半导体中杂质和缺陷能级

第二章 半导体中杂质和缺陷能级 2 1 1 杂质的类型 杂质 半导体中存在的与本体元素不同的其它元素 杂质在半导体中的分布状况 1 替位式杂质 杂质原子与被替代的晶格原子的大小比较相近 而且其价电子层结构也比较相近 2 间隙式杂质 通常这种杂质的原子半径是比较小的 3 杂质浓度 单位体积中的杂质原子数 举例 Si中掺磷P Si P 2 1 2施主杂质 施主能级 施主杂质 对半导体材料提供导电电子的杂质 称为施主杂质或者N型杂质 杂质电离 价电子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离 2 1 2施主杂质 施主能级 在Si单晶中 V族施主替位杂质两种荷电状态的价键图 a 电离态 b 中性施主态 杂质电离能 是使被俘获的电子摆脱束缚 从而可以成为导电电子所需的能量 ED EC ED ED EC ED EC ED EV 施主能级 将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级电子浓度n0 空穴浓度p0 2 1 3受主杂质 受主能级 举例 Si中掺硼B Si B 受主杂质 B在晶体中而产生导电空穴 被称为受主杂质或者P型杂质 杂质电离 受主杂质接受一个电子 在晶体中产生一个空穴的过程 称为杂质电离 在Si单晶中 族受主替位杂质两种荷电状态的价键图 a 电离态 b 中性受主态 EA EA EV 空穴浓度p0 电子浓度n0 受主能级 把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称为受主能级 受主电离能 是使被俘获的空摆脱束缚 从而可以参与传导电流所需的能量 EA EA EV 杂质半导体 1 n型半导体 特征 a 施主杂质电离 导带中出现施主提供的电子b 电子浓度n 空穴浓度p2 p型半导体 特征 a 受主杂质电离 价带中出现受主提供的空穴b 空穴浓度p 电子浓度n 杂质能级位于禁带之中 Ec杂质能级Ev 上述杂质的特点 施主电离能 ED Eg受主电离能 EA Eg 浅能级杂质 杂质的双重作用 1 改变半导体的电阻率2 决定半导体的导电类型 即 杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较近 2 1 4浅能级杂质电离能的简单计算 1 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 2 氢原子基态电子的电离能 氢原子电子满足 解得电子能量 氢原子基态能量 氢原子的电离能 故基态电子的电离能 2 1 4浅能级杂质电离能的简单计算 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 0064eVSi ED 0 025eV 2 1 5 杂质的补偿作用 1 本征激发与本征半导体 1 本征激发 在纯净半导体中 载流子的产生必须依靠价带中的电子激发到导带 它的特点是每产生一个导带电子就相应在价带中产生一个空穴 即电子和空穴是成对产生的 这种激发称为本征激发 即 n0 p0 ni ni为本征载流子浓度 2 本征半导体 不含杂质的半导体就是本征半导体 ni ni T 电子浓度 空穴浓度 n0 p0 ni 在室温 RT 300K 下 ni Ge 2 4 1013cm 3ni Si 1 5 1010cm 3ni GaAs 1 6 106cm 3 ni 本征载流子浓度 3 n型半导体与p型半导体 A 如施主浓度ND nin型半导体 B 如受主浓度NA nip型半导体 当半导体中掺入一定量的浅施主或浅受主时 因其离化能 ED或 EA很小 RT下的kT 0 026eV 所以它们基本上都处于离化态 UESTCNuoLiu 4 杂质的补偿 既掺有施主又掺有受主 A ND 施主浓度 NA 受主浓度 时 所以 有效的施主浓度ND ND NA ni 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 补偿半导体 n型半导体 ED EA B NA ND时 ED EA 所以 有效的受主浓度ND ND NA ni 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 C NA ND时 杂质的高度补偿 就实际而言 半导体的最重要的性质之一 就是能够利用施主和受主杂质两种杂质进行参杂 并利用杂质的补偿作用 根据人们的需要改变半导体中某一区域的导电类型 以制成各种器件 UESTCNuoLiu 2 1 6深能级杂质 1 浅能级杂质 2 深能级杂质 ED Eg EA Eg EA ED ED EA Ec Ec Ev Ev ED Eg EA Eg 杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较远 深能级杂质的特征 1 浅能级施主能级靠近导带 浅能级受主能级靠近价带 深能级施主则主要位于禁带中线下 深能级受主主要位于禁带中线上 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 2 多重能级特性 一些深能级杂质产生多次电离 导致多重能级特性 1 Au Au0 eAu E Eg EC EV ED 失去唯一的价电子 产生施主能级ED 2 Au一 Au0 eAu一 EA1 Au接受一个电子后变成Au 产生受主能级EA1 3 Au二 Au一 eAu二 Au接受两个电子后变成Au 产生受主能级EA2 4 Au三 Au二 eAu三 Au接受三个电子后变成Au三 产生受主能级EA3 Au在Si中既可作施主 又可作受主 称为两性杂质 如果在Si中掺入Au的同时又掺入浅受主杂质 Au呈施主作用 反之 若同时掺入施主杂质 则Au呈受主作用 EC EV EA ED 由于电子间的库仑排斥力的作用 Au从价带接受第二个电子所需的电离能比接受第一个电子时要大 接受第三个对比第二个大 所以EA3 EA2 EA1 深能级杂质在半导体中以替位式的形态存在 一般情况下含量极少 它们对半导体中的导电电子浓度 导电空穴浓度和材料的导电类型的影响没有浅能级杂质显著 但对载流子的复合作用比浅能级杂质强得多 2 4 族化合物中德尔杂质能级 1 等电子杂质特征 a 与本征元素同族但不同原子序数例 GaP中掺入 族的N或Bib 以替位形式存在于晶体中 基本上是电中性的 2 等电子陷阱 等电子杂质 如N 占据本征原子位置 如GaAsP中的P位置 后 即 存在着由核心力引起的短程作用力 它们可以吸引一个导带电子 空穴 而变成负 正 离子 前者就是电子陷阱 后者就是空穴陷阱 N NP 3 束缚激子 例 GaP NNP eNP 等电子陷阱 之后NP hNP h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 4 两性杂质 举例 GaAs中掺Si 族 Ga 族As 族 两性杂质 在化合物半导体中 某种杂质在其中既可以作施主又可以作受主 这种杂质称为两性杂质 SiGa 受主 SiAs 施主 两性杂质 2 4缺陷能级 2 4 1点缺陷 空位 指本体原子缺位 间隙 指不应有原子的地方加入了一个原子 1 空位 间隙的产生与消失 1 由体内产生 在较高温度下 极少数的原子热运动特别激烈 克服周围原子化学键束缚而脱离格点 形成间隙原子 原先所处的位置成为空位 这时空位和间隙原子成对出现 弗仑克尔缺陷 2 由表面产生 在表面空位和间隙原子都可以单独的产生 然后扩散到体内 这时空位和间隙原子的数目也是独立变化的 3 消失过程 空位和间隙原子的产生过程都可以倒过来进行 在温度保持一定条件下 产生和消失可以达到相对的平衡 这时空位和间隙原子的浓度将保持相对稳定 以上两种由温度决定的点缺陷又称为热缺陷 2 位错能级 主要指线缺陷 如图 在位错所在处 有一个不成对的电子成为不饱和的共价键 若这一不饱和键获得一个电子 起受主作用 而当原子E失去一个价电子 则起施主作用 一般情况下位错倾向于得到电子 起受主作用 而且产生的受主能级是深能级 位错周围的晶格发生