第二章半导体中杂质和缺陷能级ppt课件.ppt

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1、2.1硅、锗晶体中的杂质能级2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级2.3氮化镓的杂质能级2.4缺陷和位错的能级第二章半导体中的杂质和缺陷能级2.1硅、锗晶体中的杂质能级2.1.1替位式杂质间隙式杂质Si和Ge都具有金钢石结构，一个原胞含有8个原子。原胞内8个原子的体积与立方原胞体积之比为34%，原胞内存在66%的空隙。金钢石晶体结构中的四面体间隙位置金钢石晶体结构中的六角形间隙位置杂质原子进入半导体硅后，只可能以两种方式存在。一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质；间隙式杂质原子一般较小

2、，如离子锂（Li+）。另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位式杂质。替位式杂质原子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。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/cm3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi施主掺杂（掺磷）2.1.2施主杂质、施主能级SiP+SiSiSiSiSiSiSi-磷替代硅，其效果是形成一个正电中心P+和一个多余的价电子。这个多余的价电子就束缚在正电中心P+的周围

3、（弱束缚）。+4+4+5+4多余价电子磷原子Ⅴ族元素有5个价电子，其中的四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个电子，同时Ⅴ族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心，所以，一个Ⅴ族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离。多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导电的自由电子，而Ⅴ族原子形成一个不能移动的正电中心。硅、锗中的Ⅴ族杂质，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为

4、施主杂质或N型杂质，掺有N型杂质的半导体叫N型半导体。施主杂质未电离时是中性的，电离后成为正电中心。带有分立的施主能级的能带图施主能级电离能带图被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级ED。施主能级位于离导带低很近的禁带中杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级是一些具有相同能量的孤立能级。表2-1硅、锗晶体中Ⅴ族杂质的电离能(eV)2.1.3受主杂质受主能级受主掺杂（掺硼）SiB-SiSiSiSiSiSiSi+硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子，称为负电中心（B-）。带负电的硼离子和带正电

5、的空穴间有静电引力作用，这个空穴受到硼离子的束缚，在硼离子附近运动。空穴B-+4+4+3+4Ⅲ族元素占据了硅原子的位置：Ⅲ族元素有3个价电子，它与周围的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴，而Ⅲ族原子接受一个电子后所在处形成一个负离子中心，所以，一个Ⅲ族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个负电中心和一个空穴空穴束缚在Ⅲ族原子附近，但这种束缚很弱很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运动的导电空穴，而Ⅲ族原子形成一个不能移动的负电中心。硅、锗中的Ⅲ族杂质，能够接受

6、电子而在价带中产生空穴，并形成负电中心的杂质，称为受主杂质或P型杂质，掺有P型杂质的半导体叫P型半导体。受主杂质未电离时是中性的，电离后成为负电中心。受主能级电离能带图带有分立的受主能级的能带图被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA。施主能级位于离价带顶很近的禁带中杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的受主能级是一些具有相同能量的孤立能级。表2-2硅、锗晶体中III族杂质的电离能(eV)施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如

7、Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B总结总结2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算采用类氢原子模型估算施主和受主杂质的电离能氢原子中电子的能量：n=1时,基态电子能量n=时，氢原子电离E=0氢原子的电离能晶体内杂质原子束缚的电子：m0mn*,mp*;0r0施主杂质的电离能：Si:Ge:受主杂质的电离能氢原子半径：施主杂质半径：基态下（n=1），氢原子的轨道半径：作业：第二章习题7第二章习题8两题都加上第三小问③

8、请画出杂质能级的能带图2.1.5杂质的补偿作用当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是n型还是p型呢？在半导体中，若同时存在着施主和受主杂质，施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。ND>>NANA>>NDNA~ND~1、当ND>>NA因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为n=ND