半导体物理学-半导体中杂质和缺陷能级.ppt

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1、主要内容：杂质分类；施主杂质、受主杂质；施主能级、受主能级；浅能级杂质、类氢模型估算浅能级杂质电离能、估算浅能级杂质的弱束缚载流子基态轨道半径；杂质的补偿；深能级杂质；等电子陷阱、等电子杂质、杂质的双性行为；点缺陷的种类、反结构缺陷、位错和位错能级等重点：施主杂质、受主杂质；施主能级、受主能级；浅能级杂质、深能级杂质；杂质的补偿；杂质的双性行为第二章半导体中的杂质和缺陷能级2.1硅、锗晶体中的杂质能级2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级2.3缺陷和位错的能级第二章半导体中的杂质和缺陷能级本征半导体：是指没有杂质和缺陷的半导体，其内部的

2、电子和空穴成对出现，叫做本征半导体。非正征半导体：半导体材料内部由于杂质或缺陷，使得电子或空穴任意一方增加，这样的半导体叫做掺杂半导体。本征激发:T>0K时,电子从价带激发到导带,同时价带中产生空穴.n0=p0=nin0p0=ni2ni------本征载流子浓度第二章半导体中的杂质和缺陷能级第二章半导体中的杂质和缺陷能级实际半导体与理想半导体的主要区别实际晶体理想晶体原子在平衡位置附近振动原子静止在严格周期性的晶格格点位置不纯净，含有杂质纯净存在点、线、面缺陷晶格结构完整无缺杂质：半导体晶格中存在的与组成半导体材料的元素不同的其他元素

3、的原子。缺陷点缺陷，如空位、间隙原子、替位原子等线缺陷，如位错等面缺陷，如层错、晶粒间界等杂质和缺陷原子的周期性势场受到破坏在禁带中引入能级决定半导体的物理和化学性质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Si和Ge都具有金钢石结构，一个原胞含有8个原子。原胞内8个原子的体积与立方原胞体积之比为34%，原胞内存在66%的空隙。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2.1硅、锗晶体中的杂质能级杂质原子进入半导体硅后，只可能以两种方式存在

4、。一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质；间隙式杂质原子一般较小，如离子锂（Li+）。Si：r=0.117nmLi+:r=0.068nm;P:r=0.11nm另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位式杂质。替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层结构也相似。用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量多少，杂质浓度的单位为1/cm3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi2.1硅、锗晶体中的杂质能级施主掺杂（掺磷）2.1.

5、2施主杂质、施主能级SiP+SiSiSiSiSiSiSi-磷替代硅，其效果是形成一个正电中心P+和一个多余的价电子。这个多余的价电子就束缚在正电中心P+的周围（弱束缚）。●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●Si●P对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径：r~65ÅSi的晶格常数为5.4Å

6、○对于Ge中的P原子，r85Å+4+4+5+4多余价电子磷原子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。电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离。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

7、，能够释放电子而产生导电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。2.1硅、锗晶体中的杂质能级带有分立的施主能级的能带图施主能级电离能带图被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级ED。施主能级位于离导带低很近的禁带中杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级是一些具有相同能量的孤立能级。2.1硅、锗晶体中的杂质能级表2-1硅、锗晶体中Ⅴ族杂质的电离能(eV)掺施主的半导体的导带电子数主要由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子（电子数>>空穴数）

8、，对应的半导体称为N型半导体。称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。2.1.3受主杂质受主能级2.1硅、锗晶体中的杂质能级受主掺杂（掺硼）SiB-SiSiSiSiSiSiSi+硼原子接受一个电子后，成