晶体结构的缺陷教程文件.ppt

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1、晶体结构的缺陷根据电子占据情况能带分为：满带：由充满电子的能级构成，能量较低；价带：由未充满电子的能级构成，能量较高；空带：由未填电子的能级构成，能量较高；禁带：满带顶到导带底之间的能量间隔。能带结构及导体、半导体和绝缘体的划分固体中的轨道也称为能级对半导体：满带也称价带空带亦称导带吸收一定波长的光如：514nm满带空带hEg=2.42eVCdS半导体满带上的电子跃迁到空带后,满带中出现空的电子能级，称为“空穴”。空穴带一个单位的正电荷。电子和空穴总是成对产生或成对复合激子：电子－空穴对空带满带满带中空穴下面能级上的电子跃迁到空穴上,相当于空穴向下跃迁。满带中

2、带正电的空穴向下跃迁形成电流,称为空穴导电。Eg在外电场作用下：关于空穴导电本征半导体：物体的半导体性质是由电子从满带激发到导带而产生的。载流子：电子和空穴。高纯半导体在较高温度时，才具有本征半导体的性质。杂质半导体：半导体中掺入杂质时，其导电性能和导电机构与本征半导体不同。载流子：电子（n-型）或空穴（p-型）。实际使用的半导体都是掺杂的，掺杂不仅可增加半导体的导电能力，并且可通过控制掺入杂质原子的种类和数量形成不同类型的半导体。（2）杂质半导体的能带结构特点与本征半导体相比，杂质半导体中除了具有与能带相对应的电子共有化状态外，还存在一定数目的束缚状态的电子，这

3、些电子是由杂质引起的，并为杂质所束缚，如同一般电子为原子核所束缚的情况一样，束缚电子也具有确定的能级。这种能级处于禁带中间，对杂质半导体的性质起着决定作用。把VA元素（如P、As）掺入硅单晶中正电荷中心束缚电子像磷这样能给出电子的杂质，称为施主（杂质），这类缺陷称为施主缺陷，掺有施主杂质的半导体称为n型半导体，载流子是电子，也称为电子型半导体。(PSi·)空带满带施主能级Eg量子力学表明，掺杂后多余的电子的能级（施主能级）在禁带中紧靠空带处,E～10-2eV，电子容易受激发跃迁到导带中，成为导电的电子。施主（donor）能级施主能级施主杂质束缚的电子的能级；杂质给

4、出的电子所在的能级；杂质提供的带电子的能级。Si中掺P时ED为0.045eVEDEED硅、锗单晶中掺入P、As等杂质的电离反应：把ⅢA族元素（如B、Al）掺入硅单晶中负电荷中心束缚空穴像硼这样能接受电子给出空穴的杂质，称为受主（杂质），这类缺陷称为受主缺陷，掺有受主杂质的半导体又称为p型半导体，载流子是空穴，也称为空穴半导体。(BSi’)空带E满带受主能级Eg量子力学表明，掺杂后多余的空穴的能级（受主能级）在禁带中紧靠满带处，E～10-2eV，极易产生空穴导电。Si中掺B时EA为0.045eV受主（acceptor）能级受主能级受主杂质束缚的空穴的能级；受主杂质

5、提供的空能量状态。EAEA硅、锗单晶中掺入B、Al等杂质的电离反应：硅中掺杂形成施主能级和受主能级（统称为杂质能级）的分子轨道理论解释原子轨道有效组合形成分子轨道应满足的条件：能量相近、对称性匹配、最大重叠。SiliconCrystalDopedwith(a)Arsenicand(b)Boron掺杂半导体导电机制：跳跃式导电机理n型化合物半导体例如，化合物GaAs中掺Te，六价的Te替代五价的As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。ｐ型化合物半导体例如，化合物GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。2.8非化学计

6、量化合物（缺陷）一般化合物其化学式符合倍比定律和定比定律。非化学计量化合物：组成不符合倍比和定比定律，偏离其化学式的化合物。例如：方铁矿（Fe0.89O至Fe0.96O，通常记为Fe1-xO）TiO2-x、Zn1+xO及黄铁矿FeS1+x等。易形成非计量化合物的阴离子：O2-、S2-和H-离子；阳离子：过渡金属和稀土金属，一般具有可变的化合价。非化学计量化合物晶体中往往形成点缺陷结构，且这些缺陷一般是空位、间隙离子与电子、空穴的复合，具有半导体性质，或使材料出现一系列色心。根据点缺陷形式，非化学计量氧化物有如下四类：非化学计量化合物缺陷：由于化学组成偏离化学计量而产

7、生的一种结构缺陷，属于点缺陷的范畴。1.阴离子空位型（TiO2-x、ZrO2-x）2.阳离子空位型（Fe1-xO、Cu2-xO）3.阴离子间隙型（UO2+x）4.阳离子间隙型（Zn1+xO、Cd1+xO）其导电性质可分别归属为n型和p型半导体。（1）阴离子空位引起阳离子过剩（TiO2-x、ZrO2-x）当环境氧分压较低或在还原气氛中，晶体中氧逸出而在晶格中产生氧空位。氧空位带正电荷，束缚着以低价态形式存在的金属上的电子，具有n型半导体的性质。氧逸出释放的电子被金属离子接纳从而使其价态降低。相当于施主杂质提供施主能级TiO2-x（阴离子空位型）结构缺陷示意图缺氧的