半导体中的杂质和缺陷能级ppt课件.ppt

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1、第二章半导体中的杂质和缺陷能级要求：●掌握半导体中杂质的作用与杂质能级；●掌握半导体中的缺陷及其影响重点：浅能级和深能级杂质及其作用，杂质的补偿作用1原子并非固定不动，格点原子在平衡位置附近振动；半导体并非纯净，含有若干杂质（基质以外的任何元素）；半导体晶格并非完美（完整），存在各种缺陷：点缺陷线缺陷面缺陷实际半导体材料：杂质来源：§2.1Si、Ge晶体中的杂质能级1、替（代）位式杂质间隙式杂质①原材料纯度不够；②工艺过程中引入玷污；③人为掺入杂质—为改善半导体材料性能；（1）Si、Ge都具有金刚石结构，一个晶胞内含有8个原子

2、。2（2）若视晶体中的原子为球体，且最近原子相切：则66％是空的相邻两球的半径之和（直径）为立方体体对角线的1/4。3（3）杂质原子进入半导体中的存在方式：①位于格点原子间的间隙位置——间隙式杂质（一般杂质原子较小）②取代格点原子而位于格点上——替代式杂质（一般杂质原子大小与被取代的晶格原子大小近似，且价电子壳层结构也较相似）Si、Ge是Ⅳ族元素，Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge中是替位式杂质。杂质浓度：单位体积中的杂质原子数，表示半导体晶体中杂质含量的多少，杂质浓度的单位为cm-3或/cm3。替位式杂质和间隙式杂质42、施主杂质施主

3、能级Si中掺P效果上形成正电中心P++一个价电子被正电中心P+束缚，位于P+周围，此束缚远小于共价键束缚，很小的能量△E就可以使其挣脱束缚，形成“自由”电子，在晶格中运动（在导带）。杂质电离：电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程。杂质电离能：电子脱离杂质原子的束缚，成为导电电子所需的能量。记作△ED。△ED的值Si中约0.04～0.05eVGe中约0.01eV<

4、——施主离化态；EcEvED＋＋＋Eg△ED一般情况下，杂质浓度较低杂质原子间的相互作用可以忽略所以施主能级是一些相同能量的孤立能级，即不形成能带。掺入施主杂质后，杂质电离导致电子增多，增强半导体的导电能力，主要依靠电子导电的半导体称为N型半导体Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）晶体杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096△ED＝Ec—EDED：施主杂质束缚电子的能量状态，称为施主能级。动画：施主杂质63、受主杂质受主能级Si中掺B效果上形成负电中心B-+一个空穴被负电中

5、心B-束缚，位于B-周围，此束缚远小于共价键束缚，很小的能量△E就可以使其挣脱束缚，形成价带导电空穴。以Si中掺入Ⅲ族替位式杂质B为例受主杂质或P型杂质：空穴挣脱受主杂质束缚的过程——受主电离；受主杂质未电离时呈中性——束缚态或中性态；Ⅲ族元素电离后形成负电中心——受主离化态；使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需的能量△EA——受主杂质电离能；7EcEvEA-Eg△EA-Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能△EA（eV）晶体杂质BAlGaInSi0.0450.0570.0650.16Ge0.010.010.0110.011EA：被受

6、主杂质束缚的空穴的能量状态，称为受主能级。△EA＝EA—EV掺入受主杂质后，价带导电空穴增多，增强了半导体的导电能力，将主要依靠空穴导电的半导体称为P型半导体总结：①Ⅲ族元素（受主杂质）：在禁带中引入比Ev高△EA的受主能级EA束缚态（中性态）离化态（向价带提供导电空穴，成为负电中心）Ⅴ族元素（施主杂质）：在禁带中引入比EC低△ED的施主能级ED束缚态（中性态）离化态（向导带提供导电电子，成为正电中心）动画：受主掺杂8②Ⅲ、Ⅴ族元素的杂质电离能（△EA、△ED）很小，即：受主能级EA距EV很近、施主能级ED距EC很近，故杂质能

7、级称为浅能级，相应的杂质称为浅能级杂质。③室温下（T＝300k），Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族杂质几乎全部离化。（浓度不高，一般全部离化）4、浅能级杂质电离能的简单计算（氢原子模型估算）氢原子基态电子电离能E0=13.6ev；硅、锗的相对介电常数为12、16。95、杂质的补偿作用如果在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，施主杂质和受主杂质具有相互抵消的作用，称为杂质的补偿作用。杂质补偿T=0K,ND>NA1）对于杂质补偿的半导体，若ND>NA：在T=0K时，电子按顺序填充能量由低到高的各个能级，由于受主能级EA比施主能级ED低，

8、电子将先填满受主能级EA，然后再填充施主能级ED，因此施主能级上的电子浓度为n0=ND-NA。设：ND：施主杂质浓度NA：受主杂质浓度n0：导带中的电子浓度p0：价带中的空穴浓度10通常当温度达到大约100K以上时，施主能级上的ND-NA个电子就全部被激发到导带，这时导带中的