。掺杂工艺•

2、在单晶生长过程中掺入杂质在高温下通过杂质扩散的工艺掺入杂质离子注入杂质在薄膜外延工艺过程中掺入杂质用合金工艺将杂质掺入半导体中——为控制半导体的性质，人为掺入杂质的工艺过程杂质浓度：单位体积中杂质原子数掺杂浓度(施主杂质ND，受主杂质NA)掺杂浓度：单位体积中掺入杂质的数目。1014~1020cm－3硅晶体中：5x1022cm－3个原子请估算杂质原子与Si原子的比例。为什么极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理、化学性质产生决定性影响？杂质和缺陷的存在，会使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态（即能级），从而对半导体的性质产

3、生决定性影响。杂质、缺陷能级位于禁带之中杂质、缺陷能级EcEv2.1.1替位式杂质、间隙式杂质替位式杂质:取代晶格原子杂质原子的大小与晶体原子相似III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质间隙式杂质:位于晶格原子间隙位置杂质原子小于晶体原子杂质浓度：单位体积内的杂质原子数2.1硅、锗晶体中的杂质能级元素周期表2.1.2施主杂质、施主能级施主杂质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

4、靠导带电子导电的半导体。本征半导体结构示意图本征半导体：纯净的、不含其它杂质的半导体。N型半导体晶体杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）2.1.3受主杂质、受主能级受主杂质III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。受主电离受主杂质释放空穴的过程。受主能级被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量为ΔEAp型半导体依靠价带空穴导电的半导体。P型半导体受

5、主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。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杂质半导体的简化表示法浅能级杂质电离能小的杂质称为浅能级杂质。所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以全部电离。五价元素磷（P）、锑在硅、锗中是浅施主杂质三价元素硼（B）、铝、镓、铟在硅、锗中为浅受主杂质。浅能级杂质电离能比禁带宽度小得多，杂质种类对半导体的导电性影响很大。在N型半导体中，电子浓度大于空穴浓

6、度，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。在P型半导体中，空穴浓度大于电子浓度，空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子。2.1.4浅能级杂质电离能简单计算类氢模型氢原子中电子能量n=1,2,3……，为主量子数，当n=1和无穷时氢原子基态电子的电离能考虑到1、正、负电荷处于介电常数ε=ε0εr的介质中2、电子不在空间运动，而是处于晶格周期性势场中运动施主杂质电离能受主杂质电离能估算结果与实际测量值有相同数量级Ge：△ED～0.0064eVSi:△ED～0.025eV2.1.5杂质的补偿作用假如半导体中，同时存在着施主和受主杂质，半导体是n型还是p型呢？

7、这要看哪一种杂质浓度大，因为施主和受主杂质之间有互相抵消的作用通常称为杂质的补偿作用当ND>>NA时n=ND-NA≈ND，半导体是n型的当ND<NA时ND-NA为有效施主浓度当ND

8、II、V族元素在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质