第二章-半导体中的杂质与缺陷(更新上传)PPT课件

.,1,第二章半导体中的杂质和缺陷,.,2,理想半导体：1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。3、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。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。由本征激发提供载流子。,.,3,实际半导体：1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。2、杂质电离提供载流子。,杂质半导体,.,4,主要内容,2-1元素半导体中的杂质能级2-2化合物半导体中的杂质能级2-3缺陷、位错能级,重点掌握锗、硅晶体中的杂质能级，-族化合物半导体的杂质能级。,施主/受主施主杂质/受主杂质施主能级/受主能级浅能级杂质/深能级杂质,浅能级杂质电离能的计算杂质补偿作用,.,5,2-1元素半导体中的杂质能级,一、杂质存在的方式1、杂质存在方式,金刚石结构Si中，一个晶胞内的原子占晶体原胞的34%，空隙占66%。,杂质与本体元素不同的其他元素,.,6,(2)替位式杂质占据格点的位置。大小接近、电子壳层结构相近,Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nm,Li：0.068nm,(1)间隙式杂质位于组成半导体的元素或离子的格点之间的间隙位置。,Li,半导体中杂质存在方式,.,7,二、元素半导体的杂质,1.VA族的替位杂质施主杂质,在硅Si中掺入P,磷原子替代硅原子后，形成一个正电中心P和一个多余的价电子,束缚态未电离离化态电离后,.,8,电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电中心，称为施主杂质。,施主杂质施主能级,被施主杂质束缚的电子的能量比导带底Ec低，称为施主能级，ED。施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，杂质的施主能级是具有相同能量的孤立能级,ED,施主浓度：ND,+,+,+,+,+,-,ED,Eg,Ec,Ev,.,9,施主电离能ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量,EC,ED,ED=ECED,施主电离能,EV,.,10,施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。,含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子N型半导体，或电子型半导体,.,11,在Si中掺入B,B具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。受主杂质向价带提供空穴。,2.A族替位杂质受主杂质,B获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。,B,B,EA,受主浓度：NA,.,12,(2)受主电离能和受主能级,受主电离能EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量,EA,受主能级EA：被受主杂质所束缚的空穴能量,.,13,受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离的电子所占据空穴由受主能级向价带激发。,含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴P型半导体，或空穴型半导体。,.,14,施主和受主浓度：ND、NA,施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B,小结！,.,15,.,16,N型半导体特征：,a施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子,b电子浓度n空穴浓度p,P型半导体特征：,a受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴,b空穴浓度p电子浓度n,N型和P型半导体都称为极性半导体,.,17,P型半导体价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电子为少子。,N型半导体导带电子数由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子。电子为多子，空穴为少子。,多子多数载流子少子少数载流子,.,18,杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发。具有杂质激发的半导体称为杂质半导体,杂质激发,3.杂质半导体,电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为本征激发。只有本征激发的半导体称为本征半导体。,本征激发,N型和P型半导体都是杂质半导体,.,19,施主向导带提供的载流子=10161017/cm3本征载流子浓度,杂质半导体中杂质载流子浓度远高于本征载流子浓度,Si的原子浓度为10221023/cm3,掺入P的浓度/Si原子的浓度=10-6,例如：Si在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，,.,20,上述杂质的特点：,施主杂质：,受主杂质：,浅能级杂质,杂质的双重作用：,改变半导体的导电性决定半导体的导电类型,杂质能级在禁带中的位置,很接近导带底,很接近价带顶,.,21,4.浅能级杂质电离能的简单计算,浅能级杂质=杂质离子+束缚电子（空穴）,类氢模型,.,22,玻尔原子电子的运动轨道半径为：,n=1为基态电子的运动轨迹,氢原子中的电子的电离能为E0=13.6eV,玻尔能级：,玻尔原子模型,.,23,类氢模型：计算束缚电子或空穴运动轨道半径及电离能,运动轨道半径：,电离能：,.,24,施主能级靠近导带底部,对于Si、Ge掺P,估算结果与实测值有相同的数量级,.,25,对于Si、Ge掺B,.,26,5.杂质的补偿作用,(1)NDNA,半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用,此时半导体为n型半导体,有效施主浓度n=ND-NA,EA,.,27,(2)NDNA,此时半导体为p型半导体,有效受主浓度p=NA-ND,.,28,(3)NDNA,杂质的高度补偿,本征激发产生的导带电子,本征激发产生的价带空穴,.,29,6.深杂质能级,根据杂质能级在禁带中的位置，将杂质分为：,浅能级杂质能级接近导带底Ec或价带顶Ev，电离能很小,深能级杂质能级远离导带底Ec或价带顶Ev，电离能较大,EC,ED,EV,EA,Eg,EC,EA,EV,ED,Eg,.,30,例：在Ge中掺Au可产生3个受主能级，1个施主能级,Au的电子组态是：5s25p65d106s1,Au+,Au0,Au-,Au2-,Au3-,多次电离，每一次电离相应地有一个能级既能引入施主能级又能引入受主能级,Au,Ge,Ge,Ge,Ge,.,31,1.Au失去一个电子施主,Ec,Ev,ED,ED=Ev+0.04eV,Au,.,32,Ec,Ev,ED,EA1,2.Au获得一个电子受主,EA1=Ev+0.15eV,Au,.,33,3.Au获得第二个电子,Ec,Ev,ED,EA1,EA2=Ec-0.2eV,EA2,Au2,.,34,3.Au获得第三个电子,Ec,Ev,ED,EA1,EA3=Ec-0.04eV,EA2,EA3,Au3,.,35,深能级杂质的特点,A杂质能级深B.主要以替位式存在.C.杂质在禁带中引入多个能级。D.有的属于两性杂质。如替代同一原子，则施主总在受主下方。E.深能级杂质的行为与杂质的电子层结构、原子大小、杂质在晶格中的位置等有关。,.,36,.,37,2-2族化合物半导体中的杂质能级,理想的GaAs晶格为价键结构：含有离子键成分的共价键结构,Ga-,As,Ga,Ga,As,Ga,As+,Ga,As,族化合物半导体中的杂质,.,38,施主杂质替代族元素,受主杂质替代III族元素,两性杂质III、族元素,等电子杂质同族原子取代,.,39,（1）施主杂质,族元素:族元素(Se、S、Te)在GaAs中通常都替代族元素As原子的晶格位置，由于族原子比族原子多一个价电子，因此族杂质在GaAs中一般起施主作用，为浅施主杂质。,.,40,（2）受主杂质,I、II族元素（Ag、Au，Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代族元素Ga原子的晶格位置，由于I、族原子比族原子少一或二个价电子，因此I、族元素杂质在GaAs中通常起受主作用，均为浅受主。,.,41,（3）两性杂质,族元素杂质可以取代族的Ga，也可以取代族的As，甚至可以同时取代两者，因此族杂质可以同时起施主作用和受主作用，称为两性杂质。,例:在掺Si浓度小于11018cm-3时，Si全部取代Ga位而起施主作用，这时掺Si浓度和电子浓度一致；而在掺Si浓度大于1018cm-3时，部分Si原子开始取代As位，出现补偿作用，电子浓度逐渐偏低。,SiGa,SiAs,.,42,（4）中性杂质,族元素（B、Al、In）和族元素（P、Sb）在GaAs中通常分别替代Ga和As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数，因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性，对GaAs的电学性质没有明显影响，在禁带不引入能级。,.,43,（5）等电子杂质,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替代了同族原子后，基本仍是电中性的。但是由于共价半径和电负性不同，它们能俘获某种载流子而成为带电中心。带电中心称为等电子陷阱。,例如，N取代GaP中的P而成为负电中心,杂质电负性较本体原子大，俘获电子，形成电子陷阱.杂质电负性较本体原子小，俘获空穴，形成空穴陷阱.,.,44,施主杂质替代族元素,受主杂质替代III族元素,两性杂质III、族元素,等电子杂质同族原子取代,.,45,等电子杂质特点：,A.与基质原子同族，原子序数、电负性不同如：GaP和GaAsP中的N，BiB.替代格点上的同族原子后，基本呈中性的杂质。C.能俘获某种载流子而成为带电中心，带电中心又能俘获另一种载流子而成为束缚激子。D.等电子络合物也能形成等电子陷阱。,.,46,GaAs中常用掺杂剂,p型杂质：镁，锌，镉n型杂质：锗、锡（代替Ga），碲，硒（代替As）,.,47,点缺陷：空位、间隙原子线缺陷：位错面缺陷：层错、晶界,1、缺陷的类型,2-3缺陷能级,缺陷原子周期性排列被破坏,.,48,2.元素半导体中的缺陷,(1)空位,原子的空位起受主作用。,.,49,(2)填隙,Si,间隙原子缺陷起施主作用,.,50,反结构缺陷GaAs受主AsGa施主,3.GaAs晶体中的点缺陷,空位VGa、VAsVGa受主VAs施主,间隙原子GaI、AsIGaI施主AsI受主,e,当T0K时，热缺陷：弗仑克耳缺陷、肖特基缺陷,.,51,第二章内容提要,（1）在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。根据杂质的分布位置可以分为施主杂质和受主杂质。（2）施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时，向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。（3）杂质元素掺入半导体后，由于在晶格势场中引入微扰，使能带极值附近出现分立的能级杂质能级。族元素在靠近导带底附近Ec的禁带中进入施主能级ED，族元素在靠近价带顶Ev的禁带中引入受主能级EA。,.,52,（4）施主杂质和受主杂质之间有相互抵消作用，通常称为“杂质补偿”。“杂质补偿”是制造各种半导体器件的基础。（5）非、族元素在半导体中也可能产生深能级或者多能级。（6）深能级和晶体缺陷形成的能级一般作为复合中心。（7）-族化合物半导体中掺入一定量的与宿主原子等价的杂质原子，取代晶格点上的原子，这类杂质称为等电子杂质。由于这种杂质原子与宿主原子电负性上的差别，能够束缚某种载流子称为带电中心等电子陷阱。,.,53,第二章习题,1.P48习题2,32.设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。,.,54,第二章思考题说明杂质能级以及电离能的物理意义。为什么受主、施主能级分