05章硅、鍺晶體中的雜質和缺陷

1、 理想半導體理想半導體： 1、原子嚴格周期性排列，具有完整的、原子嚴格周期性排列，具有完整的 晶格結構。晶格結構。 2、晶體中無雜質，無缺陷。、晶體中無雜質，無缺陷。 3、電子在周期場中作共有化運動，形、電子在周期場中作共有化運動，形 成允帶和禁帶成允帶和禁帶電子能量只能處在電子能量只能處在 允帶允帶中的能級上，禁帶中無能級。中的能級上，禁帶中無能級。 本征半導體本征半導體晶體具有完整的（完晶體具有完整的（完 美的）晶格結構，無任何雜質和缺陷美的）晶格結構，無任何雜質和缺陷 。由本征激發(fā)提供載流子。由本征激發(fā)提供載流子。 實際半導體實際半導體： 1、總是有雜質、缺陷，使周期場破壞，在、總是有雜

2、質、缺陷，使周期場破壞，在 雜質或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)雜質或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài) 對應的能級常常處在禁帶中，對半導體的對應的能級常常處在禁帶中，對半導體的 性質起著決定性的影響。性質起著決定性的影響。 2、雜質電離提供載流子。、雜質電離提供載流子。 雜質半導體雜質半導體 雜質和缺陷可在禁帶中引入能級，從而對半雜質和缺陷可在禁帶中引入能級，從而對半 導體的性質產(chǎn)生了決定性的作用導體的性質產(chǎn)生了決定性的作用 一、雜質存在的方式一、雜質存在的方式 雜質雜質與本體元素不同的其他元素與本體元素不同的其他元素 (2) 替位式替位式雜質占據(jù)格點雜質占據(jù)格點 位置。大小接近、電子位置。大小接近、電

3、子 殼層結構相近殼層結構相近 si：r=0.117nm b：r=0.089nm p：r=0.11nm si si si si si si si p si li 1. va族的替位雜質族的替位雜質 在硅在硅si中摻入中摻入p si si si si si si si p+ si 磷原子替代硅原 子后，形成一個 正電中心p和一 個多余的價電子 未電離未電離 電離后電離后 二、元素半導體的雜質二、元素半導體的雜質 電離時，電離時，p原子能夠提供導電電子并形成正電原子能夠提供導電電子并形成正電 中心，中心，。 施主雜質施主雜質 施主能級施主能級 被施主雜質束縛的電子被施主雜質束縛的電子 的能量比導帶底

4、的能量比導帶底ec低，低， 稱為稱為，ed。 。 由于施主雜質少，原子由于施主雜質少，原子 間相互作用可以忽略，間相互作用可以忽略， 施主能級是具有相同能施主能級是具有相同能 量的孤立能級量的孤立能級 ed 施主濃度：施主濃度：nd 施主電離能施主電離能ed=弱束縛的電子擺脫雜質原子弱束縛的電子擺脫雜質原子 束縛成為晶格中自由運動的束縛成為晶格中自由運動的 電子（導帶中的電子）所需電子（導帶中的電子）所需 要的能量要的能量 ec ed ed =eced 施主電離能施主電離能 ev - 束縛態(tài)束縛態(tài) 離化態(tài)離化態(tài) + 施主雜質的電離能小，施主雜質的電離能小， 在常溫下基本上電離。在常溫下基本上電

5、離。 含有施主雜質的半導體，其導電的載流子主要含有施主雜質的半導體，其導電的載流子主要 是電子是電子n型半導體，或電子型半導體型半導體，或電子型半導體 在在si中摻入中摻入b b具有得到電子的性質，這類雜質稱為具有得到電子的性質，這類雜質稱為受主雜質受主雜質。 受主雜質向價帶提供空穴。受主雜質向價帶提供空穴。 2. a族替位雜質族替位雜質受主雜質受主雜質 b獲得一個電子變成獲得一個電子變成 負離子，成為負電中負離子，成為負電中 心，周圍產(chǎn)生帶正電心，周圍產(chǎn)生帶正電 的空穴。的空穴。 b b ea 受主濃度：受主濃度：na vaa eee ec ev ea (2)受主電離能和受主能級受主電離能和

6、受主能級 受主電離能受主電離能ea=空穴擺脫受主雜質束縛成為導電空穴擺脫受主雜質束縛成為導電 空穴所需要的能量空穴所需要的能量 - 束縛態(tài)束縛態(tài) 離化態(tài)離化態(tài) + 受主雜質的電離能小，在受主雜質的電離能小，在 常溫下基本上為價帶電離常溫下基本上為價帶電離 的電子所占據(jù)的電子所占據(jù)空穴由空穴由 受主能級向價帶激發(fā)。受主能級向價帶激發(fā)。 含有受主雜質的半導體，其導電的載流子主要含有受主雜質的半導體，其導電的載流子主要 是空穴是空穴p型半導體，或空穴型半導體型半導體，或空穴型半導體。 施主和受主濃度：施主和受主濃度：nd、na 施主施主：donor，摻入半導體的雜質原子向半，摻入半導體的雜質原子向半

7、 導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離 子。如子。如si中中摻摻的的p 和和as 受主受主：acceptor，摻入半導體的雜質原子向，摻入半導體的雜質原子向 半導體提供導電的空穴，并成為帶負電的離半導體提供導電的空穴，并成為帶負電的離 子。如子。如si中摻的中摻的b 小結！小結！ 等電子雜質等電子雜質 n型半導體型半導體 特征：特征： a 施主雜質電離，導帶中施主雜質電離，導帶中 出現(xiàn)施主提供的導電電子出現(xiàn)施主提供的導電電子 b 電子濃度電子濃度n 空穴濃度空穴濃度p p 型半導體型半導體 特征：特征： a 受主雜質電離，價帶中受主雜質電離，價帶中 出現(xiàn)

8、受主提供的導電空穴出現(xiàn)受主提供的導電空穴 b空穴濃度空穴濃度p 電子濃度電子濃度n ec ed ev ea - + - + eg n型和型和p型半導體都稱為型半導體都稱為極性半導體極性半導體 p型半導體型半導體價帶空穴數(shù)由受主決定，半導體價帶空穴數(shù)由受主決定，半導體 導電的載流子主要是空穴?？昭槎嘧?，電導電的載流子主要是空穴?？昭槎嘧?，電 子為少子。子為少子。 n型半導體型半導體導帶電子數(shù)由施主決定，半導體導帶電子數(shù)由施主決定，半導體 導電的載流子主要是電子。電子為導電的載流子主要是電子。電子為多子多子，空，空 穴為穴為少子少子。 多子多子多數(shù)載流子多數(shù)載流子 少子少子少數(shù)載流子少數(shù)載流子

9、 雜質向導帶和價帶提供電子和空穴的過程（電雜質向導帶和價帶提供電子和空穴的過程（電 子從施主能級向導帶的躍遷或空穴從受主能級子從施主能級向導帶的躍遷或空穴從受主能級 向價帶的躍遷）稱為向價帶的躍遷）稱為雜質電離或雜質激發(fā)雜質電離或雜質激發(fā)。具。具 有雜質激發(fā)的半導體稱為有雜質激發(fā)的半導體稱為雜質半導體雜質半導體 雜質激發(fā)雜質激發(fā) 3. 雜質半導體雜質半導體 電子從價帶直接向導帶激發(fā)，成為導帶的自由電子從價帶直接向導帶激發(fā)，成為導帶的自由 電子，這種激發(fā)稱為電子，這種激發(fā)稱為本征激發(fā)本征激發(fā)。只有本征激發(fā)。只有本征激發(fā) 的半導體稱為的半導體稱為本征半導體本征半導體。 本征激發(fā)本征激發(fā) n型和型和

10、p型半導體都是型半導體都是雜質半導體雜質半導體 施主向導帶提供的載流子施主向導帶提供的載流子 =10161017/cm3 本征載流子濃度本征載流子濃度 雜質半導體中雜質載流子濃度遠高于雜質半導體中雜質載流子濃度遠高于 本征載流子濃度本征載流子濃度 si的原子濃度為的原子濃度為10221023/cm3 摻入摻入p的濃度的濃度/si原子的濃度原子的濃度=10-6 例如：例如：si 在室溫下，本征載流子濃度為在室溫下，本征載流子濃度為 1010/cm3， 上述雜質的特點：上述雜質的特點： 施主雜質：施主雜質： 受主雜質：受主雜質： 淺能級雜質淺能級雜質 雜質的雙重作用：雜質的雙重作用： u 改變半導

11、體的導電性改變半導體的導電性 u 決定半導體的導電類型決定半導體的導電類型 雜質能級在禁帶中的位置雜質能級在禁帶中的位置 gd ee ga ee ec ed 電離施主電離施主 電離受主電離受主 ev 雜質的補償作用雜質的補償作用 (1) ndna 半導體中同時存在施主和受主雜質，施主和受半導體中同時存在施主和受主雜質，施主和受 主之間有互相抵消的作用主之間有互相抵消的作用 此時半導體為此時半導體為n型半導體型半導體 有效施主濃度有效施主濃度n=nd-na ea ec ed ea ev 電離施主電離施主 電離受主電離受主 (2) ndna 此時半導體為此時半導體為p型半導體型半導體 有效受主濃度

12、有效受主濃度p=na- nd (3) ndna 雜質的高度補償雜質的高度補償 ec ed ea ev 本征激發(fā)產(chǎn)生的導本征激發(fā)產(chǎn)生的導 帶電子帶電子 本征激發(fā)產(chǎn)生的價本征激發(fā)產(chǎn)生的價 帶空穴帶空穴 深雜質能級深雜質能級 根據(jù)雜質能級在禁帶中根據(jù)雜質能級在禁帶中 的位置，雜質分為：的位置，雜質分為： 淺能級雜質淺能級雜質能級接近導帶底能級接近導帶底 ec或價帶頂或價帶頂ev，電離能很小電離能很小 深能級雜質深能級雜質能級遠離導帶能級遠離導帶 底底ec或價帶頂或價帶頂ev，電離能較，電離能較 大大 ec ed ev ea eg ec ea ev ed eg gd ee ga ee 例：例：在在ge

13、中摻中摻au 可產(chǎn)生可產(chǎn)生3個受主能級，個受主能級，1個施主能個施主能 級級 au的電子組態(tài)是：的電子組態(tài)是：5s25p65d106s1 augege ge ge au+ au0 au- au2- au3- 多次電離，每一次電離相應地有一個能級既多次電離，每一次電離相應地有一個能級既 能引入施主能級又能引入受主能級能引入施主能級又能引入受主能級 1. au失去一個電子失去一個電子施主施主 au ec ev ed ed=ev+0.04 ev ec ev ed ea1 au 2. au獲得一個電子獲得一個電子受主受主 ea1= ev + 0.15ev 3.au獲得第二個電子獲得第二個電子 ec e

14、v ed ea1 au2 ea2= ec - 0.2ev ea2 4.au獲得第三個電子獲得第三個電子 ec ev ed ea1 ea3= ec - 0.04ev ea2 ea3 au3 深能級雜質特點深能級雜質特點： 不容易電離，對載流不容易電離，對載流 子濃度影響不大；子濃度影響不大； 一般會產(chǎn)生多重能級一般會產(chǎn)生多重能級 ，甚至既產(chǎn)生施主能，甚至既產(chǎn)生施主能 級也產(chǎn)生受主能級。級也產(chǎn)生受主能級。 能起到復合中心作用能起到復合中心作用 ，使少數(shù)載流子壽命，使少數(shù)載流子壽命 降低。降低。 ec ev ed ea au doped silicon 0.35ev 0. 54ev 1.12ev 淺

15、能級雜質淺能級雜質 1雜質對材料導電類型的影響雜質對材料導電類型的影響 當材料中共存施主和受主雜質時，它們將當材料中共存施主和受主雜質時，它們將 相互發(fā)生補償，相互發(fā)生補償，材料的導電類型取決于占材料的導電類型取決于占 優(yōu)勢的雜質優(yōu)勢的雜質。 一些離子半導體材料，如大多數(shù)一些離子半導體材料，如大多數(shù)一一族族 化合物，晶體中的缺陷能級對半導體的導化合物，晶體中的缺陷能級對半導體的導 電類型可起支配作用。電類型可起支配作用。 遷移率遷移率所帶電量所帶電量有效雜質濃度有效雜質濃度 1 1 電阻率電阻率 如果施主雜質占優(yōu)勢，則有：如果施主雜質占優(yōu)勢，則有： n nacceptoracceptordon

16、ordonor )e)en n(n(n 1 1 遷移率遷移率所帶電量所帶電量受主雜質濃度)受主雜質濃度)(施主雜質濃度(施主雜質濃度 1 1 電阻率電阻率 如果受主雜質占優(yōu)勢，則有：如果受主雜質占優(yōu)勢，則有： p pdonordonoracceptoracceptor )e)en n(n(n 1 1 遷移率遷移率所帶電量所帶電量施主雜質濃度)施主雜質濃度)(受主雜質濃度(受主雜質濃度 1 1 電阻率電阻率 c cs s= =kckc0 0(1-(1-g g) )k k-1 -1（ （4 44 4） 將將4 43 3代入代入4 44 4式可算出在拉單晶時，拉出的單晶的某一位式可算出在拉單晶時，拉

17、出的單晶的某一位 置置g g處的電阻率與原來雜質濃度的關系：處的電阻率與原來雜質濃度的關系： ) )(1(1 ) )(1(1 1 1 k gek 0 0 )1( 0 0 )1 ( 1 dn wa geukdn wa cm k 思考：思考： 為什么會是為什么會是 m=c0wa/dn0這一公式？這一公式？ 而不是而不是 m=wc0 阿佛加德羅常數(shù)密度 摩爾質量單晶質量雜質濃度 雜質質量 c0:雜質濃度，每立方米晶體中所含的雜質數(shù)目雜質濃度，每立方米晶體中所含的雜質數(shù)目 單位：單位： 個個cm-3 w :單晶質量單晶質量 單位：單位：g a: 雜質的摩爾質量雜質的摩爾質量 單位：單位： g mol-

18、1 d: 單晶的密度，單晶的密度， 單位：單位：g cm-3 n0: 阿佛加德羅常數(shù)，阿佛加德羅常數(shù)， 單位單位 ： 個個 mol-1 g molgcm gmolgcm 13- -1-3 - 個 個 單晶中雜質濃度 鍺密度 母合金質量鍺質量 母合金中雜質濃度 母合金密度 母合金質量 c0 d mw cm d m )c0( d mw )cm( )d( )m( 單晶中雜質濃度 鍺密度 母合金質量鍺質量 母合金中雜質濃度 母合金密度 母合金質量 )c0( d w )cm( )d( )m( 單晶中雜質濃度 鍺密度 鍺質量 母合金中雜質濃度 鍺密度 母合金質量 )cm( )c0(w )m( 母合金中雜質

19、濃度 單晶中雜質濃度鍺質量 母合金質量 2、考慮坩堝污染及蒸發(fā)的摻雜 (1) 坩堝污染 0ct v ra ci c l (2) 同時考慮坩堝污染和雜質的蒸發(fā) s c l s l fa xra c fa ea k dx dc x )( )1 ()1 ( k c c 1s l1 k c c s l2 2 熔體熔體 單晶單晶 )exp( 0 t v ea cc ll 度度) )c cm m( (母母合合金金中中雜雜質質濃濃 ( (熔熔硅硅中中雜雜質質濃濃度度) )c cw w硅硅質質量量 m m( (母母合合金金質質量量) ) l l0 0 如果蒸發(fā)效應很小，則摻雜公式為如果蒸發(fā)效應很小，則摻雜公式

20、為 cm )c(cw )m( l1l2 硅 母合金質量母合金質量 hfe共發(fā)射極直流放大系數(shù)：當集電極電壓與電流為規(guī)定值時，ic與ib之比。 charge coupled device電荷藕合器件電荷藕合器件 ，它是一種特殊半導體器件，上面有很多，它是一種特殊半導體器件，上面有很多 一樣的感光元件，每個感光元件叫一個像素。在攝像機里是一個極其重一樣的感光元件，每個感光元件叫一個像素。在攝像機里是一個極其重 要的部件，它起到要的部件，它起到 將光線轉換成電信號的作用，類似于人的眼睛，因此其性能將光線轉換成電信號的作用，類似于人的眼睛，因此其性能 的好壞將直接影響到攝像機的性能。的好壞將直接影響到

21、攝像機的性能。 微缺陷形成原因微缺陷形成原因 1.什么叫淺能級雜質？它們電離后有何特點？什么叫淺能級雜質？它們電離后有何特點？ 2.什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離前后什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離前后 有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出n 型半導體。型半導體。 3.什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后 有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出p 型半導體。型半導體。 4.摻雜半導體與本征半導體之間有何差異？試舉摻雜半導體與本征半導體之間有何差異？試舉 例

22、說明摻雜對半導體的導電性能的影響。例說明摻雜對半導體的導電性能的影響。 5.兩性雜質和其它雜質有何異同？兩性雜質和其它雜質有何異同？ 6.深能級雜質和淺能級雜質對半導體有何影響？深能級雜質和淺能級雜質對半導體有何影響？ 7.何謂雜質補償？雜質補償?shù)囊饬x何在？何謂雜質補償？雜質補償?shù)囊饬x何在？ 1、解：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁、解：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁 帶寬度的雜質。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶帶寬度的雜質。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶 負電（電離受主）的離子，并同時向導帶提供電子或向價帶負電（電離受主）的離子，并同時向導帶提供

23、電子或向價帶 提供空穴。提供空穴。 2、解：半導體中摻入施主雜質后，施主電離后將成為帶正電、解：半導體中摻入施主雜質后，施主電離后將成為帶正電 離子，并同時向導帶提供電子，這種雜質就叫施主。離子，并同時向導帶提供電子，這種雜質就叫施主。 施主電離成為帶正電離子（中心）的過程就叫施主電離。施主電離成為帶正電離子（中心）的過程就叫施主電離。 施主電離前不帶電，電離后帶正電。例如，在施主電離前不帶電，電離后帶正電。例如，在si中摻中摻p，p為為 族元素。族元素。 本征半導體本征半導體si為為族元素，族元素，p摻入摻入si中后，中后，p的最外層電子的最外層電子 有四個與有四個與si的最外層四個電子配對

24、成為共價電子，而的最外層四個電子配對成為共價電子，而p的第五的第五 個外層電子將受到熱激發(fā)掙脫原子實的束縛進入導帶成為自個外層電子將受到熱激發(fā)掙脫原子實的束縛進入導帶成為自 由電子。這個過程就是施主電離。由電子。這個過程就是施主電離。 3、解：半導體中摻入受主雜質后，受主電離、解：半導體中摻入受主雜質后，受主電離 后將成為帶負電的離子，并同時向價帶提供后將成為帶負電的離子，并同時向價帶提供 空穴，這種雜質就叫受主?？昭?，這種雜質就叫受主。 受主電離成為帶負電的離子（中心）的受主電離成為帶負電的離子（中心）的 過程就叫受主電離。過程就叫受主電離。 受主電離前帶不帶電，電離后帶負電。受主電離前帶不帶電，電離后帶負電。 例如，在例如，在si中摻中摻b，b為為族元素，而本征半族元素，而本征半 導體導體si為為族元素，族元素，p摻入摻入b中后，中后，b的最外層的最外層 三個電子與三個電子與si的最外層四個電子配對成為共的最外層四個電子配對成為共 價電子，而價電子，而b傾向于接受一個由