第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級

1、LOGO 第二章第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)半導(dǎo)體中雜質(zhì) 和缺陷能級和缺陷能級1、硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級、硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級 2、缺陷、位錯能級、缺陷、位錯能級LOGO教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點與難點教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點與難點 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 教學(xué)重點難點教學(xué)重點難點半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級的原理及作用半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級的原理及作用雜質(zhì)與缺陷的作用，對半導(dǎo)體性質(zhì)的影響；雜質(zhì)與缺陷的作用，對半導(dǎo)體性質(zhì)的影響；深能級雜質(zhì)。深能級雜質(zhì)。 LOGO第二章第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級1、硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級、硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級 2、缺陷、位錯能級、缺陷、位錯能級LOGO硅

2、、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級v替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)B 替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)A 間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)LOGO施主雜質(zhì)、施主能級施主雜質(zhì)、施主能級 摻入施主雜質(zhì)磷摻入施主雜質(zhì)磷 P P硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGO如何用能帶理論解釋施主雜質(zhì)？硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGO雜質(zhì)能級雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGO施施 主主 電電 離離 能：能：E ED D = E= EC C- E- ED D 硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGOvSi、Ge中中族雜質(zhì)的電離能

3、族雜質(zhì)的電離能ED（eV） 晶體晶體 雜雜 質(zhì)質(zhì) 電電 離離 能能ED 禁帶寬度禁帶寬度Eg P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 1.12 Ge 0.0126 0.0127 0.0096 0.67硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGO 摻入受主雜質(zhì)硼（摻入受主雜質(zhì)硼（B B）硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGO如何用能帶理論解釋受主雜質(zhì)？硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGO硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGO硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGOv特點：特點： 施主電離能施主電

4、離能 ED Eg 受主電離能受主電離能 EA Eg 即所謂的淺能級雜質(zhì)即所謂的淺能級雜質(zhì) 硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGOv雜質(zhì)的補償：既摻有施主雜質(zhì)又摻有受主雜質(zhì)雜質(zhì)的補償：既摻有施主雜質(zhì)又摻有受主雜質(zhì)v雜質(zhì)補償作用分為三種情況考慮：雜質(zhì)補償作用分為三種情況考慮：（A） NDNA時時 （B） NAND時時 （C） ND NA時時 硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGOv（A）NDNA時時 n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 v因因 EA 在在 ED 之下，之下， ED上的束縛電子首先填充上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互上的空位，即施主與受主先相互

5、“抵消抵消”，剩余的束縛電子再電離到導(dǎo)帶上。剩余的束縛電子再電離到導(dǎo)帶上。v所以：有效的施主濃度所以：有效的施主濃度 ND*=ND-NA硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGOv（B）NAND時時 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 v因因 EA 在在 ED 之下，之下， ED上的束縛電子首先填充上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互上的空位，即施主與受主先相互“抵消抵消”，剩余的束縛空穴再電離到價帶上。剩余的束縛空穴再電離到價帶上。v所以：有效的施主濃度所以：有效的施主濃度 NA*=NA-ND硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGO 本征激發(fā)的導(dǎo)帶電子本征激發(fā)的

6、導(dǎo)帶電子 本征激發(fā)的價帶空穴本征激發(fā)的價帶空穴EvEcEDEA硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGO（1）淺能級雜質(zhì)）淺能級雜質(zhì)ED、EA遠小于遠小于Eg（2）深能級雜質(zhì)）深能級雜質(zhì) ED、EA和和Eg相當(dāng)相當(dāng)硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGOv例例1：Au（族）在族）在Si中中 硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGOv例例2：Au（族）在族）在Ge中中Au在在Ge中共有五種可能的狀態(tài)：中共有五種可能的狀態(tài)： （1）Au+（2）Au0 （3）Au- （4）Au2-（5）Au3-。硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級LOGO第

7、二章第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺中晶體中的雜質(zhì)能級 缺陷、位錯能級缺陷、位錯能級LOGO 缺陷、位錯能級缺陷、位錯能級缺陷對材料性能有重要的影響 理想晶體：質(zhì)點嚴格按照空間點陣排列 實際晶體：存在各種各樣的結(jié)構(gòu)不完整性 LOGO 形成原因：1、熱缺陷（晶格位置缺陷) 2、雜質(zhì)缺陷(組成缺陷 ） 缺陷、位錯能級缺陷、位錯能級LOGO（1）弗倫克爾缺陷（Frenkel） 原子進入晶格的間隙位置，空位和間隙原子同時出 現(xiàn)，晶體體積不發(fā)生變化，晶體不會因為出現(xiàn)空位而產(chǎn) 生密度變化。1、熱缺陷（晶格位置缺陷、熱缺陷（晶格位置缺陷)特點：空位與間隙粒子

8、成對出現(xiàn)，數(shù)量相等，晶體體積不發(fā)生變化。特點：空位與間隙粒子成對出現(xiàn)，數(shù)量相等，晶體體積不發(fā)生變化。 缺陷、位錯能級缺陷、位錯能級LOGO （2）肖特基缺陷（Schottky） 表面層原子獲得較大能量，離開原來格點位跑到表面外新的格點位，原來位置形成空位這樣晶格深處的原子就依次填入，結(jié)果表面上的空位逐漸轉(zhuǎn)移到內(nèi)部去。特點：晶體表面增加了新的原子層，晶體內(nèi)部只有空位缺陷。晶體體積膨脹，密度下降。1、熱缺陷（晶格位置缺陷、熱缺陷（晶格位置缺陷) 缺陷、位錯能級缺陷、位錯能級LOGO2、雜質(zhì)缺陷(組成缺陷 ） 外來原子進入主晶格產(chǎn)生的缺陷。在原晶體結(jié)構(gòu)中進入了雜在原晶體結(jié)構(gòu)中進入了雜質(zhì)原子，它與固有

9、原子性質(zhì)不同，破壞了原子排列的周期性，質(zhì)原子，它與固有原子性質(zhì)不同，破壞了原子排列的周期性，雜質(zhì)原子在晶體中占據(jù)兩種位置：雜質(zhì)原子在晶體中占據(jù)兩種位置：（2） 替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)（1） 間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì) 缺陷、位錯能級缺陷、位錯能級LOGO點缺陷和位錯點缺陷和位錯 點缺陷：在三維尺寸均很小，只在某些位置發(fā)生，只影響鄰近幾個原子。是處于原子大小數(shù)量級上的缺陷 線缺陷（位錯)：缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短。在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生短。在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷。這種線缺陷又稱位錯。的缺陷