刘诺-半导体物理学-第二章

半导体物理SEMICONDUCTORPHYSICSS编写：刘诺独立制作:刘诺电子科技大学微电子与固体电子学院微电子科学与工程系1、杂质与杂质能级杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。§2.1Si、Ge晶体中的杂质能级杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏。第二篇半导体中的杂质和缺陷能级杂质能级位于禁带之中Ec杂质能级Ev2、施主能级：举例：Si中掺磷P（Si：P）导带电子电离施主P+EDED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。施主电离能：△ED=EC-ED△ED=EC-EDEgECEDEV施主杂质：束缚在杂质能级上的电子被激发到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为正电中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）晶体杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.00963、受主能级：举例：Si中掺硼B（Si：B）价带空穴电离受主B-受主能级EA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。受主电离能：△EA=EA-EVEgEA△EAEVEC受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为负电中心（负离子）。这种杂质称为受主杂质。Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能△EA（eV）晶体杂质BAlGaInSi0.0450.0570.0650.16Ge0.010.010.0110.011杂质半导体1、n型半导体：特征：a、施主杂质电离，导带中出现施主提供的电子；b、电子浓度n空穴浓度p。2、p型半导体：特征：a、受主杂质电离，价带中出现受主提供的空穴；b、空穴浓度p电子浓度n。GroupIIIAP-typedopants,groupIVbasicsemiconductormaterials,andgroupVAN-typedopants.上述杂质的特点：施主电离能△ED《Eg受主电离能△EA《Eg浅能级杂质4、浅能级杂质电离能的简单计算（1）氢原子基态电子的电离能)2(h8qmEEE2204010)1()r(E)r(r4qm4hn022022氢原子电子满足：故基态电子的电离能：（2）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+束缚电子（空穴）正、负电荷所处介质：r0r4q)r(Ur02电势能估算结果与实际测量值有相同数量级Ge：△ED～0.0064eVSi:△ED～0.025eV)3(Emmh8qmE2r00*n22r204*nD施主电离能)4(Emmh8qmE2r00*p22r204*pA受主电离能杂质的补偿,既掺有施主又掺有受主补偿半导体（A）NDNA时n型半导体所以：有效的施主浓度ND*=ND-NAniEDEA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。5、杂质的补偿作用（B）NAND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。EDEA所以：有效的受主浓度NA*=NA-NDni（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6、深能级杂质（1）浅能级杂质（2）深能级杂质△ED≮Eg△EA≮Eg△ED△EAEAEDEDEAEcEcEvEv△ED《Eg△EA《Eg例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五种可能的状态：（1）Au+；（2）Au0；（3）Au一；（4）Au二；（5）Au三。（1）Au+：Au0–eAu+△EDEgECEVED(2)Au0电中性态（3）Au一：Au0+eAu一△EAECEAEV（4）Au二：Au一+eAu二ECEA2EA1EV△EA2=△EA2（5）Au三：Au二+eAu三EC△EA3=EA3EA2EA1EV例2：Au（Ⅰ族）在Si中ECEAEDEV7、等电子陷阱（1）等电子杂质特征：a、与本征元素同族但不同原子序数例：GaP中掺入Ⅴ族的N或Bib、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。（2）等电子陷阱等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaAsP中的P位置）后，即存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电子陷阱，后者就是空穴陷阱。NNP等电子陷阱举例1、N在GaAsP中：NP2、C在Si中：CSi3、O在ZnTe中：其存在形式可以是（1）替位式（2）复合体，如Zn-O8、束缚激子即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是束缚激子。9、两性杂质举例：GaAs中掺Si（Ⅳ族）Ga：Ⅲ族As：Ⅴ族SiGa受主SiAs施主两性杂质：在化合物半导体中，某种杂在其中既可以作施主又可以作受，这种杂质称为两性杂质。两性杂质1、点缺陷：空位自间隙原子反结构缺陷各种复合体位错§2.2缺陷能级（1）Si中的点缺陷：以空位、间隙和复合体为主A、空位V0+eV-（受主）V0-eV+（施主）ED1〈ED2EcEAED1ED2EVB、间隙例1：Si：B空位EcEDEAEv例2、复合体“V”:空位。[O-V]复合体：EA=EC-0.17eV[As-V]复合体：EA=EC-0.4eV[P-V]复合体：EA=EC-0.47eV（2）GaAs中的点缺陷点缺陷分类：1、空位：VAs，VGa。2、间隙：IAs，IGa。3、反结构缺陷：BA，AB。A、空位ECEA1（VGa）=EV+0.01eVEA2（VAs）=EV+0.18eVEVB、反结构缺陷：AB或BA特征：出现在化合物半导体中例：GaAs中的反结构缺陷GaAs：受主AsGa：施主2、位错能级（主要指线缺陷）例：Si中的60O位错编写：刘诺独立制作:刘诺电子科技大学微电子与固体电子学院微电子科学与工程系半导体物理SEMICONDUCTORPHYSICS