第二章-半导体中杂质和缺陷能级..ppt

1 第二章半导体中杂质和缺陷的能级 2 2 1 1间隙式杂质和替位式杂质 2 1Si Ge晶体中的杂质能级 实际半导体中并不是完美的一种原子的晶体结构 存在着一定数目的缺陷和杂质 即使微量的杂质 对半导体的导电能力会带来巨大的影响 半导体的特性 杂质 与本体原子不同元素的原子 只有替位杂质才能被激活 正如一般电子为晶体原子所束缚的情况 电子也可以受杂质的束缚 形成杂质能级 电子也具有确定的能级 这种杂质能级处于禁带 带隙 之中 它们对实际半导体的性质起着决定性作用 3 2 1 1间隙式杂质和替位式杂质 半导体中间隙式杂质和替位式杂质 按照球形原子堆积模型 金刚石型晶体的一个原胞中的8个原子只占该晶胞体积的34 还有66 是空隙 A 间隙式杂质原子 原子半径比较小B 替位式杂质原子 原子的大小与被取代的晶体原子大小比较相近 杂质浓度 单位体积中的杂质原子数 4 2 1 2施主杂质施主能级 5 施主能级ED 被施主杂质束缚的多余的一个价电子状态对应的能量 2 1 2施主杂质施主能级 6 2 1 2施主杂质施主能级 施主杂质 施主电离 束缚态中性态 VA族杂质在硅 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 释放电子的过程 施主杂质未电离时电中性的状态 离化态 电离后成为正电中心 施主杂质电离能 ED 多余的一个价电子脱离施主杂质而成为自由电子所需要的能量 7 2 1 3受主杂质 受主能级 硼掺入硅中 硼只有三个价电子 与周围的四个硅原子成键时 产生一个空穴 其它成键电子很容易来填补这个空穴 填补时 空穴激发到价带 空穴电离 能量升高 同时硼原子成为负电中心 这一过程很容易发生 意味着空穴电离能较小 8 2 1 3受主杂质 受主能级 等价表述 受主杂质电离能 受主杂质电离 硼原子看成是一个负电中心束缚着一个空穴 空穴很容易电离到价带 同时在硼原子处成为一个负电中心 空穴挣脱受主杂质束缚的过程 使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量 P型半导体 如何计算 分析半导体中 杂质的能级 这里介绍一种最简单的 实际上也是最重要的一类杂质能级 类氢杂质能级 在Si Ge元素半导体和 族化合物半导体等最重要的半导体材料中发现 加入多一个价电子的元素 如在Si Ge中加入P As Sb 或在 族化合物中加入 族元素 这些掺入的杂质将成为施主 加入少一个价电子的元素 如在Si Ge中加入Al Ga In 或在 族化合物中加入 族元素 这些掺入的杂质将成为受主 2 1 4 浅能级杂质电离能的简单计算 加入多一个价电子的替位式杂质原子 在填满价带 饱和周围成键原子的共价键 之外尚多余一个电子 同时 相比原来的原子 杂质原子也多一个正电荷 多余的正电荷正好束缚多余的电子 类似氢原子的情形 加入少一个价电子的替位式杂质原子 在与近邻4个原子形成共价键时 缺少了一个电子 这样就使得此处的共价键中相比原来缺少了一个电子 其它价键中的电子很容易来填补这个空缺 这样一来 杂质处多了一个负电荷 同时满带处取去了一个电子 亦即多一个空穴 如同这个空穴可以被杂质负电荷所束缚 并类似氢原子的情形 只有正负电荷对调了 这样一个束缚的空穴相当于一禁带中一个空的受主能级 11 2 1 4 浅能级杂质电离能的简单计算 氢原子电子满足 可以解出能量本征值 基态氢原子的电离能Ei a0称为波尔半径 值为 2 1 4 浅能级杂质电离能的简单计算 半导体中点电荷库仑场 受到连续介质的屏蔽 库仑势减弱了 r 半导体相对介电常数 束缚电子或空穴的质量为有效质量m 由氢原子的结果得到由于m m0 远大于1 Ge 16 Si 12 GaAs 12 58 所以施主束缚能只有百分之几电子伏的数量级 估算结果与实际测量值有相同数量级 Ge ED 0 0064eVSi ED 0 025eV 按照以上方式所形成的施主和受主 称为类氢杂质能级 它们的束缚能很小 因此对产生导带电子和价带空穴特别有效 它们往往在这些材料中是决定导电性的主要杂质 由于这类杂质的束缚能很小 施主 受主 能级很靠近导带 价带 又称为浅能级杂质 Si中几种 族施主电离能如下 Si中几种 族受主电离能如下 杂质基态的玻尔半径 Bohr 16 2 1 5杂质的补偿作用 当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时 这种两种不同类型的杂质有相互抵偿的作用 称为杂质补偿作用 补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度 只有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度 空间角度的理解 施主周围有多余的价电子 受主周围缺少价电子 施主多余的价电子正好填充受主周围空缺的价键电子 使价键饱和 使系统能量降低 稳定状态 17 2 1 5杂质的补偿作用 a ND NA ND NA时 由于受主能级低于施主能级 施主杂质的电子首先跳到受主杂质的能级上 此时还有ND NA个电子在施主能级上 在杂质全部电离时 它们跃迁到导带成为导电电子 有ND NA个导带电子 半导体是n型的 能带角度的理解 18 2 1 5杂质的补偿作用 b ND NA ND NA时 由于受主能级低于施主能级 施主杂质的电子首先跳到受主杂质的能级上 此时还有NA ND个空穴在受主能级上 在空穴全部电离时跃迁到价带时 有NA ND个价带空穴 半导体是p型的 19 2 1 6深能级杂质 浅能级杂质 通常情况下 半导体中些施主能级距离导带底较近 或受主能能级距离价带顶较近 深能级杂质 若杂质提供的施主能级距离导带底较远 或提供的受主能能级距离价带顶较远 许多深杂质能级是由于杂质的多次电离产生的 每一次电离相应地有一个能级 这些杂质在硅或锗的禁带中往往引入若干个能级 而且有些杂质还可以引入施主能级 又能引入受主能级 如 Au在Ge中产生四个深杂质能级 其中三个为受主能级 一个为施主能级 2 1 6深能级杂质 深能级杂质的作用1 ED EA较大 杂质电离作用较弱 对载流子 导电电子和空穴 浓度影响较小 2 对载流子的复合作用较大 复合中心 降低非平衡载流子的寿命 2 2III V族化合物中的杂质能级 2 2 1GaAs中的杂质 等电子杂质 是等价电子 与所取代的基体原子具有相同价电子数的杂质 GaP中参入N或Bi 分别在禁带中产生Ec 0 008eV Ev 0 038eV能级处 N取代P后 比P有更强的获得电子的能力 常可吸引一个导带中的电子变成带负电的离子 Bi取代P后 比P有更强的获得空穴的能力 常可吸引一个价带中的空穴变成带正电的离子 等电子杂质 等电子陷阱 2 2 1GaAs中的杂质 24 2 3缺陷和位错能级 晶体中存在缺陷和位错的地方 严格的周期势场也会发生畸变 这些缺陷可以在半导体的禁带范围内引入电子能态而成为禁带中的缺陷或位错能级 这些能级一般也是深能级 如 硅 锗中的空位引起不饱和