第二章半导体中杂质和缺陷能级终稿

第二章半导体中杂质和缺陷能级终稿第一页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1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金钢石晶体结构中的六角形间隙位置第二页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1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。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+）。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/cm3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi第三页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级

施主掺杂（掺磷）2.1.2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）。第四页，共四十页，编辑于2023年，星期四+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。第五页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1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，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。第六页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1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第七页，共四十页，编辑于2023年，星期四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)第八页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1.3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，成为带负电的硼离子，称为负电中心（B-）。带负电的硼离子和带正电的空穴间有静电引力作用，这个空穴受到硼离子的束缚，在硼离子附近运动。第九页，共四十页，编辑于2023年，星期四空穴B-+4+4+3+4Ⅲ族元素占据了硅原子的位置：Ⅲ族元素有3个价电子，它与周围的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴，而Ⅲ族原子接受一个电子后所在处形成一个负离子中心，所以，一个Ⅲ族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个负电中心和一个空穴第十页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级2.1.3受主杂质、受主能级

空穴束缚在Ⅲ族原子附近，但这种束缚很弱很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运动的导电空穴，而Ⅲ族原子形成一个不能移动的负电中心。硅、锗中的Ⅲ族杂质，能够接受电子而在价带中产生空穴，并形成负电中心的杂质，称为受主杂质或P型杂质，掺有P型杂质的半导体叫P型半导体。受主杂质未电离时是中性的，电离后成为负电中心。第十一页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级受主能级电离能带图带有分立的受主能级的能带图第十二页，共四十页，编辑于2023年，星期四被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA。施主能级位于离价带顶很近的禁带中杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的受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2-2硅、锗晶体中III族杂质的电离能(eV)第十三页，共四十页，编辑于2023年，星期四施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B总结第十四页，共四十页，编辑于2023年，星期四总结

第十五页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算采用类氢原子模型估算施主和受主杂质的电离能氢原子中电子的能量：n=1时,基态电子能量n=时，氢原子电离E=0氢原子的电离能第十六页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级晶体内杂质原子束缚的电子：m0mn*,mp*;0r0

施主杂质的电离能：Si:Ge:受主杂质的电离能第十七页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级氢原子半径：施主杂质半径：基态下（n=1），氢原子的轨道半径：作业：第二章习题7第二章习题8两题都加上第三小问③请画出杂质能级的能带图第十八页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级2.1.5杂质的补偿作用当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是n型还是p型呢？在半导体中，若同时存在着施主和受主杂质，施受主杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂质的补偿作用。ND>>NANA>>NDNA~ND~第十九页，共四十页，编辑于2023年，星期四1、当ND>>NA2.1硅、锗晶体中的杂质能级因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为n=ND-NA。即则有效施主浓度为NAeff≈ND-NAECEVEDEA第二十页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级2、当NA>>ND施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有NA-ND个空穴，它们可接受价带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓度p=NA-ND.即有效受主浓度为NAeff≈NA-NDECEVEDEA第二十一页，共四十页，编辑于2023年，星期四3、当NAND时，不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿.这种材料容易被误认高纯半导体，实际上含杂质很多，性能很差，不能用采制造半导体器件.2.1硅、锗晶体中的杂质能级第二十二页，共四十页，编辑于2023年，星期四杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础

如能根据需要用扩散或离子注人方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件.

晶体管制造过程中的杂质补偿n型Si外延层PN硼磷2.1硅、锗晶体中的杂质能级NN第二十三页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级2.1.6深能级杂质

在半导体硅、锗中，除Ⅲ、Ⅴ族杂质在禁带中形成浅能级外，其它各族元素掺入硅、锗中也会在禁带中产生能级第二十四页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级特点：1、施主杂质能级距离导带底较远，受主杂质能级距离价带顶较远，这种能级称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。2、深能级杂质能够产生多次电离，每次电离对应有一个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。第二十五页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级第二十六页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级第二十七页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.1硅、锗晶体中的杂质能级金在锗中产生的能级金在锗中产生4个能级，ED是施主能级，EA1、EA2和EA3是受主能级。中性金原子只有一个价电子，它取代锗原子后，金的这一价电子可以电离跃迁到导带，形成施主能级ED。它也可以从价带接受3个电子，形成三个受主能级。金有5种荷电状态，Au+,Au0,Au-,Au--,Au---ECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在锗中的能级第二十八页，共四十页，编辑于2023年，星期四

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级

1、Ⅱ族元素为受主杂质铍、镁、锌、镉取代Ⅲ族原子而处于晶格格点上，引入浅受主能级晶体杂质铍镁锌镉GaAs0.0300.0300.0240.021GaP0.0560.0540.0640.009GaAs、GaP晶体中受主杂质的电离能第二十九页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级GaAs电子浓度和硅杂质浓度的关系2、Ⅳ族杂质在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是两性掺杂剂

Ⅳ族元素取代Ⅲ族原子则起施主作用；Ⅳ族元素取代Ⅴ族原子则起受主作用。

导带中电子浓度随硅杂质浓度的增加而增加，当硅杂质浓度增加到一定程度时趋于饱和。硅先取代Ga原子起施主作用，随着硅浓度的增加，硅取代As原子起受主作用。第三十页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级

3、Ⅵ族元素取代Ⅴ族原子，引入施主能级

Ⅵ族元素氧、硫、硒、碲比Ⅴ族元素多一个价电子而且容易失去，所以表现为施主杂质。晶体杂质硫硒碲GaAs0.0060.0060.03GaP0.1040.1020.0895GaAs、GaP晶体中受主杂质的电离能（eV)第三十一页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级4、掺过渡族元素，制备高电阻率的半绝缘GaAs5、Ⅲ族的B、Al取代Ga,Ⅴ族的P，锑取代As既不是施主也不是受主杂质。6、掺Ⅰ族元素，一般起受主作用。第三十二页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.3氮化镓的杂质能级目前常用硅作为GaN的n型掺杂，用镁，锌作为GaN的p型掺杂。硅作为施主的电离能：0.012~0.02eV镁作为受主的电离能：0.14~0.21eV第三十三页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.3缺陷、位错能级2.3.1点缺陷

间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位

肖特基缺陷：晶体内形成空位而无间隙原子。弗仓克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。硅、锗材料中空位表现为受主；间隙原子表现为施主

第三十四页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.3缺陷、位错能级化合物半导体中，利用成分偏离正常的化学比的现象来控制材料的导电类型化合物中的替位原子，如Ga取代As的位置起受主作用；As取代Ga的位置起施主作用，这种点缺陷称为反结构缺陷第三十五页，共四十页，编辑于2023年，星期四2.3缺陷、位错能级2.3.2位错线位错（在一条线附近原子的排列偏离了严格的周期性）面位错（在一个面附近原子的排列偏离了严格的周期性）根据实验测得：Si中位错能级在价带顶上面0.03~0.09eV处Ge中的位错能级在导带底下面0.2~0.35eV处都属于深受主能级当位错密度较高时，由于它和杂质之间的补偿作用，能使