第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)ppt課件

1、1第二章第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的能級(jí)22.1.1 2.1.1 間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)2.1 Si、Ge晶體中的雜質(zhì)能級(jí)晶體中的雜質(zhì)能級(jí)實(shí)際半導(dǎo)體中并不是完美的一種原子的晶體結(jié)構(gòu)。存在著一定數(shù)實(shí)際半導(dǎo)體中并不是完美的一種原子的晶體結(jié)構(gòu)。存在著一定數(shù)目的缺陷和雜質(zhì)。目的缺陷和雜質(zhì)。即使微量的雜質(zhì)，對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會(huì)帶來(lái)巨大的影響即使微量的雜質(zhì)，對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會(huì)帶來(lái)巨大的影響-半半導(dǎo)體的特性。導(dǎo)體的特性。雜質(zhì)：與本體原子不同元素的原子。雜質(zhì)：與本體原子不同元素的原子。 只有替位雜質(zhì)才能被激活。只有替位雜質(zhì)才能被激活。正如一般電子為晶體原子所束縛

2、的情況，電子也可以受雜質(zhì)的束正如一般電子為晶體原子所束縛的情況，電子也可以受雜質(zhì)的束縛，形成雜質(zhì)能級(jí)。電子也具有確定的能級(jí)，這種雜質(zhì)能級(jí)處于縛，形成雜質(zhì)能級(jí)。電子也具有確定的能級(jí)，這種雜質(zhì)能級(jí)處于禁帶帶隙之中，它們對(duì)實(shí)際半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性作用。禁帶帶隙之中，它們對(duì)實(shí)際半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性作用。32.1.1 2.1.1 間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)半導(dǎo)體中間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì) 按照球形原子堆積模型，金剛石型晶體的一個(gè)原胞中的8個(gè)原子只占該晶胞體積的34，還有66是空隙。A間隙式雜質(zhì)原子：原子半徑比較小B替位式雜質(zhì)原子：原子的大小與被 取代的晶體原子大小比較相近雜質(zhì)濃度：?jiǎn)?/p>

3、位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)42.1.2 2.1.2 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí)施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)施主電離施主電離束縛態(tài)束縛態(tài)中性態(tài)中性態(tài)VA族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時(shí)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心。釋放電子的過(guò)程。施主雜質(zhì)未電離時(shí)電中性的狀態(tài)離化態(tài)離化態(tài)電離后成為正電中心。施主雜質(zhì)電離能ED多余的一個(gè)價(jià)電子脫離施主雜質(zhì)而成為自由電子所需要的能量。52.1.2 2.1.2 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí)6施主能級(jí)ED被施主雜質(zhì)束縛的多余的一個(gè)價(jià)電子狀態(tài)對(duì)應(yīng)的能量。2.1.2 2.1.2 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí)72.1.3 2.1.3 受主雜質(zhì)、受主能級(jí)受主雜質(zhì)、受主能級(jí)p

4、 硼摻入硅中, 硼只有三個(gè)價(jià)電子,與周?chē)乃膫€(gè)硅原子成鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。其它成鍵電子很容易來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空穴。填補(bǔ)時(shí)，空穴激發(fā)到價(jià)帶空穴電離，能量升高），同時(shí)硼原子成為負(fù)電中心。這一過(guò)程很容易發(fā)生，意味著空穴電離能較小。82.1.3 2.1.3 受主雜質(zhì)、受主能級(jí)受主雜質(zhì)、受主能級(jí)等價(jià)表述等價(jià)表述受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)電離能電離能受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)電離電離硼原子看成是一個(gè)負(fù)電中心束縛著一個(gè)空穴, 空穴很容易電離到價(jià)帶, 同時(shí)在硼原子處成為一個(gè)負(fù)電中心。空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛的過(guò)程。使空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量。P型半導(dǎo)體 如何計(jì)算、分析半導(dǎo)體中，雜質(zhì)的能級(jí)。這里介紹一種最如何計(jì)算、分析半

5、導(dǎo)體中，雜質(zhì)的能級(jí)。這里介紹一種最簡(jiǎn)單的、實(shí)際上也是最重要的一類(lèi)雜質(zhì)能級(jí)簡(jiǎn)單的、實(shí)際上也是最重要的一類(lèi)雜質(zhì)能級(jí)類(lèi)氫雜質(zhì)類(lèi)氫雜質(zhì)能級(jí)。能級(jí)。 在在SiSi、GeGe元素半導(dǎo)體和元素半導(dǎo)體和族化合物半導(dǎo)體等最重要的族化合物半導(dǎo)體等最重要的半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)：半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)： 加入多一個(gè)價(jià)電子的元素，如在加入多一個(gè)價(jià)電子的元素，如在Si Si 、GeGe中加入中加入P P、AsAs、SbSb，或在，或在族化合物中加入族化合物中加入族元素，族元素，這些摻入的雜質(zhì)將成為施主；這些摻入的雜質(zhì)將成為施主； 加入少一個(gè)價(jià)電子的元素，如在加入少一個(gè)價(jià)電子的元素，如在Si Si 、GeGe中加入中加入Al Al

6、、GaGa、InIn，或在，或在族化合物中加入族化合物中加入族元素，這些摻入的雜族元素，這些摻入的雜質(zhì)將成為受主；質(zhì)將成為受主；2.1.4、淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算、淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算 加入多一個(gè)價(jià)電子的替位式雜質(zhì)原子，在加入多一個(gè)價(jià)電子的替位式雜質(zhì)原子，在填滿(mǎn)價(jià)帶飽和周?chē)涉I原子的共價(jià)鍵填滿(mǎn)價(jià)帶飽和周?chē)涉I原子的共價(jià)鍵之外尚多余一個(gè)電子，同時(shí)，相比原來(lái)的之外尚多余一個(gè)電子，同時(shí)，相比原來(lái)的原子，雜質(zhì)原子也多一個(gè)正電荷，多余的原子，雜質(zhì)原子也多一個(gè)正電荷，多余的正電荷正好束縛多余的電子，類(lèi)似氫原子正電荷正好束縛多余的電子，類(lèi)似氫原子的情形。的情形。 加入少一個(gè)價(jià)電子的替位式雜質(zhì)原子，

7、在加入少一個(gè)價(jià)電子的替位式雜質(zhì)原子，在與近鄰與近鄰4 4個(gè)原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少了一個(gè)原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少了一個(gè)電子，這樣就使得此處的共價(jià)鍵中相比個(gè)電子，這樣就使得此處的共價(jià)鍵中相比原來(lái)缺少了一個(gè)電子。其它價(jià)鍵中的電子原來(lái)缺少了一個(gè)電子。其它價(jià)鍵中的電子很容易來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空缺。這樣一來(lái)，雜質(zhì)很容易來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空缺。這樣一來(lái)，雜質(zhì)處多了一個(gè)負(fù)電荷，同時(shí)滿(mǎn)帶處取去了一處多了一個(gè)負(fù)電荷，同時(shí)滿(mǎn)帶處取去了一個(gè)電子，亦即多一個(gè)空穴。如同這個(gè)空穴個(gè)電子，亦即多一個(gè)空穴。如同這個(gè)空穴可以被雜質(zhì)負(fù)電荷所束縛，并類(lèi)似氫原子可以被雜質(zhì)負(fù)電荷所束縛，并類(lèi)似氫原子的情形，只有正負(fù)電荷對(duì)調(diào)了，這樣一個(gè)的情形，只有正負(fù)電荷

8、對(duì)調(diào)了，這樣一個(gè)束縛的空穴相當(dāng)于一禁帶中一個(gè)空的受主束縛的空穴相當(dāng)于一禁帶中一個(gè)空的受主能級(jí)。能級(jí)。112.1.4、淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算、淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算2220248nhmqEn)()(4202202rErrqmhn氫原子電子滿(mǎn)足：可以解出能量本征值：可以解出能量本征值：基態(tài)氫原子的電離能基態(tài)氫原子的電離能Ei:eVmqE6 .138220241a0稱(chēng)為波爾半徑，值為：稱(chēng)為波爾半徑，值為：Amqa52.0420202.1.4、淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算、淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算 半導(dǎo)體中點(diǎn)電荷庫(kù)侖場(chǎng)，受到連續(xù)介質(zhì)的屏蔽，庫(kù)侖勢(shì)減弱了半導(dǎo)體中點(diǎn)電荷庫(kù)侖場(chǎng)，受到連續(xù)介質(zhì)的屏蔽，

9、庫(kù)侖勢(shì)減弱了r，(半導(dǎo)體相對(duì)介電常數(shù)半導(dǎo)體相對(duì)介電常數(shù)) 束縛電子或空穴的質(zhì)量為有效質(zhì)量束縛電子或空穴的質(zhì)量為有效質(zhì)量m*，由氫原子的結(jié)果得到，由氫原子的結(jié)果得到 由于由于m* NANDNADADNNNnl ND NA時(shí),由于受主能級(jí)低于施主能級(jí), 施主雜質(zhì)的電子首先跳到受主雜質(zhì)的能級(jí)上，此時(shí)還有ND- NA個(gè)電子在施主能級(jí)上。l 在雜質(zhì)全部電離時(shí),它們躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子,有ND- NA個(gè)導(dǎo)帶電子,半導(dǎo)體是n型的。能帶角度的理解：能帶角度的理解：182.1.5 2.1.5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用（b bND NAND NAADANNNpl ND NA時(shí),由于受主能級(jí)低于施主能級(jí), 施

10、主雜質(zhì)的電子首先跳到受主雜質(zhì)的能級(jí)上,此時(shí)還有NA- ND個(gè)空穴在受主能級(jí)上。l 在空穴全部電離時(shí)躍遷到價(jià)帶時(shí),有NA- ND個(gè)價(jià)帶空穴,半導(dǎo)體是p型的。192.1.6 2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)通常情況下，半導(dǎo)體中些施主能級(jí)距離導(dǎo)帶底較近；或受主能能級(jí)距離價(jià)帶頂較近。深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)若雜質(zhì)提供的施主能級(jí)距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)；或提供的受主能能級(jí)距離價(jià)帶頂較遠(yuǎn)。l 許多深雜質(zhì)能級(jí)是由于雜質(zhì)的多次電離產(chǎn)生的.每一次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級(jí)，這些雜質(zhì)在硅或鍺的禁帶中往往引入若干個(gè)能級(jí)，而且有些雜質(zhì)還可以引入施主能級(jí)，又能引入受主能級(jí)。如：Au在Ge中產(chǎn)生四個(gè)深雜質(zhì)能級(jí),其中三個(gè)為

11、受主能級(jí)，一個(gè)為施主能級(jí)。2.1.6 2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)的作用1. ED，EA 較大，雜質(zhì)電離作用較弱，對(duì)載流子導(dǎo)電電子和空穴濃度影響較小；2. 對(duì)載流子的復(fù)合作用較大復(fù)合中心），降低非平衡載流子的壽命。2.2 III-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)2.2.1 GaAs中的雜質(zhì)等電子雜質(zhì)：是等價(jià)電子，與所取代的基體原子具有相同等電子雜質(zhì)：是等價(jià)電子，與所取代的基體原子具有相同價(jià)電子數(shù)的雜質(zhì)。價(jià)電子數(shù)的雜質(zhì)。GaP中參入中參入N或或Bi，分別在禁帶中產(chǎn)生，分別在禁帶中產(chǎn)生Ec=-0.008eV，Ev= +0.038eV能級(jí)處。能級(jí)處。N取代取代P后，比后，比P有更強(qiáng)的獲得電子的能力，?？晌粋€(gè)有更強(qiáng)的獲得電子的能力，?？晌粋€(gè)導(dǎo)帶中的電子變成帶負(fù)電的離子。導(dǎo)帶中的電子變成帶負(fù)電的離子。Bi取代取代P后，比后，比P有更強(qiáng)的獲得電子的能力，?？晌粋€(gè)有更強(qiáng)的獲得電子的能力，?？晌粋€(gè)價(jià)帶中的空穴變成帶正電的離子。價(jià)帶中的空穴變成帶正電的離子。等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì) (等電子陷阱）等電子陷阱）2.2.1 GaAs中的雜質(zhì)242.3 2.3 缺陷和位錯(cuò)能級(jí)缺陷和位錯(cuò)能級(jí)p 晶體中存在缺陷和位錯(cuò)的地方，嚴(yán)格的周期勢(shì)場(chǎng)也會(huì)發(fā)生畸變，這些缺陷可以在半導(dǎo)體的禁帶范圍內(nèi)引入電子能態(tài)而成為禁帶中的缺陷或位錯(cuò)能級(jí)，這些能級(jí)一般也是深能級(jí)。