05章-硅、锗晶体中的杂质和缺陷

1、 杂质半导体杂质半导体 杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半 导体的性质产生了决定性的作用导体的性质产生了决定性的作用 杂质杂质与本体元素不同的其他元素与本体元素不同的其他元素 Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm Si Si Si Si Si Si Si P Si Li 1. VA族的替位杂质族的替位杂质 在硅在硅Si中掺入中掺入P Si Si Si Si Si Si Si P+ Si 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 未电离未电离 电离后电离后 二、元素半导体的杂质二、元素半导体的杂质

2、电离时，电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电原子能够提供导电电子并形成正电 中心，中心，。 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级 被施主杂质束缚的电子被施主杂质束缚的电子 的能量比导带底的能量比导带底Ec低，低， 称为称为，ED。 。 由于施主杂质少，原子由于施主杂质少，原子 间相互作用可以忽略，间相互作用可以忽略， 施主能级是具有相同能施主能级是具有相同能 量的孤立能级量的孤立能级 ED 施主浓度：施主浓度：ND 施主电离能施主电离能ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子弱束缚的电子摆脱杂质原子 束缚成为晶格中自由运动的束缚成为晶格中自由运动的 电子（导带中的电子）所需电子（导带中的电子）所需 要

3、的能量要的能量 EC ED ED =ECED 施主电离能施主电离能 EV - 束缚态束缚态 离化态离化态 + 施主杂质的电离能小，施主杂质的电离能小， 在常温下基本上电离。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含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要 是电子是电子N型半导体，或电子型半导体型半导体，或电子型半导体 在在Si中掺入中掺入B B具有得到电子的性质，这类杂质称为具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质受主杂质。 受主杂质向价带提供空穴。受主杂质向价带提供空穴。 2. A族替位杂质族替位杂质受主杂质受主杂质 B获得一个电子变成获得一个电子变成 负离子，成为负电中

4、负离子，成为负电中 心，周围产生带正电心，周围产生带正电 的空穴。的空穴。 B B EA 受主浓度：受主浓度：NA VAA EEE Ec Ev EA (2)受主电离能和受主能级受主电离能和受主能级 受主电离能受主电离能EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量空穴所需要的能量 - 束缚态束缚态 离化态离化态 + 受主杂质的电离能小，在受主杂质的电离能小，在 常温下基本上为价带电离常温下基本上为价带电离 的电子所占据的电子所占据空穴由空穴由 受主能级向价带激发。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含有受主杂质的半导体，其导电的载流子

5、主要 是空穴是空穴P型半导体，或空穴型半导体型半导体，或空穴型半导体。 施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA 施主施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半，掺入半导体的杂质原子向半 导体中提供导电的电子，并成为带正电的离导体中提供导电的电子，并成为带正电的离 子。如子。如Si中中掺掺的的P 和和As 受主受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向，掺入半导体的杂质原子向 半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离 子。如子。如Si中掺的中掺的B 小结！小结！ 等电子杂质等电子杂质 N型半导体型半导体 特征：特征： a 施主杂质电离，导带中施主杂质电

6、离，导带中 出现施主提供的导电电子出现施主提供的导电电子 b 电子浓度电子浓度n 空穴浓度空穴浓度p P 型半导体型半导体 特征：特征： a 受主杂质电离，价带中受主杂质电离，价带中 出现受主提供的导电空穴出现受主提供的导电空穴 b空穴浓度空穴浓度p 电子浓度电子浓度n EC ED EV EA - + - + Eg N型和型和P型半导体都称为型半导体都称为极性半导体极性半导体 P型半导体型半导体价带空穴数由受主决定，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，电导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电 子为少子。子为少子。 N型半导体型半导体导带电子数由施主决定，半导

7、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。电子为导电的载流子主要是电子。电子为多子多子，空，空 穴为穴为少子少子。 多子多子多数载流子多数载流子 少子少子少数载流子少数载流子 杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电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）称为向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发杂质电离或杂质激发。具。具 有杂质激发的半导体称为有杂质激发的半导体称为杂质半导体杂质半导体 杂质激发杂质激发 3. 杂质半导体杂质半导体 电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子从价带直

8、接向导带激发，成为导带的自由 电子，这种激发称为电子，这种激发称为本征激发本征激发。只有本征激发。只有本征激发 的半导体称为的半导体称为本征半导体本征半导体。 本征激发本征激发 N型和型和P型半导体都是型半导体都是杂质半导体杂质半导体 施主向导带提供的载流子施主向导带提供的载流子 =10161017/cm3 本征载流子浓度本征载流子浓度 杂质半导体中杂质载流子浓度远高于杂质半导体中杂质载流子浓度远高于 本征载流子浓度本征载流子浓度 Si的原子浓度为的原子浓度为10221023/cm3 掺入掺入P的浓度的浓度/Si原子的浓度原子的浓度=10-6 例如：例如：Si 在室温下，本征载流子浓度为在室温

9、下，本征载流子浓度为 1010/cm3， 上述杂质的特点：上述杂质的特点： 施主杂质：施主杂质： 受主杂质：受主杂质： 浅能级杂质浅能级杂质 杂质的双重作用：杂质的双重作用： u 改变半导体的导电性改变半导体的导电性 u 决定半导体的导电类型决定半导体的导电类型 杂质能级在禁带中的位置杂质能级在禁带中的位置 gD EE gA EE Ec ED 电离施主电离施主 电离受主电离受主 Ev 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 (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主之间有互相抵消的作用 此时半导体为此时半导体为n型半导体型

10、半导体 有效施主浓度有效施主浓度n=ND-NA EA Ec ED EA Ev 电离施主电离施主 电离受主电离受主 (2) NDNA 此时半导体为此时半导体为p型半导体型半导体 有效受主浓度有效受主浓度p=NA- ND (3) NDNA 杂质的高度补偿杂质的高度补偿 Ec ED EA Ev 本征激发产生的导本征激发产生的导 带电子带电子 本征激发产生的价本征激发产生的价 带空穴带空穴 深杂质能级深杂质能级 根据杂质能级在禁带中根据杂质能级在禁带中 的位置，杂质分为：的位置，杂质分为： 浅能级杂质浅能级杂质能级接近导带底能级接近导带底 Ec或价带顶或价带顶Ev，电离能很小电离能很小 深能级杂质深能

11、级杂质能级远离导带能级远离导带 底底Ec或价带顶或价带顶Ev，电离能较，电离能较 大大 EC ED EV EA Eg EC EA EV ED Eg gD EE gA EE 例：例：在在Ge中掺中掺Au 可产生可产生3个受主能级，个受主能级，1个施主能个施主能 级级 Au的电子组态是：的电子组态是：5s25p65d106s1 AuGeGe Ge Ge Au+ Au0 Au- Au2- Au3- 多次电离，每一次电离相应地有一个能级既多次电离，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能引入施主能级又能引入受主能级 1. Au失去一个电子失去一个电子施主施主 Au Ec Ev E

12、D ED=Ev+0.04 eV Ec Ev ED EA1 Au 2. Au获得一个电子获得一个电子受主受主 EA1= Ev + 0.15eV 3.Au获得第二个电子获得第二个电子 Ec Ev ED EA1 Au2 EA2= Ec - 0.2eV EA2 4.Au获得第三个电子获得第三个电子 Ec Ev ED EA1 EA3= Ec - 0.04eV EA2 EA3 Au3 Ec Ev ED EA Au doped Silicon 0.35eV 0. 54eV 1.12eV 迁移率迁移率所带电量所带电量有效杂质浓度有效杂质浓度 1 1 电阻率电阻率 如果施主杂质占优势，则有：如果施主杂质占优势，

13、则有： n na ac cc ce ep pt to or rd do on no or r ) )e eN N( (N N 1 1 迁迁移移率率所所带带电电量量受受主主杂杂质质浓浓度度) )( (施施主主杂杂质质浓浓度度 1 1 电电阻阻率率 如果受主杂质占优势，则有：如果受主杂质占优势，则有： p pd do on no or ra ac cc ce ep pt to or r ) )e eN N( (N N 1 1 迁迁移移率率所所带带电电量量施施主主杂杂质质浓浓度度) )( (受受主主杂杂质质浓浓度度 1 1 电电阻阻率率 ) )(1(1 ) )(1(1 1 1 k geK 0 0 )

14、1( 0 0 )1 ( 1 dN wA geuKdN wA Cm k 思考：思考： 为什么会是为什么会是 m=C0wA/dN0这一公式？这一公式？ 而不是而不是 m=wC0 阿佛加德罗常数密度 摩尔质量单晶质量杂质浓度 杂质质量 C0:杂质浓度，每立方米晶体中所含的杂质数目杂质浓度，每立方米晶体中所含的杂质数目 单位：单位： 个个cm-3 w :单晶质量单晶质量 单位：单位：g A: 杂质的摩尔质量杂质的摩尔质量 单位：单位： g mol-1 d: 单晶的密度，单晶的密度， 单位：单位：g cm-3 N0: 阿佛加德罗常数，阿佛加德罗常数， 单位单位 ： 个个 mol-1 g molgcm g

15、molgcm 13- -1-3 - 个 个 单晶中杂质浓度 锗密度 母合金质量锗质量 母合金中杂质浓度 母合金密度 母合金质量 C0 d MW Cm d M )C0( d MW )Cm( )d( )M( 单晶中杂质浓度 锗密度 母合金质量锗质量 母合金中杂质浓度 母合金密度 母合金质量 )C0( d W )Cm( )d( )M( 单晶中杂质浓度 锗密度 锗质量 母合金中杂质浓度 锗密度 母合金质量 )Cm( )C0(W )M( 母合金中杂质浓度 单晶中杂质浓度锗质量 母合金质量 0Ct V RA Ci c L s c L s L fA xRA C fA EA K dx dC x )( )1 (

16、)1 ( K C C 1s L1 K C C s L2 2 熔体熔体 单晶单晶 )exp( 0 t V EA CC LL 度度) )C Cm m( (母母合合金金中中杂杂质质浓浓 ( (熔熔硅硅中中杂杂质质浓浓度度) )C CW W硅硅质质量量 M M( (母母合合金金质质量量) ) L L0 0 如果蒸发效应很小，则掺杂公式为如果蒸发效应很小，则掺杂公式为 Cm )C(CW )M( L1L2 硅 母合金质量母合金质量 HFE共发射极直流放大系数：当集电极电压与电流为规定值时，Ic与Ib之比。 Charge Coupled Device电荷藕合器件电荷藕合器件 ，它是一种特殊半导体器件，上面有

17、很多，它是一种特殊半导体器件，上面有很多 一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。在摄像机里是一个极其重一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。在摄像机里是一个极其重 要的部件，它起到要的部件，它起到 将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能 的好坏将直接影响到摄像机的性能。的好坏将直接影响到摄像机的性能。 微缺陷形成原因微缺陷形成原因 1.什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？ 2.什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后 有何特征？试举例说明之，并用

18、能带图表征出有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出n 型半导体。型半导体。 3.什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后 有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出p 型半导体。型半导体。 4.掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举 例说明掺杂对半导体的导电性能的影响。例说明掺杂对半导体的导电性能的影响。 5.两性杂质和其它杂质有何异同？两性杂质和其它杂质有何异同？ 6.深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？ 7.何谓杂质补偿？杂质

19、补偿的意义何在？何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？ 1、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁 带宽度的杂质。它们电离后将成为带正电（电离施主）或带带宽度的杂质。它们电离后将成为带正电（电离施主）或带 负电（电离受主）的离子，并同时向导带提供电子或向价带负电（电离受主）的离子，并同时向导带提供电子或向价带 提供空穴。提供空穴。 2、解：半导体中掺入施主杂质后，施主电离后将成为带正电、解：半导体中掺入施主杂质后，施主电离后将成为带正电 离子，并同时向导带提供电子，这种杂质就叫施主。离子，并同时向导带提供电子，这种杂质就叫施主。 施主

20、电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离。施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离。 施主电离前不带电，电离后带正电。例如，在施主电离前不带电，电离后带正电。例如，在Si中掺中掺P，P为为 族元素。族元素。 本征半导体本征半导体Si为为族元素，族元素，P掺入掺入Si中后，中后，P的最外层电子的最外层电子 有四个与有四个与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而的最外层四个电子配对成为共价电子，而P的第五的第五 个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自 由电子。这个过程就是施主电离。由电子。这个过程就是施主电离。 3、解

21、：半导体中掺入受主杂质后，受主电离、解：半导体中掺入受主杂质后，受主电离 后将成为带负电的离子，并同时向价带提供后将成为带负电的离子，并同时向价带提供 空穴，这种杂质就叫受主。空穴，这种杂质就叫受主。 受主电离成为带负电的离子（中心）的受主电离成为带负电的离子（中心）的 过程就叫受主电离。过程就叫受主电离。 受主电离前带不带电，电离后带负电。受主电离前带不带电，电离后带负电。 例如，在例如，在Si中掺中掺B，B为为族元素，而本征半族元素，而本征半 导体导体Si为为族元素，族元素，P掺入掺入B中后，中后，B的最外层的最外层 三个电子与三个电子与Si的最外层四个电子配对成为共的最外层四个电子配对成为共 价电子，而价电子，而B倾向于接受一个由价带热激发的倾向于接受一个由价带热激发的 电子。这个过程就是受主电离。电子。这个过程就是受主电离。 4、解：在纯净的半导体中掺入杂质后，可以控制半导体的导、解：在纯净的半导体中掺入杂质后，可以控制半导体的