2半导体中的杂质和缺陷.ppt

第二章半导体中杂质和缺陷能级 2 1Si Ge晶体中的杂质能级实际半导体与理想半导体的偏离a 原子在平衡位置附近作振动b 存在杂质c 存在缺陷1 杂质与杂质能级杂质 半导体中存在的与本体元素不同的其它元素缺陷 晶格中的原子周期性排列被破坏a 点缺陷 空位 间隙原子b 线缺陷 位错c 面缺陷 层错 杂质和缺陷出现在半导体中时 产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏 杂质能级位于禁带之中 EcEv 杂质能级 间隙式杂质 杂质原子位于晶格原子的间隙位置间隙式杂质原子一般比较小替位式杂质 杂质原子取代晶格原子位于晶格点处替位式杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近 价电子壳层结构相近 硅 锗为 族元素 与 族元素情况类似 故 族元素在硅 锗中为替位式杂质杂质浓度 单位体积中的杂质原子数施主杂质 能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心受主杂质 能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心 2 施主能级 举例 Si中掺磷P Si P 电离施主P Si 导带电子 电离的结果 导带中的电子数增加了 这即是掺施主的意义所在 施主电离能 ED EC ED ED Eg ED EC ED Eg ED EC EV ED 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 价电子挣脱束缚成为导电电子所需的能量施主杂质未电离时是中性的 电离后成为正电中心 施主杂质电离后导带电子增多 这种主要依靠电子导电的半导体称为N型半导体 施主杂质又称为N型杂质一般情况下施主能级是孤立能级施主能级位于离导带底很近的禁带中 3 受主能级 Si中掺硼B Si B 电离受主 价带空穴 受主能级EA 电离的结果 价带中的空穴数增加了 这即是掺受主的意义所在 Eg EA EA EV 受主电离能 受主杂质未电离时是中性的 电离后成为负电中心 受主杂质电离后价带空穴增多 这种主要依靠空穴导电的半导体称为P型半导体 受主杂质又称为P型杂质受主能级位于离价带顶很近的禁带中一般情况下 受主能级也是孤立能级 杂质半导体 1 n型半导体 a施主杂质电离 导带中出现施主提供的电子bn p2 p型半导体 a受主杂质电离 价带中出现受主提供的空穴bp n上述杂质的特点 施主电离能 ED Eg受主电离能 EA Eg均为浅能级杂质 4 浅能级杂质电离能的简单计算 1 氢原子基态电子的电离能 氢原子电子满足 故基态电子的电离能 2 用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能 浅能级杂质 杂质离子 束缚电子 空穴 正 负电荷所处介质 估算结果与实际测量值有相同数量级 Ge ED 0 0064eV Si ED 0 025eV 5 杂质的补偿作用 杂质的补偿 既掺有施主又掺有受主补偿半导体 A ND NA时n型半导体 因EA在ED之下 ED上的束缚电子首先填充EA上的空位 即施主与受主先相互 抵消 剩余的束缚电子再电离到导带上 半导体是n型的 有效的施主浓度ND ND NA ED EA B NA ND时p型半导体因EA在ED之下 ED上的束缚电子首先填充EA上的空位 即施主与受主先相互 抵消 剩余的束缚空穴再电离到价带上 半导体是p型的 有效的受主浓度NA NA ND EA ED C NA ND时杂质的高度补偿 本征激发的导带电子EcEDEAEv本征激发的价带空穴 6 深能级杂质 1 浅能级杂质 ED Eg EA Eg 2 深能级杂质 ED Eg EA Eg Ec Ec Ev Ev ED ED ED EA EA EA 例1 Au 族 在Ge中 Au在Ge中共有五种可能的状态 1 Au 2 Au0 3 Au一 4 Au二 5 Au三 1 Au Au0 eAu EC Eg ED EV ED 2 Au0 电中性态 3 Au一 Au0 eAu一 EC EV EA EA1 4 Au二 Au一 eAu二 EA2 EA1 EA2 EC EV EA2 5 Au三 Au二 eAu三 EA3 EA3 EA2 EA1 EV EC 例2 Au 族 在Si中 EC EV ED EA 7 等电子陷阱 1 等电子杂质特征 a 与本征元素同族但不同原子序数b 以替位形式存在于晶体中 基本上是电中性的 条件 电负性 共价半径相差较大同族元素原子序数越小 电负性越大 共价半径越小 等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时 取代后将成为负电中心 反之 将成为正电中心 原子的电负性是描述化合物分子中组成原子吸引电子倾向强弱的物理量 显然与原子的电离能 亲合能及价态有关 2 等电子陷阱 等电子杂质 如N 占据本征原子位置 如GaP中的P位置 后 即 N NP N的共价半径为0 07nm 电负性为3 0 P的共价半径为0 11nm 电负性为2 1所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心 它们可以吸引一个导带电子而变成负离子 这就是电子陷阱 相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成正离子这就是空穴陷阱 1 N在GaP中 NP2 C在Si中 CSi3 O在ZnTe中 其存在形式可以是 1 替位式 2 复合体 如Zn O8 束缚激子 即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后 又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子 这就是束缚激子 9 两性杂质 举例 GaAs中掺Si 族 Ga 族As 族 SiGa 受主 SiAs 施主 两性杂质