半导体物理 第二章 半导体中杂质和缺陷能级1

1、第二章 半导体中杂质和缺陷能级 半导体材料中的杂质能级 化合物半导体及杂质能级 半导体中的缺陷和能级 Impurity-doped Silicon晶格振动杂质晶格不完整性Impurity-doped Silicon 实际半导体材料结构偏离理想晶体现象有复杂原因: 杂质和缺陷对半导体的物理和化学性质起到决定性的影响，原因是在半导体禁带中引入电子的能量状态（能级）晶体中的杂质占位 杂质原子来源：半导体材料制备中引入、 原材料、玷污、 人为掺杂杂质原子在晶体中的占位： 间隙原子：处于正常原子构成的多面 体空隙 替位原子：取代正常格点原子半导体中的杂质能级 Impurity-doped Silicon

2、Impurity-doped Silicon1、杂质与杂质能级 杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。杂质来源: （1）有意掺入 （2）无意掺入杂质在半导体中的分布状况 （1）替位式杂质 （2）间隙式杂质2.1 掺 杂 Si 晶 体 Impurity-doped Silicon 杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏：Impurity-doped Silicon杂质能级位于禁带之中 Ec Ev Impurity-doped Silicon杂质能级施主杂质与施主能级 P在Si中成为替位杂质：五价P外层5个价电子，4个和硅原子形成共价键，剩余1个电子；电子脱离P原子

3、束缚，成为导电电子：P电离（杂质电离），电离能很小0.04eVP+为不动的正电中心（电离施主），V族杂质为施主杂质或n型杂质半导体中导带多出电子，半导体导电靠电子导电 n型半导体电离前施主杂质为中性的束缚态，束缚电子的能级为施主能级ED,为靠近导带的孤立能级: ED=EgEDEgImpurity-doped SiliconImpurity-doped Silicon2、施主能级：Si中掺磷P（Si：P）导带电子电离施主 P+ SiImpurity-doped Silicon 在Si单晶中，V族施主替位杂质两种荷电状态的价键图 （a）电离态 （b）中性施主态Impurity-doped Sili

4、conImpurity-doped Silicon电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是掺施主的意义所在。施主电离能：ED=EC-ED ED=EC-EDEgECEDEVImpurity-doped Silicon 含有电离和中性施主能级的Si的E-x和E-k图EDImpurity-doped Silicon施主杂质：束缚在杂质能级上的电子被激发到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为正电中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。 Si、Ge中族杂质的电离能ED（eV） 晶 杂 质 体 P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 Ge 0.0126 0.0127 0.0096Impu

5、rity-doped SiliconB在Si中成为替位杂质：三价B外层3个价电子，和硅原子形成共价键，从Si中夺取1个电子成负电中心；Si晶体中有原子因失去电子形成空穴，易于挣脱负电中心束缚成为自由导电空穴；价带空穴增多，半导体导电能力主要依靠空穴P型半导体B受主杂质，B为电离受主；未电离束缚态能级EA靠近价带，孤立能级 EA=E g EA-空穴浓度p 2、p 型半导体： 特征：a、受主杂质电离，价带中 出现受主提供的空穴； b、空穴浓度p电子浓度nImpurity-doped Silicon 在元素半导体中的替位受主和施主Impurity-doped Silicon上述杂质的特点： 施主电离

6、能EDEg 受主电离能 EAEg 杂质的双重作用： 改变半导体的电阻率 决定半导体的导电类型Impurity-doped Silicon浅能级杂质电子和空穴受到正或负电中心束缚微弱，即电离能很低， ENA, n型半导体 NA-ND , NAND， p型半导体杂质的补偿作用实际应用：通过扩散或离子注入等手段，改变半导体局部导电类型，满足制备器件需要。杂质的补偿作用:Impurity-doped Silicon5、杂质的补偿作用Impurity-doped Silicon 有效的施主浓度 ND*=ND-NA 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。 Impurity-doped Silicon（A）NDNA时： n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。 有效的受主浓度 NA*=NA-NDImpur