半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)

1、第二章第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)2.1.12.1.1、雜質(zhì)的類型、雜質(zhì)的類型 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。 雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的分布狀況雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的分布狀況 （1 1）替位式雜質(zhì)）替位式雜質(zhì) ：雜質(zhì)原子與被替代的晶格原子的大：雜質(zhì)原子與被替代的晶格原子的大小比較相近，而且其價(jià)電子層結(jié)構(gòu)也比較相近小比較相近，而且其價(jià)電子層結(jié)構(gòu)也比較相近（2 2）間隙式雜質(zhì)：通常這種雜質(zhì)的原子半徑是比較小的）間隙式雜質(zhì)：通常這種雜質(zhì)的原子半徑是比較小的 （3 3）雜質(zhì)濃度：?jiǎn)挝惑w積中的雜質(zhì)原子數(shù)）雜質(zhì)濃度：?jiǎn)挝惑w積中的雜質(zhì)原子

2、數(shù)舉例：舉例：SiSi中摻磷中摻磷P P（SiSi：P P） 2.1.2 2.1.2 施主雜質(zhì)、施主能級(jí)施主雜質(zhì)、施主能級(jí)施主雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體材料提供導(dǎo)電電子的雜質(zhì),稱為施主雜質(zhì)或者N型雜質(zhì)雜質(zhì)電離價(jià)電子脫離雜質(zhì)原子成為自由電子的過(guò)程稱為雜質(zhì)電離。2.1.2 2.1.2 施主雜質(zhì)、施主能級(jí)施主雜質(zhì)、施主能級(jí)在在SiSi單晶中，單晶中，V V族施主替位雜質(zhì)兩種荷電狀態(tài)的價(jià)鍵圖族施主替位雜質(zhì)兩種荷電狀態(tài)的價(jià)鍵圖（a）電離態(tài)電離態(tài)（b）中性施主態(tài)中性施主態(tài)雜質(zhì)電離能：是使被俘獲的電子擺脫束縛，從而可以成為導(dǎo)電電子所需的能量ED=EC-ED ECEDEV 施主能級(jí)：將被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主

3、能級(jí)電子濃度n0空穴濃度p02.1.3 2.1.3 受主雜質(zhì)、受主能級(jí)受主雜質(zhì)、受主能級(jí)舉例：舉例：SiSi中摻硼中摻硼B(yǎng) B（SiSi：B B）受主雜質(zhì)B在晶體中而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，被稱為受主雜質(zhì)或者P型雜質(zhì)雜質(zhì)電離受主雜質(zhì)接受一個(gè)電子，在晶體中產(chǎn)生一個(gè)空穴的過(guò)程，稱為雜質(zhì)電離。 在在SiSi單晶中，單晶中，族受主替位雜質(zhì)兩種荷電狀態(tài)的族受主替位雜質(zhì)兩種荷電狀態(tài)的價(jià)鍵圖（價(jià)鍵圖（a a）電離態(tài)（電離態(tài)（b b）中性受主態(tài)中性受主態(tài)ECEAEV 空穴濃度p0電子濃度n0l受主能級(jí)：把被受主雜受主能級(jí)：把被受主雜質(zhì)所束縛的空穴的能量質(zhì)所束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)狀態(tài)稱為受主能級(jí)。 受主電離能：

4、受主電離能：是使被俘獲的空擺脫束縛，從而可以參與傳導(dǎo)電流所需的能量E EA A=E=EA A-E-EV V 雜雜 質(zhì)質(zhì) 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體1 1、n n 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體： 特征：特征： a a、施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中出現(xiàn)施主提供的電子中出現(xiàn)施主提供的電子 b b、電子濃度電子濃度nn空穴濃度空穴濃度p p2 2、p p 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體： 特征特征： a a、受主雜質(zhì)電離，價(jià)帶受主雜質(zhì)電離，價(jià)帶中出現(xiàn)受主提供的空穴中出現(xiàn)受主提供的空穴 b b、空穴濃度空穴濃度pp電子濃度電子濃度n n雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶之中雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶之中 Ec 雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí) Ev 上述雜質(zhì)的特點(diǎn)：上述

5、雜質(zhì)的特點(diǎn)：施主電離能ED Eg受主電離能 EA Eg 淺能級(jí)雜質(zhì)雜質(zhì)的雙重作用： 1、改變半導(dǎo)體的電阻率 2、決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型即：雜質(zhì)在半導(dǎo)體禁帶中產(chǎn)生的能級(jí)距帶邊較近2.1.4 2.1.4 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算（1 1）用類氫原子模型估算淺能級(jí)雜質(zhì)的電離能）用類氫原子模型估算淺能級(jí)雜質(zhì)的電離能淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì) = = 雜質(zhì)離子雜質(zhì)離子 + + 束縛電子（空穴）束縛電子（空穴）（2） 氫原子基態(tài)電子的電離能氫原子基態(tài)電子的電離能) 2(h8qmEEE2204010 ) 1 ()()(44022022rErrqmhn 321,8222040nnhqmEn

6、2204018hqmE0E氫原子電子滿足：解得電子能量：氫原子基態(tài)能量：氫原子的電離能：故基態(tài)電子的電離能：2.1.4 2.1.4 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算正、負(fù)電荷所處介質(zhì)：正、負(fù)電荷所處介質(zhì)：分別為電導(dǎo)有效質(zhì)量和*p*nmmr4q) r (Ur02電勢(shì)能r0) 3(Emmh8qmE2r00*n22r204*nD施主電離能)4(Emmh8qmE2r00*p22r204*pA受主電離能) 2(h8qmEEE2204010 估算結(jié)果與實(shí)際測(cè) 量值有相同數(shù)量級(jí) Ge： ED 0.0064 eV Si: ED 0.025 eV 2.1.2.1.5 5、雜、雜 質(zhì)質(zhì) 的的

7、補(bǔ)補(bǔ) 償償 作作 用用1 1、本征激發(fā)與本征半導(dǎo)體、本征激發(fā)與本征半導(dǎo)體（1 1）本征激發(fā)：）本征激發(fā)：在純凈半導(dǎo)體中，載流子的產(chǎn)生必須依靠?jī)r(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，它的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)帶電子就相應(yīng)在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)空穴，即電子和空穴是成對(duì)產(chǎn)生的。這種激發(fā)稱為本征激發(fā)本征激發(fā)。即：即：n0=p0=ni（ ni為本征載流子濃度）為本征載流子濃度）（2 2）本征半導(dǎo)體：）本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體就是 本征半導(dǎo)體。n ni i= n= ni i（T T）電子濃度電子濃度空穴濃度空穴濃度n0=p0=ni 在室溫（在室溫（RT=300K）下：下： ni （Ge） 2.41013cm-3 ni （Si）

8、 1.51010cm-3 ni （GaAs） 1.6106cm-3（3 3）n n型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體( (A)A)如如施主濃度施主濃度N ND Dnni i n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(B)如受主濃度NAni p型半導(dǎo)體UESTC Nuo Liu(4)(4)雜質(zhì)的補(bǔ)償雜質(zhì)的補(bǔ)償, ,既摻有施主又摻有受主既摻有施主又摻有受主（A）ND(施主濃度） NA（受主濃度）時(shí) 所以：有效的施主濃度 ND*=ND-NAni 因 EA 在 ED 之下，ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩余的束縛電子再電離到導(dǎo)帶上。補(bǔ)償半導(dǎo)體補(bǔ)償半導(dǎo)體n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體E

9、DEA（B）NAND時(shí)時(shí) ED EA所以：有效的受主濃度 ND*=ND-NAnip p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 因因 E EA A 在在 E ED D 之下之下， E ED D上的束縛電子首上的束縛電子首先填充先填充E EA A上的空位，上的空位，即施主與受主先相互即施主與受主先相互“抵消抵消”，剩余的束，剩余的束縛空穴再電離到價(jià)帶縛空穴再電離到價(jià)帶上。上。（C）NAND時(shí)時(shí) 雜質(zhì)的高度補(bǔ)償雜質(zhì)的高度補(bǔ)償 就實(shí)際而言：半導(dǎo)體的最重要的性質(zhì)之一，就實(shí)際而言：半導(dǎo)體的最重要的性質(zhì)之一，就是能夠利用施主和受主雜質(zhì)兩種雜質(zhì)進(jìn)行參雜，就是能夠利用施主和受主雜質(zhì)兩種雜質(zhì)進(jìn)行參雜，并利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，根據(jù)人們的需

10、要改變半并利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，根據(jù)人們的需要改變半導(dǎo)體中某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以制成各種器件。導(dǎo)體中某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以制成各種器件。UESTC Nuo Liu2.1.6 2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)（1）淺能級(jí)雜質(zhì)）淺能級(jí)雜質(zhì)（2）深能級(jí)雜質(zhì)）深能級(jí)雜質(zhì)E D EgEA EgEAE DE DEAEcEcEvEvEDEgEAEg雜質(zhì)在半導(dǎo)體禁帶中產(chǎn)生的能級(jí)距帶邊較遠(yuǎn)深能級(jí)雜質(zhì)的特征深能級(jí)雜質(zhì)的特征 1 1 、淺能級(jí)施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶，淺能級(jí)受主能級(jí)靠淺能級(jí)施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶，淺能級(jí)受主能級(jí)靠近價(jià)帶；深能級(jí)施主則主要位于禁帶中線下，深能級(jí)近價(jià)帶；深能級(jí)施主則主要位于禁帶中線下，深能級(jí)受主主要位于

11、禁帶中線上。受主主要位于禁帶中線上。例例1 1：AuAu（族族）在在GeGe中中 Au Au在在GeGe中共有五種可能的狀態(tài)：中共有五種可能的狀態(tài)： （1 1）AuAu+ +；（；（2 2） Au Au0 0 （3 3） Au Au一一 （4 4） Au Au二二 （5 5） Au Au三三。2 2、多重能級(jí)特性：一些深能級(jí)雜質(zhì)產(chǎn)生多次電、多重能級(jí)特性：一些深能級(jí)雜質(zhì)產(chǎn)生多次電離，導(dǎo)致多重能級(jí)特性。離，導(dǎo)致多重能級(jí)特性。（1 1）AuAu+ +： Au0 e Au+EEgECEVED失去唯一的價(jià)電子，產(chǎn)生施主能級(jí)ED。（2 2） Au Au一：一： AuAu0 0 + e Au+ e Au一一

12、EA1ECEAEVAu接受一個(gè)電子后變成Au-，產(chǎn)生受主能級(jí)EA1（3 3） Au Au二：二：AuAu一一 + + e Aue Au二二ECEA2EA1EVE=EAu接受兩個(gè)電子后變成Au=，產(chǎn)生受主能級(jí)EA2（4 4） Au Au三：三： Au二 + e Au三Au接受三個(gè)電子后變成Au三，產(chǎn)生受主能級(jí)EA3Au在在Si中既可作施主中既可作施主，又可作受主，稱為，又可作受主，稱為兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì)；如果在如果在Si中摻入中摻入Au的的同時(shí)又摻入淺受主雜同時(shí)又摻入淺受主雜質(zhì)，質(zhì)，Au呈施主作用呈施主作用；反之，若同時(shí)摻入施反之，若同時(shí)摻入施主雜質(zhì)，則主雜質(zhì)，則Au呈受主呈受主作用。作用。ECE

13、VEAED 由于電子間的庫(kù)侖排斥力的作用，由于電子間的庫(kù)侖排斥力的作用，AuAu從價(jià)帶接從價(jià)帶接受第二個(gè)電子所需的電離能比接受第一個(gè)電子時(shí)要受第二個(gè)電子所需的電離能比接受第一個(gè)電子時(shí)要大，接受第三個(gè)對(duì)比第二個(gè)大，所以大，接受第三個(gè)對(duì)比第二個(gè)大，所以E EA3A3EEA2A2EEA1A1。 深能級(jí)雜質(zhì)在半導(dǎo)體中以替位式的形態(tài)存在，深能級(jí)雜質(zhì)在半導(dǎo)體中以替位式的形態(tài)存在，一般情況下含量極少，它們對(duì)半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子一般情況下含量極少，它們對(duì)半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子濃度，導(dǎo)電空穴濃度和材料的導(dǎo)電類型的影響沒(méi)有濃度，導(dǎo)電空穴濃度和材料的導(dǎo)電類型的影響沒(méi)有淺能級(jí)雜質(zhì)顯著，淺能級(jí)雜質(zhì)顯著，但對(duì)載流子的復(fù)合作用比

14、淺能級(jí)但對(duì)載流子的復(fù)合作用比淺能級(jí)雜質(zhì)強(qiáng)得多。雜質(zhì)強(qiáng)得多。2.4-族化合物中德?tīng)栯s質(zhì)能級(jí)（1）等電子雜質(zhì)）等電子雜質(zhì)特征：特征：a、與本征元素同族但不同原子序數(shù)與本征元素同族但不同原子序數(shù) 例：例：GaP中摻入中摻入族的族的N或或Bi b、以替位形式存在于晶體中，基本上以替位形式存在于晶體中，基本上 是電中性的。是電中性的。（2 2）等電子陷阱）等電子陷阱 等電子雜質(zhì)（如等電子雜質(zhì)（如N）占據(jù)本征原子位置占據(jù)本征原子位置（如（如GaAsP中的中的P位置）后，即位置）后，即存在著由核心力引起的短程作用力，它們可以吸引一個(gè)導(dǎo)帶電子（空穴）而變成負(fù)（正）離子，前者就是電子陷阱，后者就是空穴陷阱。 N

15、 NP(3)(3)束縛激子束縛激子 例：例：GaP：N NP+e NP-（等電子陷阱）等電子陷阱）之后之后 NP- +h NP- +h 束縛激子束縛激子 即等電子陷阱俘獲一種符號(hào)的載流子后，即等電子陷阱俘獲一種符號(hào)的載流子后，又因帶電中心的庫(kù)侖作用又俘獲另一種帶電符又因帶電中心的庫(kù)侖作用又俘獲另一種帶電符號(hào)的載流子，這就是號(hào)的載流子，這就是束縛激子束縛激子。(4)(4)兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì) 舉例：舉例：GaAs中摻中摻Si（族）族） Ga：族族 As：族族 兩性雜質(zhì)：在化合物半導(dǎo)體中，某種雜質(zhì)在其 中既可以作施主又可以作受主，這 種雜質(zhì)稱為兩性雜質(zhì)。Si Ga受主SiAs施主兩性雜質(zhì)2.4 缺 陷

16、 能 級(jí)2.4.1 2.4.1 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷空位：指本體原子缺位；空位：指本體原子缺位；間隙：指不應(yīng)有原子的地方加入了一個(gè)原子間隙：指不應(yīng)有原子的地方加入了一個(gè)原子1、空位、間隙的產(chǎn)生與消失（1）由體內(nèi)產(chǎn)生：在較高溫度下，極少數(shù)的原子熱運(yùn)動(dòng)特別激烈，克服周圍原子化學(xué)鍵束縛而脫離格點(diǎn)，形成間隙原子，原先所處的位置成為空位。這時(shí)空位和間隙原子成對(duì)出現(xiàn)弗侖克爾弗侖克爾缺陷。缺陷。（2）由表面產(chǎn)生：在表面空位和間隙原子都可以單獨(dú)的產(chǎn)生，然后擴(kuò)散到體內(nèi)。這時(shí)空位和間隙原子的數(shù)目也是獨(dú)立變化的。（3）消失過(guò)程：空位和間隙原子的產(chǎn)生過(guò)程都可以倒過(guò)來(lái)進(jìn)行。 在溫度保持一定條件下，產(chǎn)生和消失可以達(dá)到相對(duì)的平衡，這時(shí)空位和間隙原子的濃度將保持相對(duì)穩(wěn)定.以上兩種由溫度決定的點(diǎn)缺陷又稱為熱缺陷.2、位錯(cuò)能級(jí)（主要指線缺陷）、位錯(cuò)能級(jí)（主要指線缺陷） 如圖，在位錯(cuò)所在處，有一個(gè)不成對(duì)的電子成為不飽和的共價(jià)鍵： 若這一不飽和鍵獲得一個(gè)電子，起受主作用；而當(dāng)原子E失去一個(gè)價(jià)電子，則起施主作用。一般情況下位錯(cuò)傾向于得到電子，起受主作用，而且產(chǎn)生的受主能級(jí)是深能級(jí)。 位錯(cuò)周圍的晶格發(fā)生畸變，引起能帶結(jié)構(gòu)的變化。