第二章半導體中雜質(zhì)和缺陷能級終稿

第二章半導體中雜質(zhì)和缺陷能級終稿第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.1.1替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)Si和Ge都具有金鋼石結構，一個原胞含有8個原子。原胞內(nèi)8個原子的體積與立方原胞體積之比為34%，原胞內(nèi)存在66%的空隙。金鋼石晶體結構中的四面體間隙位置金鋼石晶體結構中的六角形間隙位置第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級雜質(zhì)原子進入半導體硅后，只可能以兩種方式存在。一種方式是雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，常稱為間隙式雜質(zhì)；間隙式雜質(zhì)原子一般較小，如離子鋰（Li+）。另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格格點處，常稱為替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)原子通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結構也相似。用單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)，也就是雜質(zhì)濃度來定量描述雜質(zhì)含量多少，雜質(zhì)濃度的單位為1/cm3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi第3頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級

施主摻雜（摻磷）2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級SiP+SiSiSiSiSiSiSi-

磷替代硅，其效果是形成一個正電中心P+和一個多余的價電子。這個多余的價電子就束縛在正電中心P+的周圍（弱束縛）。第4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月+4+4+5+4多余價電子磷原子Ⅴ族元素有5個價電子，其中的四個價電子與周圍的四個硅原子形成共價鍵，還剩余一個電子，同時Ⅴ族原子所在處也多余一個正電荷，稱為正離子中心，所以，一個Ⅴ族原子取代一個硅原子，其效果是形成一個正電中心和一個多余的電子。電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導電電子的過程稱為雜質(zhì)電離。第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級多余的電子束縛在正電中心，但這種束縛很弱很小的能量就可使電子擺脫束縛，成為在晶格中導電的自由電子，而Ⅴ族原子形成一個不能移動的正電中心。硅、鍺中的Ⅴ族雜質(zhì)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導電電子并形成正電中心，稱為施主雜質(zhì)或N型雜質(zhì)，摻有N型雜質(zhì)的半導體叫N型半導體。施主雜質(zhì)未電離時是中性的，電離后成為正電中心。第6頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級帶有分立的施主能級的能帶圖施主能級電離能帶圖第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED。施主能級位于離導帶低很近的禁帶中雜質(zhì)原子間的相互作用可忽略，某一種雜質(zhì)的施主能級是一些具有相同能量的孤立能級。2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級表2-1硅、鍺晶體中Ⅴ族雜質(zhì)的電離能(eV)第8頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3受主雜質(zhì)受主能級2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級

受主摻雜（摻硼）SiB-SiSiSiSiSiSiSi+

硼原子接受一個電子后，成為帶負電的硼離子，稱為負電中心（B-）。帶負電的硼離子和帶正電的空穴間有靜電引力作用，這個空穴受到硼離子的束縛，在硼離子附近運動。第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月空穴B-+4+4+3+4Ⅲ族元素占據(jù)了硅原子的位置：Ⅲ族元素有3個價電子，它與周圍的四個硅原子形成共價鍵，還缺少一個電子，于是在硅晶體的共價鍵中產(chǎn)生了一個空穴，而Ⅲ族原子接受一個電子后所在處形成一個負離子中心，所以，一個Ⅲ族原子取代一個硅原子，其效果是形成一個負電中心和一個空穴第10頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.1.3受主雜質(zhì)、受主能級

空穴束縛在Ⅲ族原子附近，但這種束縛很弱很小的能量就可使空穴擺脫束縛，成為在晶格中自由運動的導電空穴，而Ⅲ族原子形成一個不能移動的負電中心。硅、鍺中的Ⅲ族雜質(zhì)，能夠接受電子而在價帶中產(chǎn)生空穴，并形成負電中心的雜質(zhì)，稱為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)，摻有P型雜質(zhì)的半導體叫P型半導體。受主雜質(zhì)未電離時是中性的，電離后成為負電中心。第11頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級受主能級電離能帶圖帶有分立的受主能級的能帶圖第12頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級EA。施主能級位于離價帶頂很近的禁帶中雜質(zhì)原子間的相互作用可忽略，某一種雜質(zhì)的受主能級是一些具有相同能量的孤立能級。2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級表2-2硅、鍺晶體中III族雜質(zhì)的電離能(eV)第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導體的雜質(zhì)原子向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導體的雜質(zhì)原子向半導體中提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中摻的B總結第14頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月總結

第15頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.1.4淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算采用類氫原子模型估算施主和受主雜質(zhì)的電離能氫原子中電子的能量：n=1時,基態(tài)電子能量n=時，氫原子電離E

=0氫原子的電離能第16頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級晶體內(nèi)雜質(zhì)原子束縛的電子：m0mn*,mp*;0

r

0

施主雜質(zhì)的電離能：Si:Ge:受主雜質(zhì)的電離能第17頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級氫原子半徑：施主雜質(zhì)半徑：基態(tài)下（n=1），氫原子的軌道半徑：作業(yè)：第二章習題7第二章習題8兩題都加上第三小問③請畫出雜質(zhì)能級的能帶圖第18頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.1.5雜質(zhì)的補償作用當半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)時，半導體是n型還是p型呢？在半導體中，若同時存在著施主和受主雜質(zhì)，施受主雜質(zhì)之間有互相抵消的作用，通常稱為雜質(zhì)的補償作用。ND>>NANA>>NDNA~ND~第19頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月1、當ND>>NA2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級因為受主能級低于施主能級，所以施主雜質(zhì)的電子首先躍遷到NA個受主能級上，還有ND-NA個電子在施主能級上，雜質(zhì)全部電離時，躍遷到導帶中的導電電子的濃度為n=ND-NA。即則有效施主濃度為NAeff≈ND-NAECEVEDEA第20頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2、當NA>>ND施主能級上的全部電子躍遷到受主能級上，受主能級上還有NA-ND個空穴，它們可接受價帶上的NA-ND個電子，在價帶中形成的空穴濃度p=NA-ND.即有效受主濃度為NAeff≈NA-NDECEVEDEA第21頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月3、當NAND時，不能向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴，稱為雜質(zhì)的高度補償.這種材料容易被誤認高純半導體，實際上含雜質(zhì)很多，性能很差，不能用采制造半導體器件.2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級第22頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)補償作用是制造各種半導體器件的基礎

如能根據(jù)需要用擴散或離子注人方法來改變半導體中某一區(qū)域的導電類型，以制成各種器件.

晶體管制造過程中的雜質(zhì)補償n型Si外延層PN硼磷2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級NN第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.1.6深能級雜質(zhì)

在半導體硅、鍺中，除Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在禁帶中形成淺能級外，其它各族元素摻入硅、鍺中也會在禁帶中產(chǎn)生能級第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級特點：1、施主雜質(zhì)能級距離導帶底較遠，受主雜質(zhì)能級距離價帶頂較遠，這種能級稱為深能級，相應的雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)。2、深能級雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離，每次電離對應有一個能級。有的雜質(zhì)既能引入施主能級，又能引入受主能級。第25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級第26頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級第27頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級金在鍺中產(chǎn)生的能級金在鍺中產(chǎn)生4個能級，ED是施主能級，EA1、EA2和EA3是受主能級。中性金原子只有一個價電子，它取代鍺原子后，金的這一價電子可以電離躍遷到導帶，形成施主能級ED。它也可以從價帶接受3個電子，形成三個受主能級。金有5種荷電狀態(tài)，Au+,Au0,Au-,Au--,Au---ECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在鍺中的能級第28頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質(zhì)能級

1、Ⅱ族元素為受主雜質(zhì)鈹、鎂、鋅、鎘取代Ⅲ族原子而處于晶格格點上，引入淺受主能級晶體雜質(zhì)鈹鎂鋅鎘GaAs0.0300.0300.0240.021GaP0.0560.0540.0640.009GaAs、GaP晶體中受主雜質(zhì)的電離能第29頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質(zhì)能級GaAs電子濃度和硅雜質(zhì)濃度的關系2、Ⅳ族雜質(zhì)在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是兩性摻雜劑

Ⅳ族元素取代Ⅲ族原子則起施主作用；Ⅳ族元素取代Ⅴ族原子則起受主作用。

導帶中電子濃度隨硅雜質(zhì)濃度的增加而增加，當硅雜質(zhì)濃度增加到一定程度時趨于飽和。硅先取代Ga原子起施主作用，隨著硅濃度的增加，硅取代As原子起受主作用。第30頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質(zhì)能級

3、Ⅵ族元素取代Ⅴ族原子，引入施主能級

Ⅵ族元素氧、硫、硒、碲比Ⅴ族元素多一個價電子而且容易失去，所以表現(xiàn)為施主雜質(zhì)。晶體雜質(zhì)硫硒碲GaAs0.0060.0060.03GaP0.1040.1020.0895GaAs、GaP晶體中受主雜質(zhì)的電離能（eV)第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質(zhì)能級4、摻過渡族元素，制備高電阻率的半絕緣GaAs5、Ⅲ族的B、Al取代Ga,Ⅴ族的P，銻取代As既不是施主也不是受主雜質(zhì)。6、摻Ⅰ族元素，一般起受主作用。第32頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3氮化鎵的雜質(zhì)能級目前常用硅作為GaN的n型摻雜，用鎂，鋅作為GaN的p型摻雜。硅作為施主的電離能：0.012~0.02eV鎂作為受主的電離能：0.14~0.21eV第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3缺陷、位錯能級2.3.1點缺陷

間隙原子缺陷：只有間隙原子而無原子空位

肖特基缺陷：晶體內(nèi)形成空位而無間隙原子。弗倉克耳缺陷：間隙原子和空位成對出現(xiàn)。硅、鍺材料中空位表現(xiàn)為受主；間隙原子表現(xiàn)為施主

第34頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3缺陷、位錯能級化合物半導體中，利用成分偏離正常的化學比的現(xiàn)象來控制材料的導電類型化合物中的替位原子，如Ga取代As的位置起受主作用；As取代Ga的位置起施主作用，這種點缺陷稱為反結構缺陷第35頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3缺陷、位錯能級2.3.2位錯線位錯（在一條線附近原子的排列偏離了嚴格的周期性）面位錯（在一個面附近原子的排列偏離了嚴格的周期性）根據(jù)實驗測得：Si中位錯能級在價帶頂上面0.03~0.09eV處Ge中的位錯能級在導帶底下面0.2~0.35eV處都屬于深受主能級當位錯密度較高時，由于它和雜質(zhì)之間的補償作用，