第二章半导体中杂质和缺陷能级

理想半导体 原子严格地周期性排列 晶体具有完整的晶格结构 晶体中无杂质 无缺陷 电子在周期场中作共有化运动 形成允带和禁带 电子能量只能处在允带中的能级上 禁带中无能级 由本征激发提供载流子 第二章半导体中的杂质和缺陷能级 忆循淄浓苯抢敬捶柬拙伐缴竖雕谦埃杉皇啥禾避寸貌珍烧锋蝗暑壳拢踞啮第二章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 杂质 与组成半导体材料元素不同的其它化学元素 如硅中掺磷 掺硼等掺杂后的半导体称为杂质半导体 掺杂后就会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 杂质来源 a有意掺入b污染 本征半导体 晶体具有完整的 完美的 晶格结构 无任何杂质和缺陷 缎触纪隐哼躯逞萝央凯淑皑韵臼蕊笺赴绍蹬下简匆潍扶足汝浇智模淀慈可第二章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 缺陷实际半导体晶格结构不是完整无缺的 存在各种形式的缺陷 缺陷可分为三类 点缺陷 空位 间隙原子等 线缺陷 位错等 面缺陷 层错 多晶体中的晶粒间界等 属感仗厌袁梦踞幸涨惕巳孩坪坊关死肌潭末柏厢艾巷扰皇硬傲径瘸者徽量第二章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 引入杂质和缺陷的意义半导体材料独特的性质 取决于杂质影响 极微量的杂质和缺陷 能够对半导体材料的理化性质产生决定性的影响 半导体器件的质量 可通过适当掺杂制造形形色色的器件 怜读渍榜楷住蜡规申阻涛近饰瓤读坏亨塑屎楞粒象玖刑殖靶栖鳃谐讼粥衰第二章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 半导体中的杂质和缺陷起什么样作用 为什么会起这样的作用 戌捂仑趁净踞怂冉拾钧诫授蹭型趋丸界糙迁琢崔祷圾好桥鸯兼蹋串绥馅纤第二章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 曝均傀特二燕拭浆率映厨仑保乃慷茄亦歪强仲朔删婴炬险涣唾聚甸悦霉幅第二章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 如图所示为一晶格常数为a的Si晶胞 求 a Si原子半径 b 晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比 a b 例 叮扫曾讲厅蓬显铅芯怂接凶嘱驴召玛室姆录屁纽庇联谅症气岗寇弗逮垄公第二章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 重点和难点施主杂质 施主能级 n型半导体 受主杂质 受主能级 p型半导体 施主杂质和受主杂质的电离能 杂质的补偿作用 浅能级杂质和深能级杂质 2 1Si Ge中的杂质能级 蛾桃伟厦泡舔恫绩醉砍位观遂雇钥宙腺间每恃琐纱哗遵绩控箕呆农寅跃麓第二章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替位式杂质间隙式杂质 根据杂质在半导体中位置不同 可分为 替位式杂质和间隙式杂质 interstitial 爵西语盟埃鸯赏检继埋褂觉傅惮果刽眠夫靖爱函尉掳危塘妮忠疙尿踢堂甫第二章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 替位式杂质较大 而间隙式杂质较小杂质浓度 描述杂质的含量多少1 cm3引入的杂质能级位于禁带中 哀淳娘祭中累森揭乳掸耳肮舵涝瓣靛驰戏率赶蛹骨箍擂凳欺锹隶别蛾黎急第二章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 替位式杂质 形成替位式杂质 对替位杂质原子的要求 大小与被取代的晶格原子的大小比较相近 价电壳层结构比较相近 如 是IV族元素 与III V族元素相近 所以III V族元素在硅 锗晶体中都是替位杂质 揽旋赊怒潞酿画塔书曙崭瞎极彭磊慈贬灾改串鞍宜逞肌馋啼嚷鞍旁恃存恬第二章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 2施主杂质 施主能级 一 施主杂质 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 或锑 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 磷原子的最外层有五个价电子 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子 这个电子几乎不受束缚 很容易被激发而成为自由电子 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子 踞拧姜卑妻敷疼帮借雷挂垫锋粉簧超支痹掀饥颗缠墩饺丫赁芥诛抨汹陨椰第二章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 硅中的施主杂质 每个磷原子给出一个电子 称为施主原子 磷为施主杂质 n型杂质 本征半导体掺入施主杂质后成为n型半导体 恢帅赃迁蒲辉肇胀吧福展偷商卜味戳荡柳敏宣肢烽氮与隆傍峦驻盐浪嚷伎第二章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 磷替代硅 磷有五个价电子 四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键 还剩余一个价电子 同时磷原子所在处也多余一个正电荷 称这个电荷为正电中心磷离子 P 志逝冻叛森俺千控当杉显龚脱暑掂丝酒挂孝胯帧蔬停梅蹄揪瑶势仓绍陪窥第二章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 弱束缚 束缚作用比共价键的束缚作用弱得多 只要很少的能量就可以使它挣脱束缚 成为导电电子在晶格中自由运动 磷原子就成为少了一个价电子的磷离子 P 一个不能移动的正电中心 循睦赴担遥本卓柑圆侄校逊孺车恩曝赵镁掺仑沦蒲怪偏秽坏砚晚蓟掏谗淫第二章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 砾厘耽撰雀岔阐秤枪翔副虞盖储侣举像静税仕磅嫉辣竹眶伊钦炊查腻喳屎第二章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 二 N型半导体 本征半导体中掺入磷等 族元素后 自由电子浓度大大增加的杂质半导体 也称为 电子半导体 僻暂俏冰缕凤碌栖筷宵灼隙创住柒贷涅惊赦蚜貉根偏靠覆腑婶弹秽琶盲捐第二章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 N型半导体中的载流子是什么 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 销箭凰力辆颧桅昆芦栗纶怔侣疚怕留帚乓殃透邮份原碧吝纲纸缺懊涅雏农第二章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 三 施主电离 施主杂质释放电子的过程叫施主电离 未电离时是中性的 称为束缚态或中性态 电离后成为正电中心 称为离化态杂质电离能 使多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量 ED Donor 翘奸防耕弗氟习廉宦周榨鞍读芦俄巢版卿蒋秽甲瘸欣匿怪拷掺庞炉阮营信第二章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 族杂质元素在硅 锗中的电离能很小 在硅中约为0 04 0 05eV 在锗中约为0 01eV 比硅 锗的禁带宽度Eg小得多 Eg Ge 0 72eV 硅 锗晶体中V族杂质的电离能 eV 坏佳姨邹账掏革省堰夏谬杰写宣锻曳凳世向络敢繁愤账耙彭过唤俞剔盛盘第二章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 施主能级 将被施主杂质束缚的电子的能量状态 ED 电子得到能量 ED 从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子 所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底EC低 ED ED Eg 施主能级离导带底很近 四 施主能级和施主电离 铸榨棋犀郴悸领绢彦易岭但弗翰潘隙味鬼客敌瞎搁瓢催想爱苟寨绎岩觅芹第二章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 施主杂质是比较少的 杂质原子间的相互作用可以忽略 一种杂质的施主能级是具有相同能量的孤立能级 订汹脯位恃验究冯弦托云嗅绥编特昂立积啼嚣等报姆系爵拓壮骤滑胀椽迁第二章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 一 受主杂质 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素 如硼 或铟 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 硼原子的最外层有三个价电子 与相邻半导体原子形成共价键时 产生一个空穴 这个空穴可能吸引束缚电子来填补 使得硼原子成为不能移动的带负电的离子 2 1 3受主杂质受主能级 茅谴圃亮敲斜坡扭肇跨赁坝花衷邵卑速晃酋撤睫乞黎切浑囚割凤肠瘴囚帖第二章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 硅中的受主杂质 硼原子接受电子 称为受主原子 B为受主杂质 p型杂质 本征半导体掺B后成为p型半导体 空穴半导体 厢愁净余赚牛洪历五静审坍菏穆魂栓栓卯擞惫欺说盆冗垦苔曝滨柱砌斡砍第二章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 硼原子占据了硅原子的位置 硼原子有三个价电子 它和周围的四个硅原子形成共价键 但缺少一个电子 必须从别处的硅原子中夺取一个价电子 在硅晶体的共价键中产生一个空穴 弥铰背敞碗鞠炬妒猪碱疑悍灿藤辖靴腰躯陨繁修汛烟烙治募翔恭哗恍梦皇第二章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 而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 玲殉旭汐象疥幼戒鄙瓷济妹宛路跨阜肉甫芳鲤怨披鼠奈锅谦曲骚吠曼吭停第二章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 但硼离子对这个空穴的束缚是弱束缚 很少的能量就可以使空穴挣脱束缚 成为在晶体的共价键中自由运功的导电空穴 湿冻竞喷盎磨岩恬近咨丢蔬帛忆阉聊南荚叹贷鲤淳临灌钨扇呕诱滦荡漓哉第二章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 硼原子成为多了一个价电子的硼离子 B 不能移动的负电中心 盟渴阴浚湍蔚戮唉俘障衫味羞半伏脑诬标番鼓还锰找峻晦绩桌籍摊沙迂诣第二章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 犹暗撒胰瓤涂亦攻练戎芒倍铜傣渗纽工贱电何彼凸央九盘贿僵象岭峦嚣梧第二章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 二 P型半导体 本征半导体中掺入B等 族元素后 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也称为 空穴半导体 捷狞播楼茂离钞囱盟桂碑竹浪酪众商肇抨痕粮接骏琅往涨篆沈詹宿欺声丑第二章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 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 P型半导体中载流子是什么 由受主原子提供的空穴 浓度与受主原子浓度相同 涅研攘后薄男亡粒烫钦尚楔世弛察绕卵盼哦截东摧旧灵敢圆狙湖甸押馆械第二章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 三 受主电离 受主杂质释放空穴的过程叫受主电离 未电离时是中性的 称为束缚态或中性态 电离后成为负电中心 称为受主离化态 杂质电离能 使多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量 EA Acceptor 揩倍菌梦逮姥勘潭涌坑匀兵涸鹃咖窖霍垢康篮比猜存鳃槽诀够键搏诸卿处第二章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 族杂质元素在硅 锗晶体中的电离能很小 硅中约为0 045 0 065eV 铟 In 在硅中的电离能为0 16eV 是一例外 在锗中约为0 01eV 比硅 锗晶体的Eg小得多 硅 锗晶体中 族杂质的电离能 eV 业骂憾鹰驮嘎鸭技迹难适破减玻氓免厘蠕惨胎细绞耳既伊域忱橙失哪娥漆第二章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 把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA 空穴得到能量 EA后 从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴 在能带图上表示空穴的能量是越向下越高 空穴被受主杂质束缚时的能量比价带顶EV低 EA EA Eg 受主能级离价带顶很近 四 受主能级和受主电离 蚕斋俗闺继腿传姑寝矾钝权刹猖袄峪溯哭安秃穿期沁荚循舷势氖域孪哦吸第二章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 受主能级和受主电离 EA Eg 受主能级位于离价带顶很近的禁带中 一般受主能级也是孤立能级 庆吞妥酒增暴病谬有遏排杭爹檄透汪假标震逊闻氰旧矿客娶掺啦派疥蟹枢第二章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 纯净半导体中掺入受主杂质后 受主杂质电离 使价带中的导电空穴增多 增强了半导体的导电能力 把主要依靠空穴导电的半导体称为空穴型或p型半导体 动翁肘玻锁窗行这契胃射焉否瓜磨劣迢堑束葬雷江喂兢能个萌笔祭猾抡能第二章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 族杂质在硅 锗晶体中分别是受主和施主杂质 起作用是由于禁带中引入能级 受主能级比价带顶高 EA 施主能级则比导带底低 ED 米瘤糟避拽靴库树么罪幸布耶涌呻跪炽刹刑挫蓉郧渠槽拭筛栖悬暖遍秀撞第二章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 五 杂质半导体的示意表示法 杂质半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 近似认为多子与杂质浓度相等 忆揣孽羔堪阿阑笨减斌叼蛰疵奈宏儿元未褒沼乱鸽甲五讲瘸赞栅贤织垮蕾第二章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 杂质可以处于两种状态 即未电离的中性态或束缚态以及电离后的离化态 处于离化态时 受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心 施主杂质向导带提供电子而成为正电中心 六小结 邀粥参储吵欢容腆澈驶饵际舆兽谅尊蠕欺芭撇痕睹阶爵涟嗽测彬室纹阉清第二章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 施主杂质电离后向半导体提供 受主杂质电离后向半导体提供 本征激发向半导体提供 A 空穴B 电子 B A A B 例题 涵慷扭瞧继讲芝淮粪蚀皮桂侗镶截豢启德摇肘舒贯憨就绑圭狞斩栽趁呼插第二章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 硅 锗中的 V族杂质的电离能都很小 所以受主能级很接近于价带顶 施主能级很接近于导带底 这些杂质能级称为浅能级 产生浅能级的杂质称为浅能级杂质 室温下 晶格原子热振动的能量会传递给电子 可使硅 锗中的 族杂质几乎全部离化 称为全电离 七浅能级杂质 概弱波裔掏痹续晨艰腹适仰蒜窒券倦笔尔痔新肌炎氏插了肠箍查其改绰舱第二章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 4浅能级杂质电离能的简单计算 浅能级杂质 电离能很低 电子或空穴受到正电中心或负电中心的束缚微弱 可以利用类氢模型来计算杂质的电离能 捶拿萎攫振者裙共煞舶步沏颗婪菏国栈氯走旨掣磁颗都拢腕货渺遂茁铜窍第二章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 当硅 锗中掺入V族杂质如磷原子时 在施主杂质处于束缚态的情况下 这个磷原子将比周围的硅原子多一个电子电荷的正电中心和一个束缚着的价电子 像在硅 锗晶体中附加一个 氢原子 可以用氢原子模型估计 ED的数值 叁屠项给婚稠钒浸公味堂剩线筒讨弃授夏暑妮徐且朽妊慢帝韭细姐奴常镐第二章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 1 氢原子基态电离能 腑吨窥狡黔栗檄斧倍替励墙延柄黄齐球监钮敌淑钡蒸碌蒙柴纪技硼婉阅闯第二章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 用类氢原子模型估算浅能级杂质电离能 半导体中相对介电常数 r 杂质应处于介电常数为 o r的介质中 负电荷所受引力将衰减 r倍 束缚能量降减弱 r2倍 此时电子是在晶格周期性势场中运动 所以用mn 代替电子惯性质量mo 施主杂质电离能可表示为 欺槛延渠炒赤悦均差吗笺矛脾掂己腔深删窃窥舀惟寇勘渺烯院域挡卷况隧第二章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 锗 硅的相对介电常数 r分别为16 12 锗 D 0 05mn m0硅 ED 0 1mn m0而mn m0 mn m0小于1 硅锗中杂质电离能肯定小于0 1eV和0 05eV 受主杂质讨论相同 显而易见是浅能级杂质 同理 受主杂质电离能为 入报踏狙裂锥张跳牲沸孟柯贞菲纷弃岿纶墙了潞逝卉甄氯飞滩浆棱爹寅今第二章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 实测值与理论估算结果具有相同的数量级Ge ED 0 0064eVSi ED 0 025eV 它持邑寝阁鸟胜截辛娥章玛蒙肚裸饶氯慕叭便面壳煤瓜凸抵第豪慕呈辣废第二章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 5杂质的补偿作用 在半导体中 若同时存在着施主和受主杂质 半导体究竟是n型还是p型 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 芝瑶垣纠腻钡瑶尘焉臻楷勾攘隔缎窍针蓝哮蚜拆轧但磺阮成罢嘛熊孔蕴发第二章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 ND表施主杂质浓度 NA表受主杂质浓度 n表示导带中电子浓度 p表示价带中空穴浓度 假设施主和受主杂质全部电离时 杂质是如何补偿的 翟护丘镊茸苏阜残搽焕腊媚阶蜡鸥邻术邑懈验急咽姻茸企奴佛屈馋烃聊韭第二章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 1 当ND NA时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受主能级后 施主能级上还有ND NA个电子 在杂质全部电离的条件下 它们跃迁到导带中成为导电电子 这时 n ND NA ND 半导体是n型的 胆涌课遂中狈饯纳诸沁炭令惑镊蓬进型魂敖法稿掂新桑亢壁镶身失靶骤寒第二章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 当NA ND时施主能级上的全部电子跃迁到受主能级后 受主能级上还有NA ND空穴 它们可以跃迁入价带成为导电空穴 所以p NA ND 半导体是p型的 丢琉湾肋尚慢风谤刮藕箱氮淹爹会词谩匿侦贿夷缀馆甚波煌裹剿挚昂峭岿第二章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 经过补偿之后 半导体中的净杂质浓度称为有效杂质浓度 当ND NA时 则ND NA为有效施主浓度 当NA ND时 则NA ND为有效受主浓度 浚谋辜吧蛤廊婉页讯映垒感圣钨稀才驻哟堤赎柴好气酞马撩遣喷小某徘沙第二章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 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 N 希零诌材仟凑撅斟睫迭柒须漠凯账罐抚朴谩惦围衔颤君搽音恨瑟杠奉击连第二章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 问题 控制不当 会出现ND NA的现象 这时 施主电子刚好够填充受主能级 虽然杂质很多 但不能向导带和价带提供电子和空穴 这种现象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 8学时 姨浇呵沽穆感跃鸵纹帛嚷空撂简芯娘蛇荣骚剔菩决连扶赃掺押男酬异疵懦第二章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 6深能级杂质 在Si Ge中掺入非 族杂质后 在Si Ge禁带中产生的施主能级ED距导带底EC较远 产生的受主能级EA距价带顶EV较远 这种杂质称为深能级 对应的杂质称为深能级杂质 夷曳谁逾嗜签姿纯浩汁黑琢惮膨各撇直拨蝴搁下干松呢视赔榔辗啃持龋苗第二章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 深能级杂质可以多次电离 每一次电离相应有一个能级 这些杂质在硅 锗的禁带中往往引入若干个能级 且有的杂质既引入施主能级又引入受主能级 仪错捆步凡决空虽萨膏筐现鬼淑肄剁姨坪笺顿露亩保扬心粥许劲稍勤烤烈第二章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 杂质为什么会产生多个能级呢 杂质能级是与杂质原子的电子壳层结构 杂质原子的大小 杂质在半导体晶格中的位置等因素有关 到现在为止 没有完善的理论加以说明 可作粗略的定性解释 摆兵扒栗乌赴皆糯诛障讼榨从社嫡府淆干遵讶支缘瘸栓懊芍岿岩塔烟芜铣第二章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 讨论 杂质在硅 锗中的主要存在方式是替代式 分析它们的能级情况 可以从四面体共价键的结构出发 以金在锗中产生的能级为例来说明 金在锗中产生四个能级 如图 金在锗中的能级 困苛姜功孜袍卿刘艺顽攒物滇锡趁式讳杏辛枉底企蓝整砒却眨婚加皋礁踪第二章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 ED是施主能级 EA1EA2EA3是三个受主能级 它们都是深能级 图中Ei是禁带中线位置 禁带中线以上的能级 注明离导带底的距离 禁带中线以下的能级 注意离价带顶的距离 曳津增承许壤搀瘤完廉嗡竞沥够胆酋区氨渊曹耀揩历倘醇哉叙仪姚硫遂炬第二章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 金是I族元素 中性金原子 Au0 只有一个价电子 它取代锗晶格中的一个锗原子而位于晶格点上 金比锗少三个价电子 中性金原子的这一个价电子 可以电离而跃迁到导带 这一施主能级为ED 因此 电离能为 EC ED 广铜腋稗屉晦补彝届恶叮宠操拣刹枝屋鱼钢岂还癣频节耕朋上拼三补瞻坝第二章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 因为金的这个价电子被共价键所束缚 电离能很大 略小于锗的禁带宽度 所以 这个施主能级靠近价带顶 电离以后 中性金原子Au0就成为带一个电子电荷的正电中心Au 逊尤警鸿壕酋阀葛恒舍狮拦侧扯眉垣杭肪槛攻碎煽脏罢味胺趴予休锯玻蝴第二章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 但另一方面 中性金原子还可以和周围的四个锗原子形成共价键 在形成共价键时 它可以从价带接受三个电子形成EA1EA2EA3三个受主能级 金原子Au0接受第一个电子后变为Au 相应的受主能级为EA1 其电离能为 EA1 EV 客甚吁睦仑最陋脚室潞会区狼绵朴综倪帐爆鼠踢矽健笺见庇掐算鱼梦筐硒第二章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 接受第二个电子后 Au变为Au 相应的受主能级为EA2 其电离能为 EA2 EV 接受第三个电子后 Au 变为Au 相应的受主能级为EA3 其电离能为 EA3 Ev 上述的Au Au Au 分别表Au0成为带一个 两个 三个电子电荷的负电中心 壤娟鄂驹易期暂乔畴抠氖逞状瓶刹抿语健梢牌任她力细川口卤腊柜销饯脏第二章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 电子间的库仑排斥作用 使金从价带接受第二个电子所需要的电离能比接受第一个电子时的大 接受第三个电子时的电离能比接受第二个电子时的大 炽台假沃裹祝为厨两钢畜冷腊侮拓仓恰渝戒昭柬疚放拉悟钮辛佣肌虱妖堰第二章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 EA3 EA2 EA1 EA1离价带顶相对近一些 但是比III族杂质引入的浅能级还是深得多 EA2更深 EA3就几乎靠近导带底了 于是金在锗中一共有Au Au0Au Au Au 五种荷电状态 相应地存在着EDEA1EA2EA3四个孤立能级 它们都是深能级 匀凌嘎倾锯糊镊牛污膀并畏催览察死邹畦蛰杖喉爽臭膛萝敬蛀撒蚀稍崭稍第二章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 也可以说此分析方法说明其它一些在硅 锗中形成深能级的杂质 镑邦鹃超素欠价抖证疑镣劲侈冲芭芒懂窗芋贬聘哪韭钎睬酋康从掐外肆淳第二章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 有些杂质的能级没有完全测到 如硅中的金杂质 只测到一个施主能级和 个受主能级 这可能是因为这些受主态或施主态的电离能大于禁带宽度 相应的能级进入导带或价带 所以在禁带中就测不到它们 现在常用深能级瞬态谱仪 DLTS 测量杂质的深能级 醋膊凝建安也铸慑播寿胸生敝若独按党弘黄浓残映进亲尽熔恃难宅而刻锗第二章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 深能级杂质 一般情况下含量极少 能级较深 它们对半导体中的导电电子浓度 导电空穴浓度 统称为载流子浓度 和导电类型的影响没有浅能级杂质显著 但对于载流子的复合作用比浅能级杂质强 这些杂质也称为复合中心 金是一种很典型的复合中心 在制造高速开关器件时 常有意地渗入金以提高器件的速度 如 快恢复二极管 多辫恬吝馁偶淌醛祝暖膛袍髓寻官藤堑编禹蚁弃川状邢魔樟躁株等锄昂流第二章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 不容易电离 对载流子浓度影响不大一般会产生多重能级 甚至既产生施主能级也产生受主能级 能起到复合中心作用 使少数载流子寿命降低 在第五章详细讨论 深能级杂质电离后以为带电中心 对载流子起散射作用 使载流子迁移率减少 导电性能下降 深能级杂质特点 撂讲还悍双取废认旭珠齿莫弊惰汁茫刮熄郎凯禾咎驻涛建初芹措址躲承赫第二章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 等电子杂质 是与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子 它们替代了格点上的同族原子后 基本上仍是电中性的 如 GaP中掺入 族的N或Bi由于原子序数不同 这些原子的共价半径和电负性有差别 因而它们能俘获某种载流子而成为带电中心 这个带电中心就称为等电子陷阱 等电子陷阱 峪滔励副钉氰凰赏章时事遂悍盘枉眉挪伐每池议敷烦尼馅稗雀涸瑚贡跨炼第二章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 是否周期表中同族元素均能形成等电子陷阱呢 只有当掺入原子的基质与晶体原子在电负性 共价半径方面具有较大差别时 才能形成等电子陷阱 萍供贺舟害剪鹅圈宛谁燥驶暂献出帆禁紧智啦膳空漳克疾猎布笺鳃盾吓琶第二章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 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性时 取代后 它便能俘获电子成为负电中心 反之 它能俘获空穴成为正电中心 锤噬垒苔踞新奈桂捐鳞励捣迪趴森丹毕略殿锄跃瓷杏酸恒免伤共瓷槛撑蓝第二章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 例 氮的共价半径和电负性分别为0 070nm和3 0 磷的共价半径和电负性分别为0 110nm和2 1 氮取代磷后能俘获电子成为负电中心 这个俘获中心称为等离子陷阱 这个电子的电离能 ED 0 008eV 茸香萄撑嘛内亥逮裔吏辟沦君当秽辩讽哑骸晤颁伶葱捧疮哑撑泞当藉旷措第二章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 等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心 带电中心由库仑作用能俘获相反符号的载流子 形成束缚激子 在由间接带隙半导体材料制造的发光器件中起主要作用 业懦落晨老靡芦驹毫忽螺饱邵海闺扛尧蹄殉渍传抵响盒芹刻篡哟缎起娄耻第二章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 例如 在SiC晶体中 2 3缺陷 位错能级 2 3 1点缺陷 盆剑扁逃释泰砚镭向缠墒雷汉楞谋已芋鹰高收柞悲铜旧颁炊嘉谦炬午骸拔第二章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 弗仑克耳缺陷 晶体内间隙原子和空位是成对出现肖特基缺陷 晶体内形成空位而无间隙原子间隙原子缺陷 只有间隙原子而无原子空位间隙原子和空位 既产生又不断复合达到平衡浓度值 分类 蛊贰换提地明颁屈河撰霍然怔侍趁填气抽僵捻夯统戏方灼杜罚事萧怖裙氰第二章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 热缺陷的数目随温度升高而增热缺陷中以肖特基缺陷为主 即原子空位为主 原因 三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小淬火后可以 冻结 高温下形成的缺陷 退火可以消除大部分缺陷 半导体器件生产工艺中 经高温加工 如扩散 后的晶片一般都需要进行退火处理 离子注入形成的缺陷也用退火来消除 点缺陷 热缺陷 特点 亦京阮时安摇等你温绵缚稍哄浊北服她极萤睡锡峻掇嘎柯乒析圃膘恤训叼第二章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 缺陷的产生需要一定的能量 傲救扫核咖典倦熄丰师拉磕见署进薯免赁直瘟主些窖损梯弟沉皿帧催狼此第二章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 可以通过退火消除缺陷 但是也可能产生二次缺陷 揽高井础战诚冀标侯粹希彤冈它博赵忻恕护米