最新半导体物理(第二章)模板教学讲义ppt课件.ppt

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1、半导体物理2013(第二章)模板实际材料中1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。2、杂质电离提供载流子。晶体中杂质来源由于纯度有限，半导体原材料所含有的杂质半导体单晶制备和器件制作过程中的污染为改变半导体的性质，在器件制作过程中有目的掺入的某些特定的化学元素原子§2.1.1硅锗晶体中的杂质能级杂质原子进入半导体后，以两种方式存在一种方式是杂质原子位于品格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质（A）另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，常称为替位式杂质

2、（B）间隙式杂质和替位式杂质施主杂质向导带释放电子的过程为施主电离施主杂质未电离之前是电中性的称为中性态或束缚态；电离后成为正电中心称为离化态或电离态使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的最小能量称为施主电离能，施主电离能为ΔED被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为ED，。施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为主要依靠导带电子导电的n型半导体（也称电子型半导体）。§2.1.2施主杂质施主能级§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

3、，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。小概念：受主电离受主电离能受主能级p型半导体以硅中掺硼B为例：In原子占据硅原子的位置，与周围的四个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子，这就在Si形成了一个空穴。这时In原子就成为多了一个价电子的磷离子，它是一个不能移动的负电中心。空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动。§2.1.3受主杂质受主能级受主杂质释放空穴的过程称为受主电离使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的最小能量称为受主电离能，记为ΔEA空穴被受主杂质束缚时的能量状态称为受主能级，记为EA受主杂质电离后成为不可移动的带

4、负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为主要依靠空穴导电的p型半导体（也称空穴型半导体）。§2.1.3受主杂质受主能级§2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质：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可以全部电离。五价元素磷（P）、砷（As）、锑（Sb）在硅、锗中是浅施主杂质；三价元素硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）在硅、锗中为浅受主杂质。类氢模型§2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算§2.1.5杂质的补偿作用杂质补偿：半导体

5、中同时存在施主杂质和受主杂质时，它们的共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿。在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。（参看书中图2.7）1）：剩余杂质2）：剩余杂质当ND≈NA高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高度补偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。有效杂质浓度补偿后半导体中的净杂质浓度。§2.1.5杂质的补偿作用§2.1.6深能级杂质深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、G

6、e的禁带中产生的施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离能大，能够产生多次电离。深能级杂质在半导体禁带中可能会引入多个能级，其中可能有施主能级，也可能有受主能级，这与杂质原子的电子壳层结构、杂质原子的大小、杂质在半导体中的位置等因素都有关系。深能级的形成Ⅵ族杂质.多于两个价电子被两个正电荷的杂质中心束缚，类似于一个氦原子，其每个电子平均受到大于一电子电荷的正电中心的作用，从而深能级杂质的电离能比浅能级杂质要大。在电离出一个电子后，带有两个正电荷的杂质中心使第二个电子电离需要更大能量，对应更深的能级，所以Ⅵ族杂质在硅锗中一般产生两重施主能级，

7、如锗中的硒、碲。§2.1.6深能级杂质深能级的形成Ⅰ族杂质.一方面可以失去唯一价电子产生一个施主能级，另一方面也能依次接受三个电子与周围四个近邻原子形成共价键，相应产生三个由浅到深的受主深能级。原则上Ⅰ族杂质能产生三重受主能级，但是较深的受主能级有可能处于允带之中，某些Ⅰ族杂质受主能级少于三个。Ⅱ族杂质。与Ⅵ族杂质情况类似，可以产生两重受主能级。§2.1.6深能级杂质深能级的基本特点：1、含量极少，而且能级较深，不易在室温下电离，对载流子浓度影响不大；2、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。3、能级位置利于促进载流子的复合，其复合

8、作用比浅能级杂质强，使少数载流子寿命降低，称这些杂质为复合中心杂质。（在第五章详细讨论）4、深能级杂质电离后对载流子起散射