第2章-半导体中杂质和缺陷能级.ppt

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1、第2章半导体中杂质和缺陷能级半导体的杂质敏感性半导体电子、空穴共同参与导电，可否调制？P-N结，晶体管§2.1掺杂晶体理想半导体材料原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置上晶体是纯净的，即不含杂质(没有与组成晶体材料的元素不同的其它化学元素)晶格结构是完整的，即具有严格的周期性实际半导体材料原子在平衡位置附近振动含有杂质；晶格结构不完整，存在缺陷点缺陷，线缺陷，面缺陷杂质和缺陷的影响使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入能级，从而对半导体的性质产生影响影响半导体器件的质量（如性能等）对半导体材料的物理性质和化学性质起决

2、定性的影响（如提高导电率）本章目的：介绍杂质和缺陷的基本概念105硅原子中掺1个硼原子，则比单纯硅晶的电导率增加了103倍杂质与组成晶体材料的元素不同的其他化学元素形成原因原材料纯度不够制作过程中有玷污人为的掺入金刚石结构中，密堆积时，原子占晶格体积比？8个原子，r=?占体积比？～34%分类(1)：按杂质原子在晶格中所处位置分间隙式杂质替位式杂质杂质原子位于晶格原子的间隙位置要求杂质原子比较小杂质原子取代晶格原子而位于格点处要求杂质原子的大小、价电子壳层结构等均与晶格原子相近两种类型的杂质可以同时存在这里主要介绍替位式杂

3、质分类(2)：按杂质所提供载流子的类型分施主杂质受主杂质第V族杂质原子替代第IV族晶体材料原子能够施放(Discharge)电子而产生导电电子，并形成正电中心的杂质（n型杂质）第III族杂质原子替代第IV族晶体材料原子能够接受(Accept)电子而产生导电空穴，并形成负电中心的杂质（p型杂质）施主杂质受主杂质施主杂质(IV->V)分立的能级因为杂质含量低，不能共有化运动该多余电子运动状态：1.比成键电子自由的多，ED>>Ev2.与导带底电子也有差别（受到P+原子的库伦吸引力）（绕原子运动）ED=Ec-E库伦（在禁带中）E

4、D<V)提供载流子：导带电子电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是掺施主的意义所在受主杂质(IV->III)束缚空穴：受B-原子吸引,绕原子运动要形成自由空穴，要克服

5、B原子的吸引力,给一定能量ΔEA。能带中，越往下，空穴能量越高。（越往下的电子，越难激发形成空穴）受主电离能：△EA=EA-EV如：III族元素在硅锗中电离能为：0.045和0.01eV中性态未电离时称为中性态或者束缚态T=0K杂质电离在一定能量下，杂质中电子脱离原子束缚而成为导电电子的过程T≠0K杂质电离能杂质电离时所需要的最少能量ΔEA=EA-EV，一般来说ΔEA<III)提供载流子：价带空穴电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意义所在上述

6、介绍的施主杂质和受主杂质都是浅能级杂质施主杂质能级靠近导带底，受主杂质能级靠近价带顶杂质电离能非常小（Eg通常为1ev左右，而ΔED只有零点几个ev左右）施主杂质和受主杂质为半导体材料提供载流子施主杂质为导带提供电子（掺施主杂质的半导体为n型半导体）受主杂质为价带提供空穴（掺受主杂质的半导体为p型半导体）n型半导体：电子的数目远大于空穴的数目（或者说以电子导电为主）p型半导体：空穴的数目远大于电子的数目（或者说以空穴导电为主）本征半导体：没有掺杂的半导体n=p用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能浅能级杂质=杂质离子+束缚

7、电子（空穴）杂质浅能级的简单计算类氢原子模型的计算氢原子基态电子的电离能:施主杂质电子的电离能:施主杂质电子的玻尔半径:氢原子基态电子的玻尔半径室温kBT~26meV~几十个meV~25A硅-硅间距～5.4A锗，硅的介电常数为16，12施主杂质电子的玻尔半径修正（A）ND>NA时：n型半导体有效的施主浓度ND*=ND-NAEA因EA在ED之下，ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚电子再电离到导带上。杂质的补偿作用NA>>ND经补偿后，导带中空穴浓度为NA-ND≈NA半导体为p型半导

8、体（B）NA>ND时：p型半导体因EA在ED之下，ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚空穴再电离到价带上。ED有效的受主浓度NA*=NA-ND（C）NA≌ND时杂质的高度补偿本征激发的导带电子EcEDEAEv本征激发的价带空穴杂质的高度补偿控制不当，使得ND≈NA施主电子刚好够