半導(dǎo)體物理與器件基礎(chǔ)-第2章

1、雷天民雷天民 西西-206-206 半導(dǎo)體物理與器件基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理與器件基礎(chǔ) 22021-6-30Prof.LEI 第二章第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級 -族化合物中的雜質(zhì)能級族化合物中的雜質(zhì)能級 缺陷缺陷 位錯能級位錯能級 半導(dǎo)體中存在雜質(zhì)原子或缺陷時，它們產(chǎn)生的附半導(dǎo)體中存在雜質(zhì)原子或缺陷時，它們產(chǎn)生的附 加勢場使嚴格的周期勢場被破壞，導(dǎo)致電子束縛在雜加勢場使嚴格的周期勢場被破壞，導(dǎo)致電子束縛在雜 質(zhì)原子或缺陷周圍，相應(yīng)的能級位于禁帶之中，稱為質(zhì)原子或缺陷周圍，相應(yīng)的能級位于禁帶之中，稱為 雜質(zhì)或缺陷能級。雜質(zhì)或缺陷能級。 由于被束縛的電子態(tài)，其

2、波函數(shù)遍及范圍只在雜由于被束縛的電子態(tài)，其波函數(shù)遍及范圍只在雜 質(zhì)附近局部范圍內(nèi)，又稱此為局域化電子態(tài)。質(zhì)附近局部范圍內(nèi)，又稱此為局域化電子態(tài)。 雜質(zhì)和缺陷對半導(dǎo)體性質(zhì)的影響極大，其在半導(dǎo)雜質(zhì)和缺陷對半導(dǎo)體性質(zhì)的影響極大，其在半導(dǎo) 體中的作用與它們引入的能級有密切關(guān)系。體中的作用與它們引入的能級有密切關(guān)系。 32021-6-30Prof.LEI 2.1 本節(jié)要點本節(jié)要點： 雜質(zhì)與雜質(zhì)能級雜質(zhì)與雜質(zhì)能級 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級施主能級 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級受主能級 淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算 雜質(zhì)的補償作用雜質(zhì)的補償作用 深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì) 42021-6-

3、30Prof.LEI 一、雜質(zhì)與雜質(zhì)能級一、雜質(zhì)與雜質(zhì)能級 雜質(zhì)雜質(zhì): :半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素。半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素。 替位式雜質(zhì)與間隙式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)與間隙式雜質(zhì) 雜質(zhì)能級位于禁帶中雜質(zhì)能級位于禁帶中 Ev Ec 雜質(zhì)能級 2.1 52021-6-30Prof.LEI 二、施主（二、施主（與受主（與受主（ 施主：施主：摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電提供導(dǎo)電 電子電子，并成為帶正電的離子。如，并成為帶正電的離子。如Si中中摻摻P、As、Sb 受主：受主：摻入的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中摻入的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電空穴提供導(dǎo)電

4、空穴， 并成為帶負電的離子。如并成為帶負電的離子。如Si中摻的中摻的Al、B、Ga、In 電電 離離 施施 主主 SbSb + + 電電 離離 受受 主主 B B 2.1 62021-6-30Prof.LEI 雜質(zhì)電離：雜質(zhì)電離：電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的 過程稱為雜質(zhì)電離，所需能量為雜質(zhì)電離能過程稱為雜質(zhì)電離，所需能量為雜質(zhì)電離能E。 施主電離：施主電離：施主雜質(zhì)釋放電子的過程稱為施主電離，施主雜質(zhì)釋放電子的過程稱為施主電離， 對應(yīng)的電離能稱為施主電離能對應(yīng)的電離能稱為施主電離能ED。 受主電離：受主電離：空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛的過程稱為受主電空穴

5、掙脫受主雜質(zhì)束縛的過程稱為受主電 離，對應(yīng)的電離能稱受主電離能離，對應(yīng)的電離能稱受主電離能EA。 、雜質(zhì)的電離、雜質(zhì)的電離 很小的能量就能使電子（空穴）掙脫雜質(zhì)能級的束很小的能量就能使電子（空穴）掙脫雜質(zhì)能級的束 縛，成為導(dǎo)電電子或?qū)щ娍昭?，在晶格中自由運動，這縛，成為導(dǎo)電電子或?qū)щ娍昭?，在晶格中自由運動，這 時的雜質(zhì)原子就成為時的雜質(zhì)原子就成為少（多）了一個價電子的正、負離少（多）了一個價電子的正、負離 子，它是一個不能移動的正（負）電中心子，它是一個不能移動的正（負）電中心。 2.1 72021-6-30Prof.LEI Sb原子中這個多余的電子的運動半徑遠遠大于原子中這個多余的電子的運動

6、半徑遠遠大于 其余四個電子，所受到的束縛最小，極易擺脫束縛其余四個電子，所受到的束縛最小，極易擺脫束縛 成為自由電子。成為自由電子。 設(shè)施主能級為設(shè)施主能級為ED，則，則 ED=EC-ED。 EC ED ED 2.1 82021-6-30Prof.LEI 晶體晶體 雜質(zhì)雜質(zhì) PAsSb Si0. 0440.0490.039 Ge0.01260.01270.0096 施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。 2.1 92021-6-30Prof.LEI 3 3、受主雜質(zhì)與受主能級、受主雜質(zhì)與受主能級 VAA EEE Ec Ev EA 2.1 102021-

7、6-30Prof.LEI 晶體晶體 雜質(zhì)雜質(zhì) BAlGaIn Si0. 045eV0.057eV0.065eV0.16eV Ge0.01eV0.01eV0.011eV0.011eV 受主雜質(zhì)的電離能受主雜質(zhì)的電離能 小，在常溫下基本上為小，在常溫下基本上為 價帶激發(fā)的電子所占據(jù)價帶激發(fā)的電子所占據(jù) （空穴由受主能級向價（空穴由受主能級向價 帶激發(fā)）。帶激發(fā)）。 2.1 112021-6-30Prof.LEI 4、雜質(zhì)能級的表示、雜質(zhì)能級的表示 2.1 雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴的過程（電子雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴的過程（電子 從施主能級向?qū)У能S遷或空穴從受主能級向價帶的從施主能級向

8、導(dǎo)帶的躍遷或空穴從受主能級向價帶的 躍遷）稱為躍遷）稱為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)。所需要的能量稱為。所需要的能量稱為 雜質(zhì)的電離能。雜質(zhì)的電離能。 122021-6-30Prof.LEI 電子從價帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電電子從價帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電 子，這種激發(fā)稱為子，這種激發(fā)稱為本征激發(fā)本征激發(fā)，只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體，只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體 稱為稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。 摻受主的半導(dǎo)體的價帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)摻受主的半導(dǎo)體的價帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo) 體導(dǎo)電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)電子數(shù)），對電子數(shù)），對 應(yīng)的半導(dǎo)體稱

9、為應(yīng)的半導(dǎo)體稱為P P型半導(dǎo)體?？昭槎嘧?，電子為少型半導(dǎo)體?？昭槎嘧樱娮訛樯?子。子。 摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由施主決定，摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由施主決定， 半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)空穴數(shù)），空穴數(shù)）， 對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為N N型半導(dǎo)體。稱電子為多數(shù)載流子，型半導(dǎo)體。稱電子為多數(shù)載流子， 簡稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。簡稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。 2.1 132021-6-30Prof.LEI 三、淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算三、淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算 eVE6 .13 1 , 3 , 2

10、, 1 8 222 0 4 0 n nh qm En )( 6 .13 8 2 0 2 0 0 2222 0 4 eV m mE m m nh qm E r n r n r n D eVEEE6 .13 10 )( 6 .13 8 2 0 2 0 0 2222 0 4 eV m m E m m nh qm E r p r p r p A 2.1 142021-6-30Prof.LEI 四、雜質(zhì)的補償作用四、雜質(zhì)的補償作用 1、ND NA 半導(dǎo)體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，施主和受主半導(dǎo)體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，施主和受主 之間有互相抵消的作用。之間有互相抵消的作用。 此時半導(dǎo)體為此時半導(dǎo)體為n

11、 n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 Ec ED 電離施主 電離受主 Ev n=ND-NA 2.1 152021-6-30Prof.LEI 2、ND 0K時時，GaAs晶體中的點缺陷主要有：晶體中的點缺陷主要有： 空位：空位：VGa、Vas 間隙原子：間隙原子： GaI、AsI 反結(jié)構(gòu)缺陷反結(jié)構(gòu)缺陷：Ga原子原子 占據(jù)占據(jù)As空位空位，或或As原原 子占據(jù)子占據(jù)Ga空位，記為空位，記為 GaAs和和AsGa。 前兩類缺陷是起施主還是受主作用，需由實驗前兩類缺陷是起施主還是受主作用，需由實驗 決定。決定。反結(jié)構(gòu)缺陷反結(jié)構(gòu)缺陷在離子性強的化合物中在離子性強的化合物中形成形成的概的概 率很小，可以忽略。率很小，可以

12、忽略。 292021-6-30Prof.LEI 2.3 缺陷、位錯 三、三、-族化合物半導(dǎo)體的缺陷族化合物半導(dǎo)體的缺陷 由于由于-族化合物半導(dǎo)體是電負性差別較大的族化合物半導(dǎo)體是電負性差別較大的 元素結(jié)合成的晶體，元素結(jié)合成的晶體，主要是離子鍵起作用主要是離子鍵起作用，正負離子，正負離子 相間排列組成了非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。所以外界雜質(zhì)對它相間排列組成了非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。所以外界雜質(zhì)對它 們性能的影響不顯著，決定其導(dǎo)電類型主要們性能的影響不顯著，決定其導(dǎo)電類型主要是它們自是它們自 身結(jié)構(gòu)的缺陷（間隙離子或空格點）。身結(jié)構(gòu)的缺陷（間隙離子或空格點）。 302021-6-30Prof.LEI 2.3 缺陷

13、、位錯 間隙正離子和負離子空位處形成帶正電的中心；間隙正離子和負離子空位處形成帶正電的中心； 間隙負離子和正離子空位處則形成帶負電的中心。正間隙負離子和正離子空位處則形成帶負電的中心。正 電中心在中性態(tài)時束縛著電子，被束縛的電子很容易電中心在中性態(tài)時束縛著電子，被束縛的電子很容易 被激發(fā)成為導(dǎo)帶電子而留下固定的正電中心。因而正被激發(fā)成為導(dǎo)帶電子而留下固定的正電中心。因而正 電中心起施主作用，在禁帶中引入施主能級。產(chǎn)生多電中心起施主作用，在禁帶中引入施主能級。產(chǎn)生多 重施主能級和多重受主能級。重施主能級和多重受主能級。 312021-6-30Prof.LEI 2.3 缺陷、位錯 同理，負電中心在中性態(tài)時束縛著空穴，被束縛同理，負電中心在中性態(tài)時束縛著空穴，被束縛 的空穴容易被激發(fā)至價帶而留下固定的負電中心。所的空穴容易被激發(fā)至價帶而留下固定的負電中心。所 以負電中心起受主作用，相應(yīng)在禁帶中引入受主能級。以負電中心起受主作用，相應(yīng)在禁帶中引入受主能級。 若正、負電中心帶有多個電子電荷，則可分別產(chǎn)若正、負電中心帶有多個電子電荷，則可分別產(chǎn) 生多重施主能級和多重受主能級。生多重施主能級和多重受主能級。 322021-6-30Prof.LEI 2.3 缺陷、位錯 四、位錯四、位錯