第二章半導(dǎo)體

第二章半導(dǎo)體第1頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三雜質(zhì)和缺陷原子的周期性勢場受到破壞在禁帶中引入能級決定半導(dǎo)體的物理和化學(xué)性質(zhì)第2頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三雜質(zhì)：半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素。第3頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三缺陷點(diǎn)缺陷，如空位、間隙原子等線缺陷，如位錯(cuò)等面缺陷，如層錯(cuò)、晶粒間界等第4頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第5頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第6頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三SiP●Li第7頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三雜質(zhì)出現(xiàn)在半導(dǎo)體中時(shí)，產(chǎn)生的附加勢場使嚴(yán)格的周期性勢場遭到破壞。第8頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三雜質(zhì)能級位于禁帶之中EcEv雜質(zhì)能級

第9頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第10頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第11頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三BA第12頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三正電中心第13頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第14頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第15頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

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~65?Si的晶格常數(shù)為5.4?○對于Ge中的P原子，r

85?第16頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三P原子中這個(gè)多余的電子的運(yùn)動(dòng)半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余四個(gè)電子，所受到的束縛最小，極易擺脫束縛成為自由電子。施主雜質(zhì):束縛在雜質(zhì)能級上的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶Ec成為導(dǎo)帶電子，該雜質(zhì)電離后成為正電中心（正離子）。這種雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)具有提供電子的能力。第17頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三導(dǎo)帶電子電離施主P+第18頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三對氫原子氫原子中電子的能量第19頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第20頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三設(shè)施主雜質(zhì)能級為ED施主雜質(zhì)的電離能△ED：即弱束縛的電子擺脫束縛成為晶格中自由運(yùn)動(dòng)的電子（導(dǎo)帶中的電子）所需要的能量。

施主的電離能第21頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三施主電離能：

△ED=EC-ED

△ED=EC-EDECEDEgEV第22頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第23頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三對于Si、Ge摻PEcEv施主能級靠近導(dǎo)帶底部ED第24頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。第25頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三價(jià)帶導(dǎo)帶第26頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三（1）在Si中摻入B2.元素半導(dǎo)體中ⅢA族替位雜質(zhì)的能級B獲得一個(gè)電子變成負(fù)離子，成為負(fù)電中心，周圍產(chǎn)生帶正電的空穴。B－＋B－第27頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三受主雜質(zhì)：束縛在雜質(zhì)能級上的空穴被激發(fā)到價(jià)帶Ev成為價(jià)帶空穴，該雜質(zhì)電離后成為負(fù)電中心（負(fù)離子）。這種雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)具有得到電子的性質(zhì)，向價(jià)帶提供空穴。第28頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三價(jià)帶空穴電離受主B－第29頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三電離的結(jié)果：價(jià)帶中的空穴數(shù)增加了，這即是摻受主的意義所在。

受主能級EA第30頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三EcEvEA受主能級靠近價(jià)帶頂部(2)受主電離能和受主能級第31頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三Si、Ge中Ⅲ族雜質(zhì)的電離能△EA（eV）晶體雜質(zhì)

BAlGaIn

Si0.0450.0570.0650.16

Ge0.010.010.0110.011第32頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三受主能級EA受主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上為價(jià)帶電離的電子所占據(jù)（空穴由受主能級向價(jià)帶激發(fā)）。第33頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)：雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向?qū)У能S遷或空穴從受主能級向價(jià)帶的躍遷）。本征激發(fā)：電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電子，這種激發(fā)稱為~。只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。所需要的能量稱為雜質(zhì)的電離能。第34頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第35頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)>>空穴數(shù)），對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。稱電子為多數(shù)載流子，簡稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。第36頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三摻受主的半導(dǎo)體的價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)>>電子數(shù)），對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體?？昭槎嘧?，電子為少子。

第37頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三EcED電離施主電離受主Ev3.雜質(zhì)的補(bǔ)償作用(1)ND＞NA半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，施主和受主之間有互相抵消的作用此時(shí)為n型半導(dǎo)體n=ND-NAEA第38頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三EcEDEAEv電離施主電離受主(2)ND<NA此時(shí)為p型半導(dǎo)體

p=NA-ND第39頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三(3)ND≈NA雜質(zhì)的高度補(bǔ)償EcEvEAED不能向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴第40頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第41頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三(2)間隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子缺陷起施主作用

第42頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三1.Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷三、化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷

第43頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三●施主雜質(zhì)

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族雜質(zhì)在GaAs中一般起施主作用，為淺施主雜質(zhì)。第44頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三●受主雜質(zhì)

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族元素雜質(zhì)在GaAs中通常起受主作用，均為淺受主雜質(zhì)。第45頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三●中性雜質(zhì)

Ⅲ族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元素（P、Sb）在GaAs中通常分別替代Ga和As，由于雜質(zhì)在晶格位置上并不改變原有的價(jià)電子數(shù)，因此既不給出電子也不俘獲電子而呈電中性，對GaAs的電學(xué)性質(zhì)沒有明顯影響。在禁帶中不引入能級第46頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三●兩性雜質(zhì)

Ⅳ族元素雜質(zhì)（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs中的作用比較復(fù)雜，可以取代Ⅲ族的Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同時(shí)取代兩者。Ⅳ族雜質(zhì)不僅可以起施主作用和受主作用，還可以起中性雜質(zhì)作用。第47頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三在摻Si濃度小于1×1018cm-3時(shí)，Si全部取代Ga位而起施主作用，這時(shí)摻Si濃度和電子濃度一致；而在摻Si濃度大于1018cm-3時(shí)，部分Si原子開始取代As位，出現(xiàn)補(bǔ)償作用，使電子濃度逐漸偏低。例如：第48頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三（2）GaAs晶體中的點(diǎn)缺陷當(dāng)T＞0K時(shí)：

●空位VGa、VAs

●間隙原子GaI、AsI

●反結(jié)構(gòu)缺陷—Ga原子占據(jù)As空位，或As原子占據(jù)Ga空位，記為GaAs和AsGa。

第49頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三化合物晶體中的各類點(diǎn)缺陷可以電離，釋放出電子或空穴，從而影響材料的電學(xué)性質(zhì)。第50頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三

實(shí)際晶體中，由于各種缺陷形成時(shí)所需要的能量不同，他們濃度會有很大差別。

GaAs

曾認(rèn)為VAs、VGa是比較重要的。最近發(fā)現(xiàn)，主要缺陷是VAs、AsI。VGa、VAs、AsI是起施主還是起受主作用，尚有分歧。較多的人則采用VAs、AsI為施主、VGa是受主的觀點(diǎn)來解釋各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第51頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第52頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第53頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三

（2）Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體中的缺陷主要是離子鍵起作用，正負(fù)離子相間排列組成了非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以外界雜質(zhì)對它們性能的影響不顯著。其導(dǎo)電類型主要是由它們自身結(jié)構(gòu)的缺陷（間隙離子或空格點(diǎn)）所決定，這類缺陷在半導(dǎo)體中常起施主或受主作用。

第54頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第55頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三a.負(fù)離子空位產(chǎn)生正電中心，起施主作用電負(fù)性小第56頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三b.正離子填隙產(chǎn)生正電中心，起施主作用第57頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三c.正離子空位產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用電負(fù)性大第58頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三d.負(fù)離子填隙產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用第59頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三負(fù)離子空位產(chǎn)生正電中心，起施主作用正離子填隙正離子空位負(fù)離子填隙產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用第60頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第61頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三EcEvED第62頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三EcEvEDEA1第63頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三EcEvEDEA1EA2EA3第64頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第65頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三深能級一般作為復(fù)合中心對載流子和導(dǎo)電類型影響較小深能級瞬態(tài)譜儀測量雜質(zhì)的深能級自學(xué)：

等電子陷阱

束縛激子