半导体物理学第二章课件.ppt

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1、半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构半导体异质结半导体物理学第二章半导体中杂质和缺陷能级半导体偏离理想的情况：2)材料含杂质，不纯净1)晶格原子在平衡位置附近振动，不静止在格点上3)晶格中存在缺陷(点缺陷（空位、间隙原子）线缺陷（位错）面缺陷（层错）)主要讨论杂质和缺陷：极微量的杂质和缺陷，会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杂质的影响：105个硅原子中有一个杂质硼原子，室温电导率增加103个数量级。

2、缺陷的影响：硅平面器件要求位错密度控制在103cm2以下。原因1.破坏了周期性势场；2.在禁带中引入了杂质能级。允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变。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2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级2.3氮化镓、氮化铝、碳化硅中的杂质能级2.4缺陷、位错能级2.1硅、锗晶体中的杂质能级2.1.1替位式杂质间隙式杂质晶体有间隙：金刚石晶体中，原子占全部的34%，空隙占66%。空隙---间隙位置，如金刚石原胞中央的位置T和三个面心、三个体心原子的中央H。金刚石结构（DiamondStructure

3、）硅、锗晶体中的间隙例：如图所示为一晶格常数为a的Si晶胞，求：（a）Si原子半径（b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比解：（a）（b）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，该杂质称为间隙式杂质。间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质。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族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。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单位cm-32.1.2施主

4、杂质、施主能级在纯硅中掺入5价的磷P，磷的5个价电子中的4个形成了共价鍵，剩余一个价电子+多余一个正电荷中心P+。价电子束缚在正电中心P+周围，此价电子很容易挣脱束缚，成为导电电子在晶格中运动，因磷离子为不动的正电荷中心，基本不参与导电。这种电子脱离杂质束缚的过程称为“杂质电离”。电子脱离束缚所需要的能量为“杂质电离能ED”。V族杂质能够施放(提供)导带电子被称为“施主杂质”或n型杂质。将施主束缚电子的能量状态称为“施主能级”记为ED。施主能级离导带底Ec的距离为ED。结论：掺磷(5价)，施主，电子导电，n型半导体。施主：掺入在半导体中的杂

5、质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中的P和AsN型半导体As半导体的掺杂施主能级2.1.3受主杂质受主能级在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一个电子，成为负电中心B-。硼的能级距价带能级顶部很近，容易得到电子。负电中心B-不能移动；而价带顶的空穴易于被周围电子填充，形成空穴的移动，即“导电空穴”。这种能够接受电子的杂质称之为“受主杂质”，或P型杂质。受主杂质获得电子的过程称之为“受主电离”；受主束缚电子的能量状态称之为“受主能级EA”；受主能级比价带顶

6、EV高“电离能EA”。受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中的BP型半导体B半导体的掺杂受主能级半导体的掺杂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，施主能级比导带底低，均为浅能级，这两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。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。电离能的大小：硅中掺磷为0.044，掺硼为0.045(eV)。锗中掺磷为0.0126，掺硼为0.01(eV)。这

7、种电离能很小，杂质可以在很低的温度下电离。故称之为“浅能级杂质”，在室温几乎全部电离。杂质能级用短线表示，因杂质浓度与硅相比很低，杂质原子相互之间几乎无作用，杂质能级相同，量子的排斥原理对低浓度的杂质掺杂不起作用。2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算氢原子替换类氢杂质E0=13.6eV(氢基态)，m0电子惯性质量，r相对介电常数氢原子玻尔轨道半径为Å，根据杂质类氢模型将代替，以代替，可得杂质等效玻尔半径，受主电离能同理例题硅中掺入某种施主杂质，设其电子有效质量,计算电离能为多少？若，其电离能又为多少？这两种值中哪一种更接近实验值？解答：利用类

8、氢原子模型：由实验知，Si中施主电离能在，所以后者接近实验值。2.1.5杂质的补偿作用同时掺入P型和n型两种杂质，它们会相互抵消。若ND>NA,则为n