半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)

第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)1精選課件2精選課件2.1.1、雜質(zhì)的類型

雜質(zhì)：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（1）替位式雜質(zhì)：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（2）間隙式雜質(zhì)：通常這種雜質(zhì)的原子半徑是比較小的

（3）雜質(zhì)濃度：單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)

3精選課件舉例：Si中摻磷P（Si：P）

2.1.2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程稱為雜質(zhì)電離。4精選課件2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級(jí)在Si單晶中，V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)（b）中性施主態(tài)5精選課件雜質(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

△ED=EC-EDECEDEV施主能級(jí)：將被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)電子濃度n0>空穴濃度p06精選課件2.1.3受主雜質(zhì)、受主能級(jí)舉例：Si中摻硼B(yǎng)（Si：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)空穴的過程，稱為雜質(zhì)電離。7精選課件在Si單晶中，Ⅲ族受主替位雜質(zhì)兩種荷電狀態(tài)的價(jià)鍵圖（a）電離態(tài)（b）中性受主態(tài)8精選課件△EA=EA-EVECEAEV空穴濃度p0>電子濃度n0受主能級(jí)：把被受主雜質(zhì)所束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)。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△EA=EA-EV9精選課件雜質(zhì)半導(dǎo)體1、n型半導(dǎo)體：特征：a、施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中出現(xiàn)施主提供的電子b、電子濃度n>空穴濃度p2、p型半導(dǎo)體：特征：a、受主雜質(zhì)電離，價(jià)帶中出現(xiàn)受主提供的空穴

b、空穴濃度p>電子濃度n10精選課件雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶之中

Ec雜質(zhì)能級(jí)

Ev

11精選課件上述雜質(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12精選課件2.1.4淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算（1）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)=雜質(zhì)離子+束縛電子（空穴）13精選課件（2）氫原子基態(tài)電子的電離能氫原子電子滿足：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淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算14精選課件正、負(fù)電荷所處介質(zhì)：15精選課件估算結(jié)果與實(shí)際測(cè)

量值有相同數(shù)量級(jí)Ge：△ED～0.0064eVSi:△ED～0.025eV16精選課件2.1.5、雜質(zhì)的補(bǔ)償作用1、本征激發(fā)與本征半導(dǎo)體（1）本征激發(fā)：在純凈半導(dǎo)體中，載流子的產(chǎn)生必須依靠價(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)。17精選課件即：n0=p0=ni（ni為本征載流子濃度）

（2）本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體就是

本征半導(dǎo)體。ni=ni（T）電子濃度空穴濃度n0=p0=ni18精選課件在室溫（RT=300K）下：

ni（Ge）≌2.4×1013cm-3

ni（Si）≌1.5×1010cm-3ni（GaAs）≌1.6×106cm-3ni——本征載流子濃度19精選課件（3）n型半導(dǎo)體與p型半導(dǎo)體

(A)如施主濃度ND>nin型半導(dǎo)體(B)如受主濃度NA>nip型半導(dǎo)體

當(dāng)半導(dǎo)體中摻入一定量的淺施主或淺受主時(shí)，因其離化能△ED或△EA很?。ā玆T下的kT=0.026eV）,所以它們基本上都處于離化態(tài)。20精選課件(4)雜質(zhì)的補(bǔ)償,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-NA>ni

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n型半導(dǎo)體EDEAUESTCNuoLiu21精選課件（B）NA>ND時(shí)

ED

EA所以：有效的受主濃度ND*=ND-NA>nip型半導(dǎo)體因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”，剩余的束縛空穴再電離到價(jià)帶上。22精選課件（C）NA≈ND時(shí)

雜質(zhì)的高度補(bǔ)償

23精選課件※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，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。24精選課件2.1.6深能級(jí)雜質(zhì)（1）淺能級(jí)雜質(zhì)（2）深能級(jí)雜質(zhì)△ED≮Eg△EA≮EgEAEDEDEAEcEcEvEv△ED《Eg△EA《Eg雜質(zhì)在半導(dǎo)體禁帶中產(chǎn)生的能級(jí)距帶邊較遠(yuǎn)UESTCNuoLiu25精選課件深能級(jí)雜質(zhì)的特征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)受主主要位于禁帶中線上。26精選課件例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五種可能的狀態(tài)：（1）Au+；（2）Au0（3）Au一

（4）Au二

（5）Au三。2、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。27精選課件（1）Au+：Au0–eAu+△EEgECEVED失去唯一的價(jià)電子，產(chǎn)生施主能級(jí)ED。28精選課件（2）Au一：Au0+eAu一△EA1ECEAEVAu接受一個(gè)電子后變成Au-，產(chǎn)生受主能級(jí)EA129精選課件（3）Au二：Au一+eAu二

ECEA2EA1EV△E=△EAu接受兩個(gè)電子后變成Au=，產(chǎn)生受主能級(jí)EA230精選課件（4）Au三：Au二+eAu三Au接受三個(gè)電子后變成Au三，產(chǎn)生受主能級(jí)EA331精選課件Au在Si中既可作施主，又可作受主，稱為兩性雜質(zhì)；如果在Si中摻入Au的同時(shí)又摻入淺受主雜質(zhì)，Au呈施主作用；反之，若同時(shí)摻入施主雜質(zhì)，則Au呈受主作用。ECEVEAED32精選課件由于電子間的庫侖排斥力的作用，Au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)要大，接受第三個(gè)對(duì)比第二個(gè)大，所以EA3>EA2>EA1。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)電電子濃度，導(dǎo)電空穴濃度和材料的導(dǎo)電類型的影響沒有淺能級(jí)雜質(zhì)顯著，但對(duì)載流子的復(fù)合作用比淺能級(jí)雜質(zhì)強(qiáng)得多。33精選課件2.4Ⅲ-Ⅴ族化合物中德爾雜質(zhì)能級(jí)（1）等電子雜質(zhì)特征：a、與本征元素同族但不同原子序數(shù)例：GaP中摻入Ⅴ族的N或Bib、以替位形式存在于晶體中，基本上是電中性的。34精選課件（2）等電子陷阱

等電子雜質(zhì)（如N）占據(jù)本征原子位置（如GaAsP中的P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。

NNP35精選課件(3)束縛激子

例：GaP：NNP+eNP-（等電子陷阱）之后NP-+h

NP-+h束縛激子即等電子陷阱俘獲一種符號(hào)的載流子后，又因帶電中心的庫侖作用又俘獲另一種帶電符號(hào)的載流子，這就是束縛激子。36精選課件(4)兩性雜質(zhì)舉例：GaAs中摻Si（Ⅳ族）Ga：Ⅲ族As：Ⅴ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)。SiGa受主SiAs施主兩性雜質(zhì)37精選課件2.4缺陷能級(jí)2.4.1點(diǎn)缺陷空位：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38精選課件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)——弗侖克爾缺陷。39精選課件（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）消失過程：空位和間隙原子的產(chǎn)生過程都可以倒過來進(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.40精選課件2、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)。41精選課件