当前位置：文档之家 › 第二章半导体中杂质和缺陷

第二章半导体中杂质和缺陷

  • 格式：ppt
  • 大小：1.06 MB
  • 文档页数：50

下载文档原格式

  / 50

合集下载

第二章 半导体中的杂质和缺陷

第二章 半导体中的杂质和缺陷
●
Si ‖ Si ‖ Si ‖
= = =
氢原子中的电子的运动轨道半径为：
n＝1为基态电子的运动轨迹 Si中受正电中心P+束缚的电子的运动轨道半径： ( r )Si o h2 2 r n * 2 me q (εr)Si＝12 me*＝0.4m0
r o h 2 rH n 2 moq
（2）晶格中的点缺陷
空位 VAs、VGa 间隙原子Gal、Asl 反结构缺陷——Ga原子占据As空位，或As原子占据 Ga空位，记为GaAs和AsGa
化合物晶体中的各类点缺陷可以电离，释放出电 子或空穴，从而影响材料的电学性质。
当Ga的位臵被As取代后，多出一个电子，相当于施主 当As的位臵被Ga取代后，少一个电子，相当于受主
等电子杂质：某些III-V族化合物中掺入某些III、V族元素杂
质时，杂质取代基质中的同族原子后，基本上仍呈电中性，由于 它与被取代的原子共价半径和电负性有差别，能俘获某种载流子 而成为带电中心，这个带电中心称为等电子陷阱。 Ⅳ族元素起两性杂质作用。双性杂质：既可起施主作用，又
能起受主杂质作用。如GaAs中的Si，但Si总效果为施主杂质。
Ec
△ED
ED
mn 1 mo g 4 E D 2 2 2 mo r 2 8 o 2 h 2 8 r o h mn g
*
*
4
*
mn 1 EH =Ec－ED 2 mo r
在Si、Ge中掺P
Si : me*= 0.26m0 Ge : me*= 0.12m0 εrSi =12，εr Ge =16
●
Si ‖ Si ‖ Si ‖
= = =
2. 缺陷的类型
（1）空位和填隙
Si = Si = Si = ‖ ︱ ‖ = Si － 〇 － Si = ‖ ︱ ‖ = Si = Si = Si = ‖ ‖ ‖ =

第二章半导体中的杂质和缺陷

第二章半导体中的杂质和缺陷

Ec EA3
EA2
EA1
ED
Ev
EA3=EC－0.04eV
§2.1.6 深能级杂质
三个基本特点：
一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大； 二、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生
受主能级。 三、能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在
第五章详细讨论）。 四、深能级杂质电离后为带电中心，对载流子起散射作
ED
Ev
§2.1.6 深能级杂质
2，Au获得一个电子－－－受主 Au0 ＋e＝ Au-
Ec
EA1= EV + 0.15eV
EA1
ED
Ev
§2.1.6 深能级杂质
3，Au获得第二个电子 Au- ＋e＝ Au--
Ec
EA2
EA1
ED
Ev
EA2=EC－0.2eV
§2.1.6 深能级杂质
4，Au获得第三个电子 Au-- ＋e＝ Au---
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
实际材料中 总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或
缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常 常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影 响。
杂质能级位于禁带之中
Ec
杂质能级
Ev
杂质和缺陷 原子的周期性势场受到破坏
在禁带中引入能级 决定半导体的物理和化学性质
§2.1.2 施主杂质 施主能级
Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）
晶
杂
质
体
P
As
Sb
Si 0.044 0.049
0.039
Ge 0.0126 0.0127 0.0096
§2.1.3 受主杂质 受主能级

第二章半导体中杂质和缺陷能级

第二章半导体中杂质和缺陷能级

n=时，氢原子电离： E=0 氢原子的电离能：
信息科学与工程技术学院
E0 E E1 13.6eV
* mn 0.12m0 半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
• 晶体内杂质原子束缚的电子： m0mn*, mp*; 0 r0 * 4 * * mn E 0 mn 施主杂质的电离能：E mn q 13.6 D 2 2 2 2 m0 r 8 r 0 h m0 r2 Si:
信息科学与工程技术学院
半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
间隙式杂质、替位式杂质
(a) 间隙式扩散(interstitial) (b) 替位式扩散(substitutional)
间隙式杂质： O, Fe, Ni, Zn, Mg
杂质原子比较小
信息科学与工程技术学院
替位式杂质 P，B，As, Al, Ga, Sb, Ge
• 2.1.2 施主杂质、施主能级
+
信息科学与工程技术学院
半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
• 2.1.2 施主杂质、施主能级
多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱 很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中 导电的自由电子，而Ⅴ族原子形成一个不能移动 的正电中心。 硅、锗中的Ⅴ族杂质，能够施放电子而在导带 中产生电子并形成正电中心，称为施主杂质或N 型杂质，掺有N型杂质的半导体叫N型半导体。施 主杂质未电离时是中性的，电离后成为正电中心。
信息科学与工和缺陷能级
总结
受主杂质
信息科学与工程技术学院
施主杂质
半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级

第二章_半导体杂质和缺陷能级

第二章_半导体杂质和缺陷能级
例如二元化合物AB中，替位原子可以有两种，A取代B的称
为AB，B取代A的称为BA。
一般认为AB是受主，BA是施主。因为B的价电子比A的多， B取代A后，有把多余的价电子施放给导带的趋势；相反，A取 代B后则有接受电子的倾向。例如在砷化镓中，砷取代镓原子为 AsGa，起施主作用，而镓取代砷原子为GaAs，起受主作用。这种 点缺陷也称为反结构缺陷。
掺杂浓度及掺杂时的外界条件有关。
两性杂质

两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的 杂质。
如Ⅲ-Ⅴ族GaAs中掺Ⅳ族Si。



如果Si替位Ⅲ族As，则Si为施主；
如果Si替位Ⅴ族Ga，则Si为受主。

所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。
5、VI族元素
氧、硫、硒、碲与V族元素性质相近，常取代V族原子。
在离子性强化合物的半导体，由于组成晶 体的元素偏离正常化学比而形成的缺陷。
A B A B A B
VA
B
B A B A
A B A B A B B A B A B A A B A A B VB B A B A B A
偏离化学比缺陷

PbS
S空位 Pb 空位 脱氧
n型 p型 n型

ZnO
替位式原子（反结构缺陷）
当ND>>NA时

n= ND-NA ≈ ND，半导体是n型的

当ND<<NA时

p= NA-ND ≈ NA，半导体是p型的
杂质的高度补偿 补偿后半导体中的净杂质浓度。

当ND≈NA时


有效杂质浓度


当ND>NA时

ND-NA 为有效施主浓度

半导体中的杂质和缺陷

半导体中的杂质和缺陷
△EA2

（5） Au三： Au二 + e
Au三
△EA3=
EC EA3 EA2
EA1 EV
7、等电子陷阱
（1）等电子杂质 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 b、以替位形式存在于晶体中，基本 上是电中性的。 条件：电负性、共价半径相差较大 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半 径越小。 等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时， 取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。 原子的电负性是描述化合物分子中组成原子吸引电 子倾向强弱的物理量，显然与原子的电离能、亲合 能及价态有关
等电子杂质（如N）占据本征原子位置 （如GaP中的P位置）后，即
N
NP
N 的共价半径为 0.07nm，电负性为3.0; P 的共价半径为 0.11nm，电负性为2.1 所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以 吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱， 相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成 正离子这就是空穴陷阱。
（4）四族元素，两性杂质
举例：GaAs 中 掺 Si（Ⅳ族） Ga：Ⅲ族 As：Ⅴ族
Si Ga 两性杂质 SiAs
施主 受主
两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在 其中既可以作施主又可以作受 主，这 种杂质称为两性杂质。
（5）六族元素，常取代五族元素，施主杂质
（6）过渡族元素除钒产生施主能级，其余均产生 受主能级
（1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ； （4） Au二 ； （5） Au三。

（1）Au+： Au0 – e
Au+
EC Eg
ED
△E D
EV (2) Au0 电中性态

第二章 半导体中的杂质和缺陷

第二章 半导体中的杂质和缺陷
Au在Ge中共有五种可能的状态： （1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ； （4） Au二 ； （5） Au三。
半导体物理学
22
深能级的基本特点： 1、含量极少，而且能级较深，不易在室温下电离， 对载流子浓度影响不大； 2、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也 产生受主能级。 3、能级位臵利于促进载流子的复合，其复合作用 比浅能级杂质强，使少数载流子寿命降低，称 这些杂质为复合中心杂质。（在第五章详细讨 论） 4、深能级杂质电离后对载流子起散射作用，使载 流子迁移率减少，导电性能下降。
半导体物理学
7
施主电离
ED
ED
EC
△ED=EC-ED
ED
电离的结果：导带中的电子数增 加了，这即是掺施主的意义所在。
Eg
施 主 电 离 能：△ED=EC-ED
EV
半导体物理学
8
2.1.3
受主杂质
受主能级
受主杂质 III 族元素在硅、锗中电离时能够接受 电子而产生导电空穴并形成负电中心， 称此类杂质为受主杂质或p型杂质。
浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（空穴）
正、负电荷所处介质：
半导体物理学
0 r
14
q2 电势能 U( r ) 40 r r
mn q mn E0 施主电离能 E D 2 (3) 2 2 2 m0 r 8 0 r h
E0 受主电离能 E A 2 ( 4) 2 2 2 m0 r 8 0 r h mp q
概念：受主电离 受主电离能 p型半导体
受主能级
半导体物理学
9
以硅中掺In为例： In原子占据硅原子的位臵， 与周围的四个硅原于形成共价 键时还缺一个电子，就从别处 夺取价电子，这就在Si形成了 一个空穴。这时In原子就成为 多了一个价电子的离子，它是 一个不能移动的负电中心。空 穴只要很少能量就可挣脱束缚， 成为导电空穴在晶格中自由运 动。

[理学]第二章半导体中杂质和缺陷能级

[理学]第二章半导体中杂质和缺陷能级

三. 受主杂质和受主能级
当III族元素B在Si中成为替位式杂质且电离时， 能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心， 称它们为受主杂质或p型杂质。
❖ 2．受主能级
由于B原子欲成4 个共价键尚缺少一个价电子，这样， B原子附近的Si原子共价键上的电子并不需要增加多少能 量就可很容易地填补到B原子这个“空缺”的价键上来， 并在原来的价键上留下一个新的“空缺”，这就相当于 “空缺”在晶体中产生了移动。显然，这个“空缺”还会 以同样的机制继续在半导体中运动。从能带上讲就是，由 于受主杂质B原子的掺入，在Si的禁带中价带的上方附近 将引入一个能级，它就是受主能级EA，它与价带顶EV 之 差就是受主电离能。
❖ 杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们底共同作用会使 载流子减少，这种作用称为杂质补偿。在制造半导体器件底过程中，通 过采用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电类型或电阻率。
❖ 高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，则不 能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高等补偿。这种材料容易被误 认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造 半导体器件。
❖ 中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价带再接受 三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级。价带激发一个电 子给Au0，使之成为单重电受主离化态Au-，电离能为EA1-Ev ；从价带
再激发一个电子给Au-使之成为二重电受主离化态 ，A所u＝需能量为EA2-
Ev；从价带激发第三个电子给使之成为三重电受主离化态 ，A所u 需
❖ 通常情况下半导体中杂质浓度不是特别高，半导体中杂质 分布很稀疏，因此不必考虑杂质原子间的相互作用，被杂 质原子束缚的电子(空穴)就像单个原子中的电子一样，处 在互相分离、能量相等的杂质能级上而不形成杂质能带。

第二章 半导体中的杂志和缺陷

第二章 半导体中的杂志和缺陷

5、深能级杂质
Ec ED Ev EA
（1）浅能级杂质
△ED《Eg △EA《Eg
Ec
△E D ED △EA EA
（2）深能级杂质
△E D≮Eg △EA≮Eg
Ev
非Ⅲ 族或Ⅴ族的杂质元素在Ge、Si中所产生的 杂质能级位置靠近禁带中线Ei,即产生的施主和 受主能级距Ec或Ev较远，称为深能级杂质。 特点：深能级杂质能产生多次电离，每次电离 相应地有一个能级，所以深能级具有多重能级。 杂质即能引入施主能级，又能引入受主能级。深 能级杂质对少子寿命起有效的控制作用。 原因：杂质原子的电子壳层结构、杂质原子的大 小以及杂质在半导体晶格中的位置等原因，而导 致杂质的多能级结构。
相当
kT=0.026eV 施主杂质的电离能小，在常温下基本上 全部电离。
含有施主杂质的半导体，其导电的载 流子主要是电子—N 型半导体，或电 子型半导体。
3、受主能级
举例：Si中掺硼B（Si：B）
（1） 价带空穴 电离受主 B-
受主杂质 能 级 图：
负电中心 空穴
电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是
= =
空位
=
Si = Si = ‖ ︱ Si － 〇 － ‖ ︱ Si = Si = ‖ ‖
Si = ‖ Si = ‖ Si = ‖
=
填隙
= =
Si = ‖ Si = ‖ Si Si = ‖
Si ‖ Si ‖ Si ‖
= = =
Si = ‖ Si = ‖ Si = ‖
(2)替位原子
化合物半导体: A、B 两种原子组成
施主杂质 能 级 图：
电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是 掺施主杂质的意义所在。

第二章半导体中杂质和缺陷能级解析

第二章半导体中杂质和缺陷能级解析
§2. 半导体中杂质和缺陷能级
• 杂质、缺陷破坏了晶体原有的周期性势场， 引入新的能级。通常在禁带中分布的能级就是 这样产生的。 • 禁带中的能级对半导体的性能有显著影响， 影响的程度由能级的密度和位置决定。
沈阳工业大学电子科学与技术系
§2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
学习重点：
• 浅能级杂质、深能级杂质 • 杂质补偿
EC
EV
• 受主电离能 △EA = EA - EV EC
受主 能级
• Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能
晶
体 锗 Ge 0.01 0.01
杂 质
硼B 铝Al 镓Ga
硅 Si 0.045 0.057 0.065 0.160
Eg EA EV
△EA = EA - EV
0.011
0.011
铟In
• 受主电离过程示意图
正、负电荷所处介质的介电常数为： 0 r
电势能：
U (r ) q2 4 0 r r
* 4 mn q
施主电离能：
受主电离能：
* mn E0 ED 2 2 2 8 0 r h 2 m0 r
(3)
m* E0 p E A 2 2 2 2 m0 r 8 0 r h
施主 能级
• Si、Ge中V族杂质的电离能
EC
晶 杂 质 硅 Si 磷P 砷As
0.044
0.049 0.039
体 锗 Ge
0.0126
0.0127 0.0096
ED
Eg
EV
锑Sb
• 施主电离过程示意图
施主杂质电离的结果：
导带中的电子数增加了， 这就是掺施主杂质的意义 所在。
3、受主能级

第2章_半导体中的杂质和缺陷

第2章_半导体中的杂质和缺陷

晶
杂质
体B
Al Ga
Si 0.045 0.057 0.065
Ge 0.01 0.01 0.011
含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要 是空穴——P型半导体，或空穴型半导体。
小结！
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半 导体中提供导电的电子，并成为带正电的离 子。如Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向 半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离 子。如Si中掺的B
8 r 2o2h2
m* mo
1
r2
mo q 4
8
2 o
h2
m* mo
1
r2
E0
对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径 约为24.4 Å： ( r )Si 12 me* 0.26mo
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
r
12 oh2 0.26moq 2
1
24.4
一、杂质存在的方式
(1) 间隙式→杂质位于组成 半导体的元素或离子的格 点之间的间隙位置。
Li：0.068nm
(2) 替位式→杂质占据格 点的位置。大小接近、 电子壳层结构相近
Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm
Si
Si
Si
Li
Si
P
Si
Si
Si
Si
半导体中杂质存在方式
●空位VGa、VAs ●间隙原子GaI、AsI ●反结构缺陷 —Ga原子占据As 空位，或As原子占据Ga空位， 记为GaAs和AsGa。
化合物半导体: A、B两种原子组成
反结构缺陷
A
B

第二章 杂质和缺陷

第二章 杂质和缺陷
第二章 半导体中的杂质和缺陷能级
• • • • • • • • 实际半导体偏离理想情况－缺陷 缺陷产生的原因： 原子的振动 材料不纯，若干杂质；结构不完整 各种形式缺陷： 点缺陷-空位、间隙原子 线缺陷-位错 面缺陷-层错、晶粒间界
实验表明，极微量的杂质对半导体 的性质产生决定的影响。 若在105个硅原子中掺入一个磷原 子，导电性将增加30倍。 在通常的退火情况下，一般金属或 合金中的位错密度约为104-107根/平方 厘米，经过冷加工后可增加至1012-1013 根/平方厘米 。 炼钢就是将铁中的杂质和碳除掉。
深能级杂质
0.04ev 0. 20ev Ei 0.15ev 0.04ev
2.4 缺陷、位错
点缺陷：热缺陷，杂质，电荷缺
半导体材料的高分辨照片（清晰可 见刃位错）
半导体中缺陷实例
• P型和N型半导体 • LED中的缺陷要求
2.1硅和锗中的杂质能级
4 3 8 × πr 3π 3 = = 0.34 3 a 16
替位式杂质 间隙式杂质
杂质原子取代晶格 原子而位于格点处
杂质原子位于晶格 原子间的间隙位置
施主杂质、施主能级
磷原子替代硅原子后，形成一个正电中心和一个多 余的束缚电子，束缚电子脱离正电中心后成为自由 电子，称电离。电离能为△ED，0.04~0.05eV。
mn q 4 mn E0 ED 2(4 r ) 2 2 m0 r 2
* *
m p E0 E A 2 2 2(4 r ) m0 r 2
mp q4
*
*
锗△ED=0.0064eV，硅△ED=0. 025eV
杂质的补偿作用 在半导体中，同时存在施主和受主杂质 时，半导体是n型还是p型？ ND>>NA NA>>ND

第二章半导体中杂质和缺陷能级

第二章半导体中杂质和缺陷能级
24
2.3.1 点缺陷
2.3.1 点缺陷
2.3.2 位错
汇报完毕！谢谢！
• Si中几种Ⅴ族施主电离能如下：
• Si中几种Ⅲ族受主电离能如下：
杂质基态的玻尔半径〔Bohr):
aB m0*shq22 s(m m0*)a0 0.52s(m m0*)
a0是氢原子基态的径 玻尔半
2.1.5 杂质的补偿作用
当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时， 这种两种不同类型的杂质有互相抵偿的作用，称为杂 质补偿作用。
19
2.1.6 深能级杂质
深能级杂质的作用 1. ΔED，ΔEA 较大，杂质电离作用较弱，对载流子〔导电电 子和空穴〕浓度影响较小； 2. 对载流子的复合作用较大〔复合中心〕，降低非平衡载流 子的寿命。
2.2 III-V族化合物中的杂质能级
2.2.1 GaAs中的杂质
等电子杂质 (等电子陷阱〕
补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只 有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。
空间角度的理解：施主周围有多余的价电子，受主 周围缺少价电子，施主多余的价电子正好填充受主周 围空缺的价键电子，使价键饱和，使系统能量降低， 稳定状态。
16
2.1.5 杂质的补偿作用 能带角度的理解：
n＝ N D － N AN D
• 在Si、Ge元素半导体和Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体等最重要的 半导体材料中发现： 参加多一个价电子的元素，如在Si 、 Ge中参加P、As、Sb，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中参加Ⅵ族元素， 这些掺入的杂质将成为施主；
• 参加少一个价电子的元素，如在Si 、Ge中参加Al 、Ga、 In，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中参加Ⅱ族元素，这些掺入的杂 质将成为受主；
A－间隙式杂质原子：原子半径比较小

第二章 半导体中杂质和缺陷能级

第二章 半导体中杂质和缺陷能级
利用杂质的补偿作用，在半导体的不同区域形成不同的导电类型，可 以制成各种器件。
晶体管制造过程中的杂质补偿
六、深能级杂质
III,V族以外的其它元素杂质掺入Si，Ge中都产生深能级
特点：
深能级杂质能多次电离，即产生多个能级； 有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。
六、深能级杂质
六、深能级杂质
Si，Ge：施主掺杂剂V族元素；受主掺杂剂：III族元素 GaAs：施主掺杂剂VI族元素；受主掺杂剂： II族元素
深能级杂质——具有很强的复合作用 缺陷 缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，在禁带中产生能级； 缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用。
谢
谢
第二章 半导体中的杂质和缺陷能态
第二章 Part 1 2.1 杂质和杂质能级 2.2 缺陷及其作用
2.1 杂质和杂质能级
一、杂质概述
杂质——在半导体材料中存在着一些与组成半导体材料的元素不 同的其它元素原子。 杂质在半导体中存在的形态：
A A A A
A A A C
A B A A
A A A A
第二种、按能级的深浅：
①浅能级杂质 ②深能级杂质
三、浅能级杂质
1.浅施主杂质
P原子代替Si原子后，为半导体提供了一个自由电子，称为施主杂质 或n型杂质。
三、浅能级杂质
价电子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离，所需要的能 量称为杂质电离能 E D。
通常在室温下，杂质可以完全电离。电子浓度等于杂质浓度。 把主要依靠导带电子导电的半导体称为n型半导体。
二、线缺陷——位错
在位错所在处，有一个不成对的电子 (不饱一个价电子，则起施主作用。
位错倾向于得到电子，起受主作用，而且产生深能级 位错周围的晶格发生畸变，引起能带结构的变化

第二章半导体中杂质和缺陷能级终稿

第二章半导体中杂质和缺陷能级终稿

杂质原子进入半导体硅后，只 可能以两种方式存在。
一种方式是杂质原子位于晶格 原子间的间隙位置，常称为间 隙式杂质；间隙式杂质原子一 般较小，如离子锂（Li+）。
另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位 式杂质。替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层
结构也相似。
2.3 缺陷、位错能级
化合物半导体中，利用成分偏离正常的化学比的现 象来控制材料的导电类型 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，这种点缺陷称为反结构缺陷
2.3 缺陷、位错能级
2.3.2 位错
线位错（在一条线附近原子的排列偏离了严格的周期性） 面位错（在一个面附近原子的排列偏离了严格的周期性） 根据实验测得： Si中位错能级在价带顶上面0.03~0.09eV处 Ge中的位错能级在导带底下面0.2~0.35eV处 都属于深受主能级
EC EA3 EA2 Ei EA1 ED EV
金在锗中的能级
0.04 0.20
0.15 0.04
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级
1、Ⅱ族元素为受主杂质 铍、镁、锌、镉取代Ⅲ族原子而处
于晶格格点上，引入浅受主能级
GaAs、GaP晶体中受主杂质的电离能
晶体 GaAs
杂质 铍镁 锌 镉 0.030 0.030 0.024 0.021
总结
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
施主和受主浓度：ND、NA
总结

第二章 半导体中的杂志和缺陷

第二章 半导体中的杂志和缺陷

硅、锗在T=0K 时的Eg为1.170eV和0.7437eV
How to calculate it?
浅施主杂质电离能的计算（类氢原子模型）
（ 1） ： 氢 原 子 中 的 电 子 的 运 动 轨 道 半 径为： 2
εrεoh 2 rH = n 2 moπ q
+
n=1 为基态电 子的运动轨迹
Si 中受正电中心 P 束缚的电子的运动轨道半 径，考虑正负电荷处在介电常数不同的介质 中以及晶格周期性势场的影响
本征半导体（intrinsic）能带：
Eg
没有 能级
实际半导体（extrinsic）：
1、晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动
点缺陷 空位 位错 层错
缺陷的出现：
线缺陷 面缺陷
2、和晶体基质原子不同的杂质原子的存在
无意掺杂 源材料和工艺 有目的控制 材料性质
杂质的出现：
有意掺杂
杂质和缺陷对能带结构的影响： 在半导体的禁带中引入杂质或缺陷能级 影响半导体的电、光性质。
4.杂质的补偿作用
半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和 受主之间有互相抵消的作用
(1)ND＞NA
Ec ED 电离施主 电离受主
Ev
n=ND-NA
此时半导体为n型半导体
(2) ND<NA
Ec 电离施主 电离受主 EA Ev ED
p=NA- ND 此时半导体为p型半导体
(3) ND≈NA 杂质的高度补偿
对上述氢原子模型修正
修正
(ε r )Si ε o h 2 r = n * 2 me π q
2
(ε r ) Si = 12
m e = 0.4 m o
*
电子基态的运动半径为：

第二章 半导体中的杂质和缺陷能级

第二章 半导体中的杂质和缺陷能级


能为EA1-Ev ；从价带再激发一个电子给Au-使之成为二重电受主
离化态 Au＝ ，所需能量为EA2-Ev；从价带激发第三个电子给使 之成为三重电受主离化态 Au ，所需能量为 EA3-Ev 。

由于电子间存在库仑斥力，EA3>EA2>EA1。

Si、Ge中其它一些深能级杂质引入的深能级也可以类似地
电子有效质量mn*大小相等，符号相反，即mp*＝－mn*

一定温度下，价带顶附近的电子受激跃迁到导带底附近，此时 导带底电子和价带中剩余的大量电子都处于半满带当中，在外
电场的作用下，它们都要参与导电。

对于价带中电子跃迁出现空态后所剩余的大量电子的导电作用， 可以等效为少量空穴的导电作用。

本征半导体的导带电子参与导电，同时价带空穴也参与导电，
例：GaP中掺入Ⅴ族的N或Bi b、以替位形式存在于晶体中，基本上 是电中性的。

§2.3 杂质在砷化镓中的存在形式
等电子杂质效应 2）等电子陷阱
等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaP中的P位置）后， 即

N
NP
存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一 个导带电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电 子陷阱，后者就是空穴陷阱。
(a) T=0K, ND>NA 图2.15 杂质补偿
(b) 室温, ND>NA
通常当温度达到大约100K以上时，施主能级上的ND-NA个电子就全部 被激发到导带，这时导带中的电子浓度n0=ND-NA，为n型半导体。
2、当NA>ND时，将呈现p型半导体的特性，价带空穴浓度p0=NA-ND
■ 如果半导体中：ND>>NA，则n0=ND-NA≈ND；（n型半导体） NA>>ND，则p0=NA-ND≈ NA。（p型半导体） 用于改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。

半导体物理学_第二章_半导体中的杂质和缺陷

半导体物理学_第二章_半导体中的杂质和缺陷

晶
杂质
体B
Al Ga
Si 0.045 0.057 0.065
Ge 0.01 0.01 0.011
含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要 是空穴——P型半导体，或空穴型半导体。
定义：
受主杂质 III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而 产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质 为受主杂质或p型杂质。
b：替位式杂质 特点：杂质原子的大小与被替代的晶格原子大小
可以相比，价电子壳层结构比较相近，Ⅲ和Ⅴ族元 素在Si，Ge中都是替位式
单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度
A: 间隙式→杂质位于间隙
位置。
Si
Li：0.068nm
B:替位式→杂质占据格点 Si
位置。大小接近、电子
壳层结构相近
Si
Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm
ED
Ev
EA1= Ev + 0.15eV
3.Au获得第二个电子
Au2－
EA2
EA1 ED
Ec Ev
EA2= Ec - 0.2eV
4.Au获得第三个电子
Ec EA3
Au3－
EA2
EA1
ED
Ev
EA3= Ec - 0.04eV
深能级杂质特点：
不容易电离，对载流Biblioteka 子浓度影响不大；Ec
一般会产生多重能级，
第二章 半导体中的 杂质和缺陷
理想半导体：
1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格 结构。
2、晶体中无杂质，无缺陷。 3、电子在周期场中作共有化运动，形成允
带和禁带——电子能量只能处在允带中的 能级上，禁带中无能级。 本征半导体——晶体具有完整的（完美的） 晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激 发提供载流子。

半导体物理(朱俊)第二章 半导体中的杂质和能级缺陷

半导体物理(朱俊)第二章 半导体中的杂质和能级缺陷
对应金在锗中的四个能级，一个施主，三个受主能级
例2：Au（Ⅰ族）在Si中
EC EA ED EV
两个深杂质 能级，真正 对少子寿命 起控制作用 的是最靠近 禁带中部的 受主能级 0.54eV。
其它两个可能的受主能级目前还没有测量到。
6.Si、Ge 元素半导体中的缺陷
(空位、自间隙原子)
(1)空位 (1) 空位
●受主杂质－ Ⅱ族元素
Ⅱ族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg） 在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素Ga原子 的晶格位置，由于Ⅱ族原子比Ⅲ族原子 少一个价电子，因此Ⅱ族元素杂质在 GaAs中通常起受主作用，均为 浅受主 。
常用掺Zn或Cd以获得Ⅲ－Ⅴ族化合物p型半导体
● 两性杂质－ Ⅳ族元素
Ⅳ 族 元 素 杂 质 （ Si、Ge、Sn、Pb） 在 GaAs中的作用比较复杂，可以取代Ⅲ族的 Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同时 取代两者，因此Ⅳ族杂质不仅可以起施主作 用和受主作用，还可以起中性杂质作用。 例如，在掺Si浓度小于1×1018cm-3时，Si全 部取代Ga位而起施主作用，这时掺Si浓度和 电子浓度一致；而在掺Si浓度大于1018cm-3 时，部分Si原子开始取代As 位，出现补偿 作用，使电子浓度逐渐偏低。
硅、锗在T=0K 时的Eg为1.170eV和0.7437eV
浅施主杂质电离能的计算（类氢原子模型）：
（1）：氢原子中的电子的运动轨道半 径为： 2
εrεo h 2 rH = n 2 moπ q
+
n=1 为基态电子的运动轨迹
Si 中受正电中心 P 束缚的电子的运动轨道半 径，考虑正负电荷处在介电常数不同的介质 中以及晶格周期性势场的影响：
原因：杂质原子的电子壳层结构、杂质原子的大 小以及杂质在半导体晶格中的位置等原因，而导 致杂质的多能级结构。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

§2.1.3 受主杂质 受主能级
Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能△EA（eV）
晶杂
质
体 B Al Ga In
Si 0.045 0.057 0.065 0.16
Ge 0.01 0.01 0.011 0.011
§2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。 所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级
§2.1.2 施主杂质 施主能级
Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）
晶
杂
质
体
P
As
Sb
Si 0.044 0.049
0.039
Ge 0.0126 0.0127 0.0096
§2.1.3 受主杂质 受主能级
Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空 穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质或 p型杂质。
§2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
金刚石型晶体结构中的两种空隙如图2-1所示。这些空 隙通常称为间隙位置
§2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
杂质原子进入半导体硅后， 以两种方式存在 一种方式是杂质原子位于 晶格原子间的间隙位置， 常称为间隙式杂质（A） 另一种方式是杂质原子取 代晶格原子而位于晶格点 处，常称为替位式杂质（B）
△EA
受主电离能： △EA=EA-EV
§2.1.3 受主杂质 受主能级
受主杂质的电离过程，可以用能 带图表示
如图2-6所示.当空穴得到能量后 E，A 就从受主的束缚态跃迁到价带成 为导电空穴，所以空穴被受主杂 质束缚时的能量比价带顶 E V 高 E A 。将被受主杂质束缚的 空穴的能量状态称为受主能级， 记为 E A ，所以受主能级位于离 价带顶很近的禁带中
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
实际材料中 总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或
缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常 常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影 响。
杂质能级位于禁带之中
Ec
杂质能级
Ev
杂质和缺陷 原子的周期性势场受到破坏
在禁带中引入能级 决定半导体的物理和化学性质
§2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
理想半导体：
1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格 结构。
2、晶体中无杂质，无缺陷。 3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带——电
子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本 征激发提供载流子 本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格结构， 无任何杂质和缺陷。
在Si单晶中，Ⅲ族受主替位杂质两种荷电状态的价键
§2.1.3 受主杂质 受主能级
使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为受主杂 质电离能
受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同 时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导 体。
§2.1.3 受主杂质 受主能级
EC
Eg
EV
EA
§2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
两种杂质特点： 间隙式杂质原子一般比较小，如：锂离子，0.068nm
替位式杂质： 1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近 2）价电子壳层结构比较相近 如：ⅢⅤ族元素
§2.1.2 施主杂质 施主能级
Ⅴ族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产 生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质 或n型杂质
2
q2
40r
(r)
En(r)
(1)
解得电子能量：En
m0 q 4
8
2 0
h
2n
2
,n
1 2 3
氢原子基态能量：E1
m0 q 4
8 02h2
氢原子电离态能：E 0
故基态电子的电离能：
E0
E

E1
m0 q 4
8 0 2 h 2
(2)
§2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
§2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成是
半径为r的圆球，则可以计算出这八个原子占据晶胞空间
的百分数如下： 2r 1 a 3 r = 3 a
4
8
8 3r3
4 0.34
a3
说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的8个原子只占有晶 胞体积的34%，还有66%是空隙
靠近价带顶。 室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几
乎可以全部电离。五价元素磷（P）、锑（Sb）在 硅、锗中是浅施主杂质，三价元素硼（B）、铝 （Al）、镓（Ga）、铟（In）在硅、锗中为浅受主 杂质。
§2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
氢原子基态电子的电离能
氢原子电子满足：
h2
4 2m0
§2.1.3 受主杂质 受主能级
以硅中掺硼B为例： B原子占据硅原子的位置。硼原
子有三个价电子。与周围的四 个硅原子形成共价键时还缺一 个电子，就从别处夺取价电子， 这就在Si形成了一个空穴。 这时B原子就成为多了一个价电 子的硼离子B－，它是一个不能 移动的负电中心。 空穴束缚在正电中心B－的周围。 空穴只要很少能量就可挣脱束 缚，成为导电空穴在晶格中自 由运动
§2.1.2 施主杂质 施主能级
施主电离能： △ED=EC-ED
△ED=EC-ED
EC ED
Eg
EV
§2.1.2 施主杂质 施主能级
施主杂质的电离过程，可以用能 带图表示
如图2-4所示.当电子得到能量后 E ，D 就从施主的束缚态跃迁到导带成 为导电电子，所以电子被施主杂 质束缚时的能量比导带底 E C 低 E D 。将被施主杂质束缚 的电子的能量状态称为施主能级， 记为 ，所E D 以施主能级位于离 导带底很近的禁带中
§2.1.2 施主杂质 施主能级
以硅中掺磷P为例：
磷原子占据硅原子的位置。磷原子 有五个价电子。其中四个价电子与 周围的四个硅原于形成共价键，还 剩余一个价电子。
这个多余的价电子就束缚在正电中 心P＋的周围。价电子只要很少能 量就可挣脱束缚，成为导电电子在 晶格中自由运动
这时磷原子就成为少了一个价电子 的磷离子P＋，它是一个不能移动 的正电中心。
在Si单晶中，V族施主替位杂质两种荷电状态的价键图
§2.1.2 施主杂质 施主能级
上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称 为杂质电离
这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能 量称为杂质电离能
施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子， 同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型 半导体。