第二章 半导体中的杂质和缺陷能级ppt课件.ppt

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1、理想半导体：原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构。晶体中无杂质，无缺陷。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。由本征激发提供载流子第二章半导体中的杂质和缺陷能级杂质：与组成半导体材料元素不同的其它化学元素。如硅中掺磷、掺硼等掺杂后的半导体称为杂质半导体。掺杂后就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂质来源：a有意掺入b污染本征半导体：晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。缺陷实际半导体晶格结构不是完整无缺的，存在各种形式的缺陷。缺陷可分为三类：（１）点缺陷（空位、

2、间隙原子等）；（２）线缺陷（位错等）；（３）面缺陷（层错、多晶体中的晶粒间界等）．引入杂质和缺陷的意义半导体材料独特的性质，取决于杂质影响．极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的理化性质产生决定性的影响（半导体器件的质量）．可通过适当掺杂制造形形色色的器件半导体中的杂质和缺陷起什么样作用？为什么会起这样的作用？杂质和缺陷的存在，所产生的附加势场使严格的周期性势场受到破坏，可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态(即能级)．ECEV杂质能级如图所示为一晶格常数为a的Si晶胞，求：（a）Si原子半径（b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比（a）（b）例：重点和难点施主杂质、施主能级、n

3、型半导体；受主杂质、受主能级、p型半导体；施主杂质和受主杂质的电离能;杂质的补偿作用；浅能级杂质和深能级杂质2.1Si、Ge中的杂质能级SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi间隙式替位式：占据正常的格点位置2.1.1替位式杂质间隙式杂质根据杂质在半导体中位置不同，可分为：替位式杂质和间隙式杂质(interstitial)ECEV杂质能级EgSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi间隙式替位式替位式杂质较大，而间隙式杂质较小杂质浓度：描述杂质的含量多少1/cm3引入的杂质能级位于禁带中替位式杂质形成替位式

4、杂质，对替位杂质原子的要求：大小与被取代的晶格原子的大小比较相近，价电壳层结构比较相近．如：Ｇｅ、Ｓｉ是IV族元素，与III、V族元素相近．所以III、V族元素在硅、锗晶体中都是替位杂质。2.1.2施主杂质、施主能级一、施主杂质：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。SiP+SiSiSiSiSiSiSi-硅中的施主杂质每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。磷为施主杂

5、质(n型杂质)。本征半导体掺入施主杂质后成为n型半导体。+4+4+5+4多余价电子磷原子磷替代硅。磷有五个价电子。四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。同时磷原子所在处也多余一个正电荷+ｑ，称这个电荷为正电中心磷离子(P+)。+4+4+5+4导带电子P+弱束缚----束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很少的能量就可以使它挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动。磷原子就成为少了一个价电子的磷离子(P+)，一个不能移动的正电中心。二、N型半导体：本征半导体中掺入磷等Ⅴ族元素后，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。+4+4+5+4多余价电子磷

6、原子N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。三、施主电离施主杂质释放电子的过程叫施主电离。未电离时是中性的，称为束缚态或中性态；电离后成为正电中心，称为离化态杂质电离能：使多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量，ΔED(Donor)晶体杂质PAsSbSiGe0.0440.01260.0490.01270.0390.0096Ｖ族杂质元素在硅、锗中的电离能很小，在硅中约为0.04-

7、0.05eV，在锗中约为0.01eV,比硅、锗的禁带宽度Eg小得多[Eg(Ge)=0.72eV]硅、锗晶体中V族杂质的电离能（eV）施主能级：将被施主杂质束缚的电子的能量状态，ED电子得到能量ΔED，从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底EC低ΔED。∵ΔED《Eg，∴施主能级离导带底很近⊕⊕ECEVEDEgΔED四、施主能级和施主电离施主杂质是比较少的，杂质原子间的相互作用可以忽略，一种杂质的施主能级是具有相同能量的孤立能级⊕⊕ECEVED