半导体中杂质和缺陷能级模板课件

半导体中杂质和缺陷能级模板半导体中杂质和缺陷能级模板半导体中杂质和缺陷能级模板半导体中杂质和缺陷能级模板半导体中杂质和缺陷能级模板半导体中1半导体中杂质和缺陷能级模板课件22.1.1、杂质的类型

杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。杂质在半导体中的分布状况（1）替位式杂质：杂质原子与被替代的晶格原子的大小比较相近，而且其价电子层结构也比较相近（2）间隙式杂质：通常这种杂质的原子半径是比较小的

（3）杂质浓度：单位体积中的杂质原子数

2.1.1、杂质的类型

杂质：半导体中存在的与本体元素不同的3举例：Si中掺磷P（Si：P）

2.1.2施主杂质、施主能级施主杂质—对半导体材料提供导电电子的杂质,称为施主杂质或者N型杂质杂质电离—价电子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离。举例：Si中掺磷P（Si：P）

2.1.2施主杂质、施42.1.2施主杂质、施主能级在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2.1.2施主杂质、施主能级在Si单晶中，V族施主替位杂质5杂质电离能：是使被俘获的电子摆脱束缚，从而可以成为导电电子所需的能量△ED=EC-ED

△ED=EC-EDECEDEV施主能级：将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级电子浓度n0>空穴浓度p0杂质电离能：是使被俘获的电子摆脱束缚，从而可以成为导电电子所62.1.3受主杂质、受主能级举例：Si中掺硼B（Si：B）

受主杂质—B在晶体中而产生导电空穴，被称为受主杂质或者P型杂质杂质电离—受主杂质接受一个电子，在晶体中产生一个空穴的过程，称为杂质电离。2.1.3受主杂质、受主能级举例：Si中掺硼B（Si：B）7在Si单晶中，Ⅲ族受主替位杂质两种荷电状态的价键图（a）电离态（b）中性受主态在Si单晶中，Ⅲ族受主替位杂质两种荷电状态的价键图（8△EA=EA-EVECEAEV空穴浓度p0>电子浓度n0受主能级：把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称为受主能级。受主电离能：是使被俘获的空摆脱束缚，从而可以参与传导电流所需的能量△EA=EA-EV△EA=EA-EVECEAEV空穴浓度p0>电子浓度n0受9杂质半导体1、n型半导体：特征：a、施主杂质电离，导带中出现施主提供的电子b、电子浓度n>空穴浓度p2、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n杂质半导体1、n型半导体：10杂质能级位于禁带之中

Ec杂质能级

Ev

杂质能级位于禁带之中11上述杂质的特点：施主电离能△ED《Eg受主电离能△EA《Eg

浅能级杂质·杂质的双重作用：1、改变半导体的电阻率2、决定半导体的导电类型即：杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较近上述杂质的特点：浅能级杂质·杂质的双重作用：即：杂质在半导体122.1.4浅能级杂质电离能的简单计算（1）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能浅能级杂质=杂质离子+束缚电子（空穴）2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算（1）用类氢原子模型估13（2）氢原子基态电子的电离能氢原子电子满足：解得电子能量：氢原子基态能量：氢原子的电离能：故基态电子的电离能：2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算（2）氢原子基态电子的电离能氢原子电子满足：解得电子能量14正、负电荷所处介质：正、负电荷所处介质：15估算结果与实际测

量值有相同数量级Ge：△ED～0.0064eVSi:△ED～0.025eV估算结果与实际测

量值有相同数量级Ge162.1.5、杂质的补偿作用1、本征激发与本征半导体（1）本征激发：在纯净半导体中，载流子的产生必须依靠价带中的电子激发到导带，它的特点是每产生一个导带电子就相应在价带中产生一个空穴，即电子和空穴是成对产生的。这种激发称为本征激发。2.1.5、杂质的补偿作用1、本征激发与本征半导17即：n0=p0=ni（ni为本征载流子浓度）

（2）本征半导体：不含杂质的半导体就是

本征半导体。ni=ni（T）电子浓度空穴浓度n0=p0=ni即：n0=p0=ni（ni为本征载流子浓度）

（2）本征半18在室温（RT=300K）下：

ni（Ge）≌2.4×1013cm-3

ni（Si）≌1.5×1010cm-3ni（GaAs）≌1.6×106cm-3ni——本征载流子浓度在室温（RT=300K）下：ni——本征载流子浓度19（3）n型半导体与p型半导体

(A)如施主浓度ND>nin型半导体(B)如受主浓度NA>nip型半导体

当半导体中掺入一定量的浅施主或浅受主时，因其离化能△ED或△EA很小（～RT下的kT=0.026eV）,所以它们基本上都处于离化态。（3）n型半导体与p型半导体

(B)如受主浓度NA>ni20(4)杂质的补偿,既掺有施主又掺有受主（A）ND(施主浓度）>NA（受主浓度）时

所以：有效的施主浓度ND*=ND-NA>ni

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。补偿半导体n型半导体EDEAUESTCNuoLiu(4)杂质的补偿,既掺有施主又掺有受主（A）ND(施主浓度）21（B）NA>ND时

ED

EA所以：有效的受主浓度ND*=ND-NA>nip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。（B）NA>ND时EDEA所以：有效的受主浓度ND*=N22（C）NA≈ND时

杂质的高度补偿

（C）NA≈ND时杂质的高度补偿23※就实际而言：半导体的最重要的性质之一，就是能够利用施主和受主杂质两种杂质进行参杂，并利用杂质的补偿作用，根据人们的需要改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件。※就实际而言：半导体的最重要的性质之一，就是能够利用施主242.1.6深能级杂质（1）浅能级杂质（2）深能级杂质△ED≮Eg△EA≮EgEAEDEDEAEcEcEvEv△ED《Eg△EA《Eg杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较远UESTCNuoLiu2.1.6深能级杂质（1）浅能级杂质（2）深能级杂质EA25深能级杂质的特征1、浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主能级靠近价带；深能级施主则主要位于禁带中线下，深能级受主主要位于禁带中线上。深能级杂质的特征1、浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主26例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五种可能的状态：（1）Au+；（2）Au0（3）Au一

（4）Au二

（5）Au三。2、多重能级特性：一些深能级杂质产生多次电离，导致多重能级特性。例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五种可能27（1）Au+：Au0–eAu+△EEgECEVED失去唯一的价电子，产生施主能级ED。（1）Au+：Au0–eAu+28（2）Au一：Au0+eAu一△EA1ECEAEVAu接受一个电子后变成Au-，产生受主能级EA1（2）Au一：Au0+eAu一EC29（3）Au二：Au一+eAu二

ECEA2EA1EV△E=△EAu接受两个电子后变成Au=，产生受主能级EA2（3）Au二：Au一+e30（4）Au三：Au二+eAu三Au接受三个电子后变成Au三，产生受主能级EA3（4）Au三：Au二+eAu三Au31Au在Si中既可作施主，又可作受主，称为两性杂质；如果在Si中掺入Au的同时又掺入浅受主杂质，Au呈施主作用；反之，若同时掺入施主杂质，则Au呈受主作用。ECEVEAEDAu在Si中既可作施主，又可作受主，称为两性杂质；ECEVE32由于电子间的库仑排斥力的作用，Au从价带接受第二个电子所需的电离能比接受第一个电子时要大，接受第三个对比第二个大，所以EA3>EA2>EA1。深能级杂质在半导体中以替位式的形态存在，一般情况下含量极少，它们对半导体中的导电电子浓度，导电空穴浓度和材料的导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用比浅能级杂质强得多。由于电子间的库仑排斥力的作用，Au从价带接受第二个电332.4Ⅲ-Ⅴ族化合物中德尔杂质能级（1）等电子杂质特征：a、与本征元素同族但不同原子序数例：GaP中掺入Ⅴ族的N或Bib、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。2.4Ⅲ-Ⅴ族化合物中德尔杂质能级（1）等电子杂质34（2）等电子陷阱

等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaAsP中的P位置）后，即存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电子陷阱，后者就是空穴陷阱。

NNP（2）等电子陷阱等电子杂质（如N）占据本征原子位置35(3)束缚激子

例：GaP：NNP+eNP-（等电子陷阱）之后NP-+h

NP-+h束缚激子即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是束缚激子。(3)束缚激子

例：GaP：N36(4)两性杂质举例：GaAs中掺Si（Ⅳ族）Ga：Ⅲ族As：Ⅴ族

两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在其中既可以作施主又可以作受主，这种杂质称为两性杂质。SiGa受主SiAs施主两性杂质(4)两性杂质举例：GaAs中掺Si（Ⅳ族）两性杂质：在化合372.4缺陷能级2.4.1点缺陷空位：指本体原子缺位；间隙：指不应有原子的地方加入了一个原子2.4缺陷能级2.4.1点缺陷空位：指本体原子缺381、空位、间隙的产生与消失（1）由体内产生：在较高温度下，极少数的原子热运动特别激烈，克服周围原子化学键束缚而脱离格点，形成间隙原子，原先所处的位置成为空位。这时空位和间隙原子成对出现——弗仑克尔缺陷。1、空位、间隙的产生与消失（1）由体内产生：在较高温度下，极39（2）由表面产生：在表面空位和间隙原子都可以单独的产生，然后扩散到体内。这时空位和间隙原子的数目也是独立变化的。（3）消失过程：空位和间隙原子的产生过程都可以倒过来进行。在温度保持一定条件下，产生和消失可以达到相对的平衡，这时空位和间隙原子的浓度将保持相对稳定.以上两种由温度决定的点缺陷又称为热缺陷.（2）由表面产生：在表面空位和间隙原子都可以单独的产生，然后402、位错能级（主要指线缺陷）如图，在位错所在处，有一个不成对的电子成为不饱和的共价键：若这一不饱和键获得一个电子，起受主作用；而当原子E失去一个价电子，则起施主作用。一般情况下位错倾向于得到电子，起受主作用，而且产生的受主能级是深能级。2、位错能级（主要指线缺陷）如图，在位错所在处，有一个41位错周围的晶格发生畸变，引起能带结构的变化。一般情况下，在晶格伸张区，材料的禁带宽度减小；而在晶格压缩区，材料的禁带宽度变大。位错周围的晶格发生畸变，引起能带结构的变化。一般情况下42利用半导体的杂质补偿效应，可以改变半导体的（）类型A、漂移B、热运动C、迁移率D、导电利用半导体的杂质补偿效应，可以改变半导体的（）类43

硅、锗，砷化镓的能带结构的基本特征4、砷化镓锗的能带结构（1）的负温度特性（3）直接能隙结构—即价带的最高点与导带的最低点处于K空间的同一点（2）硅、锗，砷化镓的能带结构的基本特征4、砷化镓锗的能带结44谢谢！谢谢！45半导体中杂质和缺陷能级模板半导体中杂质和缺陷能级模板半导体中杂质和缺陷能级模板半导体中杂质和缺陷能级模板半导体中杂质和缺陷能级模板半导体中46半导体中杂质和缺陷能级模板课件472.1.1、杂质的类型

杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。杂质在半导体中的分布状况（1）替位式杂质：杂质原子与被替代的晶格原子的大小比较相近，而且其价电子层结构也比较相近（2）间隙式杂质：通常这种杂质的原子半径是比较小的

（3）杂质浓度：单位体积中的杂质原子数

2.1.1、杂质的类型

杂质：半导体中存在的与本体元素不同的48举例：Si中掺磷P（Si：P）

2.1.2施主杂质、施主能级施主杂质—对半导体材料提供导电电子的杂质,称为施主杂质或者N型杂质杂质电离—价电子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离。举例：Si中掺磷P（Si：P）

2.1.2施主杂质、施492.1.2施主杂质、施主能级在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2.1.2施主杂质、施主能级在Si单晶中，V族施主替位杂质50杂质电离能：是使被俘获的电子摆脱束缚，从而可以成为导电电子所需的能量△ED=EC-ED

△ED=EC-EDECEDEV施主能级：将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级电子浓度n0>空穴浓度p0杂质电离能：是使被俘获的电子摆脱束缚，从而可以成为导电电子所512.1.3受主杂质、受主能级举例：Si中掺硼B（Si：B）

受主杂质—B在晶体中而产生导电空穴，被称为受主杂质或者P型杂质杂质电离—受主杂质接受一个电子，在晶体中产生一个空穴的过程，称为杂质电离。2.1.3受主杂质、受主能级举例：Si中掺硼B（Si：B）52在Si单晶中，Ⅲ族受主替位杂质两种荷电状态的价键图（a）电离态（b）中性受主态在Si单晶中，Ⅲ族受主替位杂质两种荷电状态的价键图（53△EA=EA-EVECEAEV空穴浓度p0>电子浓度n0受主能级：把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称为受主能级。受主电离能：是使被俘获的空摆脱束缚，从而可以参与传导电流所需的能量△EA=EA-EV△EA=EA-EVECEAEV空穴浓度p0>电子浓度n0受54杂质半导体1、n型半导体：特征：a、施主杂质电离，导带中出现施主提供的电子b、电子浓度n>空穴浓度p2、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n杂质半导体1、n型半导体：55杂质能级位于禁带之中

Ec杂质能级

Ev

杂质能级位于禁带之中56上述杂质的特点：施主电离能△ED《Eg受主电离能△EA《Eg

浅能级杂质·杂质的双重作用：1、改变半导体的电阻率2、决定半导体的导电类型即：杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较近上述杂质的特点：浅能级杂质·杂质的双重作用：即：杂质在半导体572.1.4浅能级杂质电离能的简单计算（1）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能浅能级杂质=杂质离子+束缚电子（空穴）2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算（1）用类氢原子模型估58（2）氢原子基态电子的电离能氢原子电子满足：解得电子能量：氢原子基态能量：氢原子的电离能：故基态电子的电离能：2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算（2）氢原子基态电子的电离能氢原子电子满足：解得电子能量59正、负电荷所处介质：正、负电荷所处介质：60估算结果与实际测

量值有相同数量级Ge：△ED～0.0064eVSi:△ED～0.025eV估算结果与实际测

量值有相同数量级Ge612.1.5、杂质的补偿作用1、本征激发与本征半导体（1）本征激发：在纯净半导体中，载流子的产生必须依靠价带中的电子激发到导带，它的特点是每产生一个导带电子就相应在价带中产生一个空穴，即电子和空穴是成对产生的。这种激发称为本征激发。2.1.5、杂质的补偿作用1、本征激发与本征半导62即：n0=p0=ni（ni为本征载流子浓度）

（2）本征半导体：不含杂质的半导体就是

本征半导体。ni=ni（T）电子浓度空穴浓度n0=p0=ni即：n0=p0=ni（ni为本征载流子浓度）

（2）本征半63在室温（RT=300K）下：

ni（Ge）≌2.4×1013cm-3

ni（Si）≌1.5×1010cm-3ni（GaAs）≌1.6×106cm-3ni——本征载流子浓度在室温（RT=300K）下：ni——本征载流子浓度64（3）n型半导体与p型半导体

(A)如施主浓度ND>nin型半导体(B)如受主浓度NA>nip型半导体

当半导体中掺入一定量的浅施主或浅受主时，因其离化能△ED或△EA很小（～RT下的kT=0.026eV）,所以它们基本上都处于离化态。（3）n型半导体与p型半导体

(B)如受主浓度NA>ni65(4)杂质的补偿,既掺有施主又掺有受主（A）ND(施主浓度）>NA（受主浓度）时

所以：有效的施主浓度ND*=ND-NA>ni

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。补偿半导体n型半导体EDEAUESTCNuoLiu(4)杂质的补偿,既掺有施主又掺有受主（A）ND(施主浓度）66（B）NA>ND时

ED

EA所以：有效的受主浓度ND*=ND-NA>nip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。（B）NA>ND时EDEA所以：有效的受主浓度ND*=N67（C）NA≈ND时

杂质的高度补偿

（C）NA≈ND时杂质的高度补偿68※就实际而言：半导体的最重要的性质之一，就是能够利用施主和受主杂质两种杂质进行参杂，并利用杂质的补偿作用，根据人们的需要改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件。※就实际而言：半导体的最重要的性质之一，就是能够利用施主692.1.6深能级杂质（1）浅能级杂质（2）深能级杂质△ED≮Eg△EA≮EgEAEDEDEAEcEcEvEv△ED《Eg△EA《Eg杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较远UESTCNuoLiu2.1.6深能级杂质（1）浅能级杂质（2）深能级杂质EA70深能级杂质的特征1、浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主能级靠近价带；深能级施主则主要位于禁带中线下，深能级受主主要位于禁带中线上。深能级杂质的特征1、浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主71例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五种可能的状态：（1）Au+；（2）Au0（3）Au一

（4）Au二

（5）Au三。2、多重能级特性：一些深能级杂质产生多次电离，导致多重能级特性。例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五种可能72（1）Au+：Au0–eAu+△EEgECEVED失去唯一的价电子，产生施主能级ED。（1）Au+：Au0–eAu+73（2）Au一：Au0+eAu一△EA1ECEAEVAu接受一个电子后变成Au-，产生受主能级EA1（2）Au一：Au0+eAu一EC74（3）Au二：Au一+eAu二

ECEA2EA1EV△E=△EAu接受两个电子后变成Au=，产生受主能级EA2（3）Au二：Au一+e75（4）Au三：Au二+eAu三Au接受三个电子后变成Au三，产生受主能级EA3（4）Au三：Au二+eAu三Au76Au在Si中既可作施主，又可作受主，称为两性杂质；如果在Si中掺入Au的同时又掺入浅受主杂质，Au呈施主作用；反之，若同时掺入施主杂质，则Au呈受主作用。ECEVEAEDAu在Si中既可作施主，又可作受主，称为两性杂质；ECEVE77由于电子间的库仑排斥力的作用，Au从价带接受第二个电子所需的电离能比接受第一个电子时要大，接受第三个对比第二个大，所以EA3>EA2>EA1。深能级杂质在半导体中以替位式的形态存在，一般情况下含量极少，它们对半导体中的导电电子浓度，导电空穴浓度和材料的导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用比浅能级杂质强得多。由于电子间的库仑排斥力的作用，Au从价带接受第二个电782.4Ⅲ-Ⅴ族化合物中德尔杂质能级（1）等电子杂质特征：a、与本征元素同族但不同原子序数例：GaP中掺入Ⅴ族的N或Bib、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。2.4Ⅲ-Ⅴ族化合物中德尔杂质能级（1）等电子杂质79（2）等电子陷阱

等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaAsP中的P位置）后，即存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电子陷阱，后者就是空穴陷阱。

NNP（2）等电子陷阱等电子杂质（如N）占据本征原子位置80(3)束缚激子

例：GaP：NNP+eNP-（等电子陷阱）之后NP-+h

NP-