半导体中杂质和缺陷能级ppt课件

浅能级
Ec
Ei
受主杂质 受主能级 Ev
可编辑课件PPT
10
2、元素半导体的杂质
(1)VA族的替位杂质——施主杂质
在硅Si中掺入P
Si
Si
Si
磷原子替代硅原
子后，形成一个 正电中心P＋和一 个多余的价电子
Si
P+
Si
Si
Si
Si
束缚态—未电离 离化态—电离后
可编辑课件PPT
11
（a）电离态 •
（b）中性施主态
a：间隙式杂质
特点：杂质原子一般较小，锂元素
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
可编辑课件PPT
6
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
36
氢原子基态电子的电离能
E0EE18m 002qh42 1.36eV
考虑到正、负电荷处于介电常数 ε=ε0εr的介质中，且处于晶格形成的 周期性势场中运动，所以电子的惯性质 量要用有效质量代替
可编辑课件PPT
37
类氢模型：计算束缚电子或空穴运动轨道
半径及电离能
运动轨道半径：
r
roh2 m * q2
可编辑课件PPT
20
2、受主能级：举例： Si中掺硼B
价带空穴
电离受主 B-
过程：1.形成共价键时， 从Si 原子中夺取一个电子， Si 的共价键中产生一个空 穴；
2.当空穴挣脱硼离子的束 缚，形成固定不动的负电 中心B-

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。

电离施主 电离受主
第26页/共51页
Ec ED
EA Ev
§2.1.5 杂质的补偿作用
• 3，NA≌ND时：杂质的高度补偿
Ec
ED 不能向导带和价带 提供电子和空穴
EA Ev
第27页/共51页
§2.1.6 深能级杂质
• 深能级杂质：非ⅢⅤ族杂质在Si、Ge的禁带中产生 的施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂 质电离能大，能够产生多次电离
• 这种双性行为可作如下解释：
因为在硅杂质浓度较高时，
硅原子不仅取代镓原子起着施
主杂质的作用，而且硅也取代
了一部分V族砷原子而起着受
主杂质的作用，因而对于取代
Ⅲ族原子镓的硅施主杂质起到
补偿作用，从而降低了有效施
主杂质的浓度，电子浓度趋于
饱和。
第41页/共51页
§2.3 半导体中的缺陷、位错能级
§2.3.1点缺陷（热缺陷）point defects/thermaldefects • 点缺陷的种类：
弗仑克耳缺陷：原子空位和间隙原子同时存在 肖特基缺陷：晶体中只有晶格原子空位 间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位
第42页/共51页
§2.3.1点缺陷
• 点缺陷（热缺陷）特点 ： ①热缺陷的数目随温度升高而增加 ②热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。
原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小 ③淬火后可以“冻结”高温下形成的缺陷。 ④退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，
这就是束缚激子。
第39页/共51页
§2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式
• 两性杂质
举例：GaAs中掺Si（Ⅳ族）
SiGa
施主

应该是A原子的格点上为B原子所占据，应为B 原子的格点为A原子所据。
16
二、线缺陷 指位错，分为两类，刃位错和螺位错 ◆刃位错
17
◆螺位错
18
19
棱位错对半导体性能的影响：
1）位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表 现为受主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而 变为正电中心，此时表现为施主，即不饱和的悬挂键 具有双性行为，可以起受主作用，也可以起施主作用。
7
GaAs 晶体中的点缺陷
当 T ＞ 0 K 时： ● 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。
8
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。
2
●施主杂质
Ⅵ族元素(Se、S、Te) 在 GaAs 中通常 都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置。 Ⅵ 族 杂 质 在 GaAs 中 一 般 起 施 主 作 用 ， 为浅施主杂质。
3
●受主杂质
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。
Ⅱ族元素杂质在 GaAs 中通常起受 主作用，均为浅受主杂质。
4
●中性杂质
Ⅲ 族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元 素（P、Sb）在 GaAs 中通常分别 替代 Ga 和 As，由于杂质在晶格位 置上并不改变原有的价电子数，因 此既不给出电子也不俘获电子而呈 电中性，对 GaAs 的电学性质没有 明显影响。
在禁带中不引入能级
5
● 两性杂质
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。

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。

aH
h20 e2m0
0.53A
半导体物理 Semiconductor Physics
类似地考虑介电常数和质量替换，可得杂质等 效玻尔半径
a h2r0 e2m*
r(m m0*)aH
半导体物理 Semiconductor Physics
杂质的补偿作用
半导体物理 Semiconductor Physics
上述类型的杂质，电离能很低，电子或空穴受到正 电中心或负电中心的束缚很微弱，可以利用类氢模型 来估算杂质的电离能。
氢原子中电子的能量En是
En
m0 q 4
8
2 0
h2
n
2
式中n =1，2，3，。。。，为主量子数。当n =1时， 得到基态能量
E1
m0q4
8
2 0
h
பைடு நூலகம்
2
半导体物理 Semiconductor Physics
主要依靠电子导电的半导体为n型半导体。
半导体物理 Semiconductor Physics
半导体物理 Semiconductor Physics
半导体物理 Semiconductor Physics
受主杂质：
以硅中掺硼为例，一个硼原子占据了硅原子的位置， 硼有三个价电子，当它和周围的四个硅原子形成共价 键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取 一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空 穴。而硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子 （B-），称为负电中心。带负电的硼离子和带正电的 空穴间有静电引力作用，所以这个空穴受到硼离子的 束缚，在硼离子附近运动。不过，硼离子对这个空穴 的束缚是很弱的，只需要很少的能量就可以使空穴挣 脱束缚，成为在晶体的共价键中自由运动的导电空穴。 而硼原子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。这种能够接受电子并使自身 带负电的杂质称为受主杂质。被受主杂质所接受的电 子的能量水平显然高于价带顶。相应的能级称为受主 能级。

活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
半导体中的杂质和缺陷能级 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。

EA
△EA≮Eg
杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较远
UESTC Nuo Liu
最新课件
25
深能级杂质的特征
1 、浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主能级靠
近价带；深能级施主则主要位于禁带中线下，深能级
受主主要位于禁带中线上。
最新课件
26
2、多重能级特性：一些深能级杂质产生多次电
离，导致多重能级特性。
• Ge：
△ED ～ 0.0064 eV
• Si:
△ED ～ 0.025 eV
最新课件
16
2.1.5、杂 质 的 补 偿 作 用
1、本征激发与本征半导体
（1）本征激发：在纯净半导体中，载流子的产生
必须依靠价带中的电子激发到导带，它的特点是
每产生一个导带电子就相应在价带中产生一个空
穴，即电子和空穴是成对产生的。这种激发称为
本征激发。
最新课件
17
即：n0=p0=ni（ ni为本征载流子浓度）
电子浓度
空穴浓度
（2）本征半导体：不含杂质的半导体就是
本征半导体。
ni= ni（T）
n0=p0=ni
最新课件
18
• 在室温（RT=300K）下：
•
ni （Ge）
≌2.4×1013cm-3
•
≌1.5×1010cm-3
•
ni （Si）

深能级杂质在半导体中以替位式的形态存在，
一般情况下含量极少，它们对半导体中的导电电子
浓度，导电空穴浓度和材料的导电类型的影响没有
浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用比浅能级
杂质强得多。
最新课件
33
2.4Ⅲ-Ⅴ族化合物中德尔杂质能级