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半导体物理学——半导体中的杂质和缺陷能级

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半导体物理第2章 半导体中杂质和缺陷能级

半导体物理第2章 半导体中杂质和缺陷能级
半导体的禁带宽度的杂质。
它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负 电（电离受主）的离子，并同时向导带提供电 子或向价带提供空穴。
第2章 半导体中杂质和缺陷能级
2.1硅、锗晶体中的杂质能级
实际晶体与理想晶体的区别
原子并非在格点上固定不动，在平衡位置附近振动 并不纯净，杂质的存在 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）
2.1.1替位式杂质、间隙式杂质
替位式杂质:取代晶格原子
杂质原子的大小与晶体原子相似 III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质
明之，并用能带图表征出p型半导体。 2-4、掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举例说明掺杂对半导体
的导电性能的影响。 2-5、两性杂质和其它杂质有何异同？ 2-6、深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？ 2-7、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？
2-1 解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征
Au( 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 1 0 4 s 2 4 p 6 4 d 1 0 4 f1 4 5 s 2 5 p 6 5 d 1 0 6 s 1 )在Ge中的作用
2.3缺陷、位错能级
2.3.1点缺陷
热缺陷（由温度决定）
弗伦克耳缺陷
成对出现的间隙原子和空位
受主能级
被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量 为ΔEA
p型半导体
依靠价带空穴导电的半导体。
P型半导体
杂质半导体的简化表示法
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

半导体中杂质和缺陷能级

半导体中杂质和缺陷能级
24
2.3.1 点缺陷
ห้องสมุดไป่ตู้ 2.3.1 点缺陷
2.3.2 位错
谢谢
Thanks Next：第3章 半导体中载流子旳统计分布
Chapter 3 Statistical Distribution of Carrier
28
在空穴全部电离时跃迁到 价带时,有NA- ND个价带空穴, 半导体是p型旳。
2.1.6 深能级杂质
浅能级杂质 一般情况下，半导体中些施主能级距离导带底较 近；或受主能能级距离价带顶较近。
深能级杂质 若杂质提供旳施主能级距离导带底较远；或提供 旳受主能能级距离价带顶较远。
许多深杂质能级是因为杂质旳屡次电离产生旳.每一次电离相应 地有一种能级，这些杂质在硅或锗旳禁带中往往引入若干个能级， 而且有些杂质还能够引入施主能级，又能引入受主能级。如：Au 在Ge中产生四个深杂质能级,其中三个为受主能级，一种为施主 能级。
在杂质全部电离时,它们跃迁 到导带成为导电电子,有ND- NA 个导带电子,半导体是n型旳。
2.1.5 杂质旳补偿作用
p＝N A－ND N A
（b）ND << NA
18
ND <<NA时,因为受主能级 低于施主能级, 施主杂质旳电 子首先跳到受主杂质旳能级 上,此时还有NA- ND个空穴在 受主能级上。
施主杂质 施主电离
VA族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电 子而产生导电电子并形成正电中心。
释放电子旳过程。
束缚态 中性态
离化态
施主杂质未电离时电中性旳状态 电离后成为正电中心。
施主杂质 电离能ED
多出旳一种价电子脱离施主杂质而成为 自由电子所需要旳能量。
6
2.1.3 受主杂质、受主能级

半导体物理半导体中的杂质和缺陷能级

半导体物理半导体中的杂质和缺陷能级

3、杂质能级
1）类氢模型杂质电离能的简单计算
氢原子的电子能级
氢原子的电离能
E0
E
E1
m0 q 4
8 02 h 2
13.6
eV
杂质电离能
ED, A
mn*, pq4
8
2
2 0
h
2
mn*, p
m0 2
13.6
eV
锗、硅的介电常数ε分别为16和12，因此，杂质在锗、硅
晶体中的电离能分别为0.05 m*/ m0和0.1 m*/ m0。因为 m*/ m0一般小于l，所以，锗、硅中的杂质电离能一般小 于0.05eV和0.1eV。 （表1-3）
• 2、两性杂质及其能级
1）同位异性杂质 • 特点：同样环境下既可为施主，也可是受主，但施主
能级位于受主能级之下，因为对这种杂质而言，接受 一个电子是比释放一个电子更高的能量状态。
2）异位异性杂质 化合物半导体中特有的杂质行为。在这种情况下，杂质 的作用与III族和V族杂质原子在VI族元素半导体中的行 为相似，而与上述同位异性双性原子所受到的约束不同， 行为不同，其施主能级和受主能级一般都是浅能级.
• 异位异性双性杂质 SiGa与 SiAs自身的相互补偿
杂质浓度
3、等电子杂质及其能级
1）等电子杂质
与被替换的主体原子具有相同价电子数，但因原子序数 不同而具有不同共价半径和电负性，因而能俘获电子或 空穴，故常称之为等电子陷阱。
氮的共价半径和电负性分别为 0.07 nm 和 3.0 (Pauling)，磷的 共价半径和电负性分别为 0.11 nm和 2.1；氮有较强的俘获电 子倾向，在GaP中取代磷后能 俘获电子成为负电中心。
EV
EV

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

[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。

半导体物理：半导体中杂质和缺陷能级

半导体物理：半导体中杂质和缺陷能级
1s2 2s2 2 p63s23p63d10 4s2 4 p6 4d10 4 f 145s25 p65d10 6s1
2.1.1替位式杂质、间隙式杂质
替位式杂质:取代晶格原子 杂质原子的大小与晶体原子相似 III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质
间隙式杂质:位于晶格原子间隙位置 杂质原子小于晶体原子
杂质浓度：单位体积内的杂质原子数 晶格的原子占空比
8V a3
8 4 r3
=3 83 r 3 3 3
3 0.34
Ge
0.01eV
杂质(Ea)
Al
Ga
0.057eV
0.065eV
In 0.16eV
0.01eV
0.011eV 0.011eV
2.1.4 浅能级杂质电离能简单计算
En
m0q4
8
2 0
h2
n2
E1
m0q4
8 02 h2
E 0
rn
0h2n2 m0q2
r1
0h2 moq2
aB
0.53A
r
E0
第2章 半导体中杂质和缺陷能级
2.1硅、锗晶体中的杂质能级
实际晶体与理想晶体的区别 原子并非在格点上固定不动，在平衡位置附近振动 并不纯净，杂质的存在 缺陷 点缺陷（空位，间隙原子） 线缺陷（位错ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 面缺陷（层错，晶粒间界）
半导体中杂质和缺陷的三大作用： 决定热平衡状态下的载流子密度 施、受主作用； 决定迁移率的高低散射作用； 决定额外载流子的寿命 复合作用。
E
E1
m0q4
8
2 0
h2
13.6eV
施主杂质电离能
ED
mn* q 4
8 r202h2

半导体物理半导体中的杂质和缺陷

CdTe以外的II-VI族化合物大多是单极性半导体。这些材 料有一些共同的特点，即熔点都比较高，其组成元素又 往往具有较高而不相等的蒸气压，因此制备符合化学计 量比的完美单晶体十分困难，而空位等晶格微缺陷的形 成却比较容易。
§1-5 典型半导体的能带结构
一、能带结构的基本内容及其表征
1、能带结构的基本内容 • 1）导带极小值和价带极大值的位置，特别是导带
3、碲化汞的能带结构 碲化汞的导带极小值与价带极大值基本重叠，禁 带宽度在室温下约为－0.15eV，因而是半金属。
五、宽禁带化合物半导体的能带结构
1、SiC的能带结构 SiC各同质异型体间禁带宽度不相同，完全六方型的2HSiC最宽，为3.3eV；随着立方结构成分的增加，禁带逐 渐变窄，4H-SiC为3.28eV，15R-SiC为3.02eV，6H-SiC 为2.86 eV，完全立方结构的3C-SiC为2.33eV。 •皆为间接禁带
2）等电子络合物的陷阱效应
镓
氧
磷
锌
4、深能级的补偿作用
浅能级杂质间的补偿
深能级杂质的补偿
导带
• • •• • • • • • • • • ED
导带
• •• •• • •• •• •• ••
•• •
EDEA
• • • • • EA
价带
价带
同样有补偿作用，但效果弱一点。
三、缺陷的施、受主作用及其能级
1）价带 中心略偏，轻重空穴带二度简并
2）导带底的位置 随着平均原子序数的变化而变化，以GaAs为界，…
3）禁带宽度
随着平均原子序数的变化而变化，…
4）电子有效质量 随着平均原子序数的变化而变化，…
5）空穴有效质量 重空穴在各III-V族化合物间差别不大

半导体物理学-半导体中杂质和缺陷能级


氢原子中电子的能量：En
m0q4
802h2n2
n=1时,基态电子能量 E18m 002qh42 13.6eV
n=时，氢原子电离 E=0
氢原子的电离能
E 0E E 11.6 3eV
精选课件ppt
26
mn* 0.12m0
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
晶体内杂质原子束缚的电子与类氢模型相比：
m0mn*, mp*; 0 r0
●● ●● ●● ●●
对于Si中的P原子， 剩余电子的运动
半径：r ~ 6○5 Å
精选课件ppt
对于Ge中的P 原子，r 85 Å
10
多余 价电子
+4 +4
磷原子
+5 +4
Ⅴ族元素有5个价电子，其中的四个价电子与周围 的四个硅原子形成共价键，还剩余一个电子，同 时Ⅴ族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离 子中心，所以，一个Ⅴ族原子取代一个硅原子， 其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。
施主杂质的电离能： E D8m r 2n *q 0 24 h2m m 0 n *E r 2 01.6 3 m m 0n *r 2
Si: mn* 0.26m0 r 12 ED0.02e5V
Ge: mn* 0.12m0 r 16 ED0.00e6V 4
受主杂质的电离能 E A 精选 课 件p8 ptm r 2 P *q 0 2h 42m m P * 0E r 2 0 1.6 3 m m 0P * 2r 72
金钢石晶体结构中的四面体间隙位置 内部4个原子构成T空隙
金钢石晶体结构中的六角形间隙位置 3个邻位面心+3个内部原子构成H空隙
精选课件ppt
7
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级

半导体物理第二章半导体中杂质和缺陷能级


0 0r
m0 me*
a*
h 2 r 0 e2me*
0.53
m0 me*
r
(A)
~25A
硅-硅间距～5.4A
杂质的补偿作用 （A）ND>NA时： n型半导体
因 EA 在 ED 之下 ，
施填E主D充上与E的A受上束主的缚先空电相位子互，首“先即抵
消”，
剩余的束缚电子再电
EA
离到导带上。
有效的施主浓度 ND*=ND-NA
105硅原子中掺1个硼原子，则比单纯硅晶的电导率增加了103倍
本章目的：介绍杂质和缺陷的基本概念
杂质
与组成晶体材料的元素不同的其他 化学元素
❖ 形成原因
▪ 原材料纯度不够 ▪ 制作过程中有玷污 ▪ 人为的掺入
金刚石结构中，密堆积时，原子占晶格体积比？ 8个原子，r=?
占体积比？
～34%
分类(1)：按杂质原子在晶格中所处位置分
ED=Ec-E库伦 （在禁带中） ED<<Eg
分立的能级 因为杂质含量低，不能共有化运动
中性态
未电离杂质中电子脱离原 子束缚而成为导电电子的过程
T≠0 K (热激发）
杂质电离能
杂质电离时所需要的最少能量 ΔED=Ec-ED，一般来说ΔED <<Eg
❖ 施主杂质和受主杂质为半导体材料提供载流子
▪ 施主杂质为导带提供电子 （掺施主杂质的半导体为n型半导体） ▪ 受主杂质为价带提供空穴 （掺受主杂质的半导体为p型半导体）
n型半导体：电子的数目远大于空穴的数目（或者说以电子导电为主）
p型半导体：空穴的数目远大于电子的数目（或者说以空穴导电为主）
本征半导体：没有掺杂的半导体

半导体中的杂质能级和缺陷能级


7
修正后的计算公式
施主杂质电离能：
* 4 * mn q mn E0 ∆ED = 2 2 2 = 2 8ε r ε 0 h m0 ε r
4 m* q p
(2-2)
受主杂质电离能：
m* p E0 ∆E A = 2 2 2 = 2 8ε r ε 0 h m0 ε r
(2-3)
类似的，我们也可以计算杂质的基态轨道半径
18
习题
n
P48，7，8题。
19
氢原子中电子在自由空间运动半导体中电子在周期性势场运动所以电子的惯性质量要用有效质量代在半导体中由于介质被极化的影响使得电荷之间的库仑作用减弱为它们在真空中库仑作用的修正后的计算公式施主杂质电离能
第二章 半导体中的杂质和缺陷能级
n
硅和锗中的杂质能级
1. 施主杂质和施主能级
2.
受主杂质和受主能级
n n n n n
2
替位式杂质、间隙式杂质
金刚石结构填充率：
4 8× π r2 3π 3 = = 0.34 = 34% 3 a 16
n
n
替位式杂质：杂质原子取代晶格原 子； 间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子 的间隙位置；
3
施主杂质和施主能级
∆ED
Ec ED
Eg Ev
n
n n n
磷原子这种能够向导带提供电子的杂质称为施主杂质（n型 杂质）。 被施主杂质束缚的电子能量状态称为施主能级。 施主杂质释放电子的过程称为施主电离； 杂质能级上的电子挣脱杂质原子束缚所需要的最小能量成为 电离能，用 ∆ED 表示。 ∆ED = EC − ED
4
受主杂质和受主能级
Ec Eg
∆E A
EA Ev
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半导体物理学
黄整
半导体与理想情况的偏离
晶格原子是振动的
材料含杂质
晶格中存在缺陷
¾点缺陷（空位、间隙原子）
¾线缺陷（位错）
¾面缺陷（层错）
2
极微量的杂质和缺陷就能对半导体材料的物理性质和化极微量的杂质和缺陷，就能对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响，同时也严重影响半导体器件的质量。

¾1个B原子/ 105个Si原子→室温下电导率提高1000倍
一般的硅平面器件要求2¾般的硅平面器件要求Si单晶的位错密度低于1000/cm 半导体与理想情况偏离的原因
理论分析认为
理论分析认为：
杂质和缺陷的存在使周期性排列原子所产生的周期性势场受到破坏
受到破坏。

在禁带中引入了能级，允许电子在禁带中存在，从而使半
3导体的性质发生改变。

（b ）晶胞中所有Si 原子占据晶胞体积的百分比
）113
3)r a a =×=
解：（a (2484（b ）33
833r
ππ×==34%16
a
间隙式杂质、替位式杂质
间隙式杂质替位式杂质
杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，
杂质原子位于晶格原子间的间隙位置
称为间隙式杂质。

¾间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、
GaAs材料中的离子锂（0.68Å）。

杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称为替位式杂质。

¾替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构
要求与被取代的晶格原子相近。

如Ⅲ、Ⅴ
要求与被取代的晶格原子相近如ⅢⅤ
族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。

5
间隙式
杂质
替位式
杂质
单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度
6
半导体的掺杂
施主：向半导体中提供导电的电子，并成为带正电离子的杂质原子称为施主。

如Si中的P和As
E As
D
E ΔD
E C
杂质能级
施主杂质电离能
V
E 施主能级
7
N 型半导体
受主：能够向半导体提供导电的空穴，并成为带负电离子的杂质原子称为受主。

如Si中的B
C
E B
E 受主杂质电离能
V
E A
A
E ΔP 型半导体
受主能级
8
Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si 、Ge 晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高ΔE ，施主能级；受能级价带顶高A 施能
级比导带底低ΔE D ，均为浅能级，这两
种杂质称为浅能级杂质硼铝碳硅氮
磷
种杂质称为浅能级杂质。

杂质处于两种状态：中性态和离化态。

离化态时施主杂质向带提供镓铟锗锡锑
砷
当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提价带供空穴成为负电中心。

9
深能级杂质
硅晶体中的深能级
实心：施主，空心：受主11实施受
半导体中施主和受主杂质共存且杂质的补偿作用
半导体中施主和受主杂质共存，且N D >>N A 时，则电子跃迁
等效于
N 型半导体
12
半导体中同时存在施主和受主杂质，且时则空穴跃迁
N D <<N A 时，则空穴跃迁
等效于
P 型半导体
13
杂质的补偿作用
半导体中同时存在施主和受主杂质时，
半导体的类型，即其是N型还是P型，
半导体的类型即其是型
由杂质的浓度差决定
半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓
度有效施浓度；有效受浓度
度（有效施主浓度；有效受主浓度）
杂质的高度补偿（N D≈N A）
14
点缺陷
弗仓克耳缺陷
¾间隙原子和空位成对出现
肖特基缺陷
¾只存在空位而无间隙原子
间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较
大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至
大为它们不断产生和复合直至
达到动态平衡，总是同时存在的。

空位表现为受主作用；间隙原子表现为施主
作用
15
替位原子（化合物半导体）
这类缺陷也称为反结构缺陷
16
位错
位错是半导体中的种缺陷，它严重影
位错是半导体中的一种缺陷，它严重影
响材料和器件的性能。

三个共价键，一个未成对电子，受主原子
17
受主情况
施主情况
失去一个电子，相当于施主得到一个电子配对，相当于受主
18
第二章作业
谢谢!。