第2章 半导体中杂质和缺陷能级PPT课件

.,1,第2章半导体中杂质和缺陷能级,半导体的杂质敏感性半导体电子、空穴共同参与导电，可否调制？P-N结，晶体管,.,2,2.1掺杂晶体,理想半导体材料原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置上晶体是纯净的，即不含杂质(没有与组成晶体材料的元素不同的其它化学元素)晶格结构是完整的，即具有严格的周期性,实际半导体材料原子在平衡位置附近振动含有杂质；晶格结构不完整，存在缺陷点缺陷，线缺陷，面缺陷,.,3,杂质和缺陷的影响使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入能级，从而对半导体的性质产生影响影响半导体器件的质量（如性能等）对半导体材料的物理性质和化学性质起决定性的影响（如提高导电率）,本章目的：介绍杂质和缺陷的基本概念,105硅原子中掺1个硼原子，则比单纯硅晶的电导率增加了103倍,.,4,杂质与组成晶体材料的元素不同的其他化学元素,形成原因原材料纯度不够制作过程中有玷污人为的掺入,.,5,金刚石结构中，密堆积时，原子占晶格体积比？8个原子，r=?占体积比？34%,.,6,分类(1)：按杂质原子在晶格中所处位置分间隙式杂质替位式杂质,杂质原子位于晶格原子的间隙位置要求杂质原子比较小,杂质原子取代晶格原子而位于格点处要求杂质原子的大小、价电子壳层结构等均与晶格原子相近,两种类型的杂质可以同时存在,这里主要介绍替位式杂质,.,7,分类(2)：按杂质所提供载流子的类型分施主杂质受主杂质,第V族杂质原子替代第IV族晶体材料原子能够施放(Discharge)电子而产生导电电子，并形成正电中心的杂质（n型杂质）,第III族杂质原子替代第IV族晶体材料原子能够接受(Accept)电子而产生导电空穴，并形成负电中心的杂质（p型杂质）,施主杂质,受主杂质,.,8,施主杂质(IV-V),分立的能级因为杂质含量低，不能共有化运动,该多余电子运动状态：1.比成键电子自由的多，EDEv2.与导带底电子也有差别（受到P+原子的库伦吸引力）（绕原子运动）ED=Ec-E库伦（在禁带中）EDEg,.,9,中性态未电离时称为中性态或者束缚态T=0K杂质电离在一定能量下，杂质中电子脱离原子束缚而成为导电电子的过程T0K(热激发）杂质电离能杂质电离时所需要的最少能量ED=Ec-ED，一般来说EDIII),束缚空穴：受B-原子吸引,绕原子运动要形成自由空穴，要克服B原子的吸引力,给一定能量EA。能带中，越往下，空穴能量越高。（越往下的电子，越难激发形成空穴）,.,12,受主电离能：EA=EA-EV,如：III族元素在硅锗中电离能为：0.045和0.01eV,中性态未电离时称为中性态或者束缚态T=0K杂质电离在一定能量下，杂质中电子脱离原子束缚而成为导电电子的过程T0K杂质电离能杂质电离时所需要的最少能量EA=EA-EV，一般来说EANA时：n型半导体,有效的施主浓度ND*=ND-NA,EA,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。,杂质的补偿作用,.,18,NAND经补偿后，导带中空穴浓度为NA-NDNA半导体为p型半导体,（B）NAND时：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。,ED,有效的受主浓度NA*=NA-ND,.,19,（C）NAND时杂质的高度补偿,本征激发的导带电子EcEDEAEv本征激发的价带空穴,.,20,杂质的高度补偿控制不当，使得NDNA施主电子刚好够填满受主能级虽然杂质很多，但不能给半导体材料提供更多的电子和空穴一般不能用来制造半导体器件（易被误认为纯度很高，实质上含杂质很多，性能很差）,.,21,深能级杂质,非III，V族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，他们产生的受主能级距离价带顶也较远，成为深能级，深能级杂质。深能级杂质通常能产生多次电离，每次电离对应一个能级。,Ec,Ev,ED,EA1,EA2,EA3,Au掺入Si,EA3EA2EA1电子的库伦排斥力,0.04,0.2,0.15,0.04,Au:2、8、18、32、18、1,.,22,深能级杂质,如第IV族材料中加入非III、V族杂质杂质能级离导带或者价带很远常规条件下不易电离起一定的杂质补偿作用对载流子的复合作用非常重要，是很好的复合中心,.,23,.,24,III-V族化合物半导体中的浅能级杂质在III-V族化合物中掺入不同类型杂质：II族元素GaAs:铍(Be),镁(Mg),锌(zn),镉(Cd)EA=Ev+0.02-0.03eVVI族元素GaAs:硫(S),硒(Se)ED=Ec-0.006eVIV族元素GaAs:硅(Si)Ev+0.03eV,Ec-0.006eV（杂质的双性行为）锗(Ge)Ev+0.03eV,Ec-0.006eV等电子杂质GaP:氮(N)Ec-0.01eV(等电子陷阱引起）氮半径小，电负性强，俘获电子形成负电中心,.,25,等电子杂质与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子称为等电子杂质（同族原子杂质）,等电子陷阱,形成条件等电子杂质替代格点上的同族原子后，基本仍是电中性的。但是，掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径等方面有较大差别，等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负性时，替代后，它能俘获电子成为负电中心，这个带电中心就成为等电子陷阱。,杂质的双性行为硅在砷化镓中既能取代镓而表现出施主杂质，又能取代砷表现出受主杂质,.,26,缺陷：晶格周期的不完整分为三类,点缺陷（点的不完整）：空位、间隙原子线缺陷（线的不完整）：位错面缺陷（面的不完整）：层错,2.2缺陷、位错能级,.,27,点缺陷在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动，而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原来的位置空出来，成为空位。（热缺陷）,Frenkel缺陷：间隙原子和空位成对出现,Schottky缺陷：只在晶体内形成空位，而无间隙原子,.,28,反结构缺陷（化合物、替位原子）,有两种替位方式：A取替B，记为AB；B取替A，记为BA,.,29,位错：,位错是近完整晶体中的一个缺陷，它是晶体中以滑移区与未滑移区的边界