半导体中的杂质和缺陷ppt课件.ppt

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1、第二章半导体中杂质和缺陷能级理想半导体：1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本征激发提供载流子本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。第二章半导体中杂质和缺陷能级实际材料中总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。杂质能级位于禁带之中EcEv杂质能级杂质和缺陷

2、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一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成是半径为r的圆球，则可以计算出这八个原子占据晶胞空间的百分数如下：说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的8个原子只占有晶胞体积的34%，还有66%是空隙§2.1.1替位式杂质间隙式杂质金刚石型晶体结构中的两种空隙如图2-1所示。这些空隙通常称为间隙位置§2.1.1替位式杂质间隙式杂质杂质原子进入半导体硅后，以两种方式存在一种方式是杂质原子位

3、于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质（A）另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，常称为替位式杂质（B）§2.1.1替位式杂质间隙式杂质两种杂质特点：间隙式杂质原子一般比较小，如：锂离子，0.068nm替位式杂质：1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近2）价电子壳层结构比较相近如：ⅢⅤ族元素§2.1.2施主杂质施主能级Ⅴ族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质§2.1.2施主杂质施主能级以硅中掺磷P为例：磷原子占据硅原子的位置。磷原

4、子有五个价电子。其中四个价电子与周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一个价电子。这个多余的价电子就束缚在正电中心P＋的周围。价电子只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子P＋，它是一个不能移动的正电中心。在Si单晶中，V族施主替位杂质两种荷电状态的价键图§2.1.2施主杂质施主能级上述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这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电离能施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电

5、子，使半导体成为电子导电的n型半导体。施主电离能：△ED=EC-ED△ED=EC-EDEgECEDEV§2.1.2施主杂质施主能级§2.1.2施主杂质施主能级施主杂质的电离过程，可以用能带图表示如图2-4所示.当电子得到能量后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底低。将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）晶杂质体PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260

6、.01270.0096§2.1.2施主杂质施主能级§2.1.3受主杂质受主能级Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。§2.1.3受主杂质受主能级以硅中掺硼B为例：B原子占据硅原子的位置。硼原子有三个价电子。与周围的四个硅原子形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子，这就在Si形成了一个空穴。这时B原子就成为多了一个价电子的硼离子B－，它是一个不能移动的负电中心。空穴束缚在正电中心B－的周围。空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动

7、在Si单晶中，Ⅲ族受主替位杂质两种荷电状态的价键§2.1.3受主杂质受主能级使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为受主杂质电离能受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。受主电离能：△EA=EA-EVEgEA△EAEVEC§2.1.3受主杂质受主能级§2.1.3受主杂质受主能级受主杂质的电离过程，可以用能带图表示如图2-6所示.当空穴得到能量后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，所以空穴被受主杂质束缚时的能量比价带顶高。将被受主杂质束缚的

8、空穴的能量状态称为受主能级，记为，所以受主能级位于离价带顶很近的禁带中Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能△EA（eV）晶杂质体BAlGaInSi0.0450.0570.0650.16Ge0.010.010.0110.011§2.1.3受主杂质受主能级§2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能