半导体物理第2章半导体中杂质和缺陷能级

第2章半导体中杂质和缺陷能级 2 1硅 锗晶体中的杂质能级 实际晶体与理想晶体的区别原子并非在格点上固定不动 在平衡位置附近振动并不纯净 杂质的存在缺陷点缺陷 空位 间隙原子 线缺陷 位错 面缺陷 层错 晶粒间界 2 1 1替位式杂质 间隙式杂质 替位式杂质 取代晶格原子杂质原子的大小与晶体原子相似III V族元素在硅 锗中均为替位式杂质间隙式杂质 位于晶格原子间隙位置杂质原子小于晶体原子杂质浓度 单位体积内的杂质原子数 元素周期表 2 1 2施主杂质 施主能级 施主杂质V族元素在硅 锗中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心 称此类杂质为施主杂质或n型杂质 施主电离施主杂质释放电子的过程 施主能级被施主杂质束缚的电子的能量状态 记为ED 施主电离能量为 ED n型半导体依靠导带电子导电的半导体 本征半导体结构示意图 本征半导体 纯净的 不含其它杂质的半导体 N型半导体 2 1 3受主杂质 受主能级 受主杂质III族元素在硅 锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心 称此类杂质为受主杂质或p型杂质 受主电离受主杂质释放空穴的过程 受主能级被受主杂质束缚的空穴的能量状态 记为EA 受主电离能量为 EAp型半导体依靠价带空穴导电的半导体 P型半导体 杂质半导体的简化表示法 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 浅能级杂质几乎可以全部电离 五价元素磷 P 锑在硅 锗中是浅施主杂质三价元素硼 B 铝 镓 铟在硅 锗中为浅受主杂质 浅能级杂质电离能比禁带宽度小得多 杂质种类对半导体的导电性影响很大 在N型半导体中 电子浓度大于空穴浓度 电子称为多数载流子 空穴称为少数载流子 在P型半导体中 空穴浓度大于电子浓度 空穴称为多数载流子 电子称为少数载流子 2 1 4浅能级杂质电离能简单计算 类氢模型氢原子中电子能量n 1 2 3 为主量子数 当n 1和无穷时 氢原子基态电子的电离能考虑到1 正 负电荷处于介电常数 0 r的介质中2 电子不在空间运动 而是处于晶格周期性势场中运动 施主杂质电离能受主杂质电离能 2 1 5杂质的补偿作用 当ND NA时n ND NA ND 半导体是n型的当ND NA时p NA ND NA 半导体是p型的当ND NA时杂质的高度补偿有效杂质浓度补偿后半导体中的净杂质浓度 当ND NA时ND NA为有效施主浓度当ND NA时NA ND为有效受主浓度 杂质的补偿作用的应用 利用杂质的补偿作用 根据扩散或离子注入的方法来改变半导体某一区域的导电类型 制成各种器件 在一块n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质 由于杂质的补偿作用 该区就成为 型半导体 2 1 6深能级杂质 非III V族元素在硅 锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和价带顶较远 形成深能级 称为深能级杂质 特点不容易电离 对载流子浓度影响不大深能级杂质能够产生多次电离 每次电离均对应一个能级 能起到复合中心作用 使少数载流子寿命降低 两性杂质 两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的杂质 如 族GaAs中掺 族Si 如果Si替位 族As 则Si为施主 如果Si替位 族Ga 则Si为受主 所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关 2 3 1点缺陷 热缺陷 由温度决定 弗伦克耳缺陷成对出现的间隙原子和空位肖特基缺陷只形成空位而没有间隙原子对于化合物半导体 偏离正常的化学比化合物半导体中的替位原子 2 3缺陷 位错能级 空位易于间隙原子出现因为空位周围有四个不成对电子 所以空位表现出受主作用 每个间隙原子有四个可以失去的电子 所以表现出施主作用 2 3 2位错 锗中的60 棱位错 111 面内位错线 10 1 和滑移方向 1 10 之间的夹角是60 锗中位错具有受主及施主的作用 晶格畸变 思考题 2 1 什么叫浅能级杂质 它们电离后有何特点 2 2 什么叫施主 什么叫施主电离 施主电离前后有何特征 试举例说明之 并用能带图表征出n型半导体 2 3 什么叫受主 什么叫受主电离 受主电离前后有何特征 试举例说明之 并用能带图表征出p型半导体 2 4 掺杂半导体与本征半导体之间有何差异 试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响 2 5 两性杂质和其它杂质有何异同 2 6 深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响 2 7 何谓杂质补