半导体物理学-第二章-半导体中的杂质和缺陷

第二章半导体中的杂质和缺陷理想半导体：1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流子。实际半导体实际半导体中原子并不是静止在具有严格周期性的晶格位置上，而是在其平衡位置附近振动；实际半导体并不是纯净的，而是含有杂质的；实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种形式的缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺陷；杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半导体的性质产生了决定性的作用主要内容1.浅能级杂质能级和杂质电离；2.浅能级杂质电离能的计算；3.杂质补偿作用4.深能级杂质的特点和作用1、等电子杂质；2、Ⅳ族元素起两性杂质作用§2-1元素半导体中的杂质能级§2-3缺陷能级§2-2化合物半导体中的杂质能级点缺陷对半导体性能的影响§2.1Si、Ge晶体中的杂质能级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。杂质的来源：｛有意掺入无意掺入根据杂质在能级中的位置不同：｛替位式是杂质间隙式杂质在金刚石型晶体中，晶胞中原子的体积百分数为34%，说明还有66%是空隙。Si中的杂质有两种存在方式，a：间隙式杂质特点：杂质原子一般较小，锂元素b：替位式杂质特点：杂质原子的大小与被替代的晶格原子大小可以相比，价电子壳层结构比较相近，Ⅲ和Ⅴ族元素在Si，Ge中都是替位式以硅为例说明单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度B:替位式→杂质占据格点位置。大小接近、电子壳层结构相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nmA:间隙式→杂质位于间隙位置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLiN型半导体P型半导体复合中心陷阱杂质分类浅能级杂质深能级杂质杂质能级位于禁带中Eg浅能级施主杂质施主能级Ei受主杂质受主能级EcEv浅能级(1)VA族的替位杂质——施主杂质在硅Si中掺入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一个正电中心P＋和一个多余的价电子束缚态—未电离离化态—电离后2、元素半导体的杂质（a）电离态（b）中性施主态•过程：1.形成共价键后存在正电中心P+；2.多余的一个电子挣脱束缚，在晶格中自由动；杂质电离3.P+成为不能移动的正电中心；杂质电离，杂质电离能，施主杂质（n型杂质），施主能级电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是掺施主的意义所在。1.施主处于束缚态，2.施主电离3施主电离后处于离化态能带图中施主杂质电离的过程电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电中心，——施主杂质。施主杂质施主能级被施主杂质束缚的电子的能量比导带底Ec低，称为施主能级，ED。施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的孤立能级．ED施主浓度：ND施主电离能△ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量ECED△ED=EC－ED施主电离能EV-束缚态离化态+施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子——N型半导体，或电子型半导体晶体杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096定义：施主杂质V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。施主电离施主杂质释放电子的过程。施主能级被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能量为ΔED。n型半导体依靠导带电子导电的半导体。3、受主能级：举例：Si中掺硼B在Si单晶中，Ⅲ族受主替位杂质两种电荷状态的价键（a）电离态（b）中性受主态•价带空穴电离受主B-2、受主能级：举例：Si中掺硼B过程：1.形成共价键时，从Si原子中夺取一个电子，Si的共价键中产生一个空穴；2.当空穴挣脱硼离子的束缚，形成固定不动的负电中心B-受主电离，受主电离能，受主杂质（p型杂质），受主能级电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意义所在1.受主处于束缚态，2，受主电离3，受主电离后处于离化态能带图中受主杂质电离的过程在Si中掺入BB具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。受主杂质向价带提供空穴。B获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。B－＋B－EA受主浓度：NAVAAEEEEcEvEA受主电离能和受主能级受主电离能△EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量-束缚态离化态+受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离的电子所占据——空穴由受主能级向价带激发。含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴——P型半导体，或空穴型半导体。晶体杂质BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011定义：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，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。受主电离受主杂质释放空穴的过程。受主能级被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量为ΔEAp型半导体依靠价带空穴导电的半导体。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Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B小结！等电子杂质N型半导体特征：a施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子b电子浓度n〉空穴浓度pP型半导体特征：a受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴b空穴浓度p〉电子浓度nECEDEVEA----++++----++++EgN型和P型半导体都称为极性半导体P型半导体价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电子为少子。N型半导体导带电子数由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子。电子为多子，空穴为少子。多子——多数载流子少子——少数载流子杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发。具有杂质激发的半导体称为杂质半导体杂质激发3.杂质半导体电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为本征激发。只有本征激发的半导体称为本征半导体。本征激发N型和P型半导体都是杂质半导体施主向导带提供的载流子=1016～1017/cm3》本征载流子浓度杂质半导体中杂质载流子浓度远高于本征载流子浓度Si的原子浓度为1022～1023/cm3掺入P的浓度/Si原子的浓度=10-6例如：Si在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，上述杂质的特点：施主杂质：受主杂质：浅能级杂质杂质的双重作用：改变半导体的导电性决定半导体的导电类型杂质能级在禁带中的位置gDEEgAEE4.浅能级杂质电离能的简单计算+-施主-+受主浅能级杂质=杂质离子+束缚电子（空穴）类氢模型222oHohrnmq玻尔原子电子的运动轨道半径为：n=1为基态电子的运动轨迹42228onomqEhne=-玻尔能级：玻尔原子模型类氢模型氢原子中电子能量n=1,2,3……，为主量子数，当n=1和无穷时2220408nhqmEn0,8220401EhqmE氢原子基态电子的电离能考虑到正、负电荷处于介电常数ε=ε0εr的介质中，且处于晶格形成的周期性势场中运动，所以电子的惯性质量要用有效质量代替eVhqmEEE6.1382204010类氢模型：计算束缚电子或空穴运动轨道半径及电离能22*2rohrnmq运动轨道半径：4*4**022222221188orooroormqmqmmEEhmhm电离能：施主杂质电离能受主杂质电离能200*22024*8rnrnDEmmhqmE200*22024*8rprpAEmmhqmE对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径约为24.4Å：Si:a=5.4Å剩余电子本质上是在晶体中运动SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiÅ4.24126.01222qmhroo12)(Sir*0.26eommSi：r=1.17Å施主能级靠近导带底部100,16,122rrGerSi**000.26,0.12eSieGemmmm==对于Si、Ge掺PEcEvED*021eDormEEmeVESiD025.0,eVEGeD064.0,估算结果与实测值有相同的数量级*021PAormEEm0.04ASiEeV对于Si、Ge掺B0.01AGeEeVEcEvEAEcED电离施主电离受主Ev5.杂质的补偿作用(1)ND＞NA半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用此时半导体为n型半导体有效施主浓度n=ND-NAEAEcEDEAEv电离施主电离受主(2)NDNA此时半导体为p型半导体有效受主浓度p=NA-ND(3)ND≈NA杂质的高度补偿EcEDEAEv本征激发产生的导带电子本征激发产生的价带空穴杂质的补偿作用当NDNA时n=ND-NA≈ND，半导体是n型的当NDNA时p=NA-ND≈NA，半导体是p型的当ND≈NA时补偿半导体有效杂质浓度补偿后半导体中的净杂质浓度。6.深杂质能级根据杂质能级在禁带中的位置，杂质分为：浅能级杂质→能级接近导带底Ec或价带顶Ev，电离能很小深能级杂质→能级远离导带底Ec或价带顶Ev，电离能较大ECEDEVEAEgECEAEVEDEggDEEgAEE深能级杂质非III、V族元素（52页图2-8/9）特点多为替位式杂质硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。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。在Ge中掺Au可产生3个受主能级，1个施主能级AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-1.Au失去一个电子—施主Au＋EcEvEDED=Ev+0.04eVEcEvEDEA1Au－2.Au获得一个电子—受主EA1=Ev+0.15eV3.Au获得第二个电子EcEvEDEA1Au2－EA2=Ec-0.2eVEA24.Au获得第三个电子EcEvEDEA1EA3=Ec-0.04eVEA2EA3Au3－深能级杂质特点：不容易电离，对载流子浓度影响不大；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。能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。EcEvEDEAAudopedSilicon0.35eV0.54eV1.12eV0.29eV0.35§2-2化合物半导体中的杂质能级Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质理想的GaAs晶格价键结构：含有离子键成分的共价键结构Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs施主杂质替代Ⅴ族元素受主杂质替代III族元素两性杂质III、Ⅴ族元素等电子杂质——同族原子取代●等电子杂质等电子杂质是与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子．替代了同族原子后，基本仍是电中性的。但是由于共价半径和电负性不同，它们能俘获某种载流子而成为带电中心。带电中心称为等电子陷阱。例如，N取代GaP中的P而成为负电中心电子陷阱空穴陷阱●束缚激子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，形成束缚激子。●两性杂质举例：GaAs中掺Si（Ⅳ族）Ga：Ⅲ族As：Ⅴ族SiGa施主两性杂质SiAs受主两性杂质：在化合物半导体中，某