理想半導體材料原子靜止在具有嚴格周期性晶格的格點位置.ppt

,理想半導體材料 原子靜止在具有嚴格周期性晶格的格點位置上 晶體是純凈的，即不含雜質(zhì) (與組成晶體材料的元素不同的其它化學元素) 晶格結(jié)構(gòu)是完整的，即具有嚴格的周期性,實際半導體材料 原子在平衡位置附近振動 含有雜質(zhì)； 晶格結(jié)構(gòu)不完整，存在缺陷,,雜質(zhì)和缺陷的影響 使周期性勢場受到破壞，有可能在禁帶中引入能級，從而對半導體的性質(zhì)產(chǎn)生影響 影響半導體器件的質(zhì)量（如性能等） 對半導體材料的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)起決定性的影響（如提高導電率）,本章目的：介紹雜質(zhì)和缺陷的基本概念,105硅原子中摻1個硼原子，則比單純硅晶的電導率增加了103倍,,雜質(zhì) 與組成晶體材料的元素不同的其他化學元素,形成原因 原材料純度不夠 制作過程中有玷污 人為的摻入,,分類(1)：按雜質(zhì)原子在晶格中所處位置分 間隙式雜質(zhì) 替位式雜質(zhì),雜質(zhì)原子位于晶格原子的間隙位置 要求雜質(zhì)原子比較小,雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于格點處 要求雜質(zhì)原子的大小、價電子殼層結(jié)構(gòu)等均與晶格原子相近,兩種類型的雜質(zhì)可以同時存在,雜質(zhì)在半導體中的主要存在方式是替位式,,分類(2)：按雜質(zhì)所提供載流子的類型分 施主雜質(zhì) 受主雜質(zhì),第V族雜質(zhì)原子替代第IV族晶體材料原子 能夠施放(Discharge)電子而產(chǎn)生導電電子，并形成正電中心的雜質(zhì)（n型雜質(zhì)）,第III族雜質(zhì)原子替代第IV族晶體材料原子 能夠接受(Accept)電子而產(chǎn)生導電空穴，并形成負電中心的雜質(zhì)（p型雜質(zhì)）,施主雜質(zhì),受主雜質(zhì),,施主雜質(zhì)(IV-V),雜質(zhì)電離 雜質(zhì)電離能 離化態(tài) 中性態(tài),提供載流子：導帶電子,,雜質(zhì)電離 在一定能量下，雜質(zhì)中電子脫離原子束縛而成為導電電子的過程 雜質(zhì)電離能 雜質(zhì)電離時所需要的最少能量 ED=Ec-ED，一般來說ED Eg 離化態(tài) 雜質(zhì)吸收能量釋放電子后形成的帶電中心 中性態(tài) 未電離時稱為中性態(tài)或者束縛態(tài),,受主雜質(zhì)(IV-III),雜質(zhì)電離 雜質(zhì)電離能 離化態(tài) 中性態(tài),提供載流子：價帶空穴,,小結(jié)：,施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)都是淺能級雜質(zhì) 施主雜質(zhì)能級靠近導帶底，受主雜質(zhì)能級靠近價帶頂 雜質(zhì)電離能非常小 （Eg通常為1ev左右，而ED只有零點幾個ev左右）,施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)為半導體材料提供載流子 施主雜質(zhì)為導帶提供電子 （摻施主雜質(zhì)的半導體為n型半導體） 受主雜質(zhì)為價帶提供空穴 （摻受主雜質(zhì)的半導體為p型半導體）,n型半導體：電子的數(shù)目遠大于空穴的數(shù)目（或者說以電子導電為主） p型半導體：空穴的數(shù)目遠大于電子的數(shù)目（或者說以空穴導電為主） 本征半導體：沒有摻雜的半導體,,雜質(zhì)的補償作用 假設(shè)在半導體晶體中同時存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)，則兩種雜質(zhì)之間有相互抵消作用,NDNA 經(jīng)補償后，導帶中電子濃度為 ND-NAND 半導體為n型半導體,NAND 經(jīng)補償后，導帶中空穴濃度為 NA-NDNA 半導體為p型半導體,ND NA 雖然雜質(zhì)很多，但不能給半導體材料提供更多的電子和空穴,,雜質(zhì)的高度補償 控制不當，使得ND NA 施主電子剛好夠填滿受主能級 雖然雜質(zhì)很多，但不能給半導體材料提供更多的電子和空穴 一般不能用來制造半導體器件 （易被誤認為純度很高，實質(zhì)上含雜質(zhì)很多，性能很差）,,本征半導體 電子和空穴的濃度相等，即 ； n型半導體(摻施主雜質(zhì)) 主要依靠導帶中電子導電的半導體； 電子濃度遠大于空穴濃度，即 p型半導體(摻受主雜質(zhì)) 主要依靠價帶中空穴導電的半導體； 空穴濃度遠大于電子濃度，即,小結(jié)：,,分類(3)：按雜質(zhì)原子所提供的能級分 淺能級雜質(zhì) 深能級雜質(zhì),如第IV族材料中加入第III或V族雜質(zhì) 雜質(zhì)能級離導帶或者價帶很近 晶格中原子熱振動的能量就足以將淺能級雜質(zhì)電離 影響半導體載流子濃度，從而改變半導體的導電類型,如第IV族材料中加入非III、V族雜質(zhì) 雜質(zhì)能級離導帶或者價帶很遠 常規(guī)條件下不易電離 起一定的雜質(zhì)補償作用； 對載流子的復合作用非常重要，是很好的復合中心,,等電子雜質(zhì) 與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量價電子的雜質(zhì)原子稱為等電子雜質(zhì)（同族原子雜質(zhì)）,等電子陷阱,概念 等電子雜質(zhì)替代格點上的同族原子后，基本仍是電中性的，但是由于原子序數(shù)不同，原子的共價半徑和電負性有差別，因此它們能俘獲載流子而成為帶電中心，這個帶電中心就成為等電子陷阱,形成條件 摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負性、共價半徑等方面有較大差別 等電子雜質(zhì)電負性大于基質(zhì)晶體原子的電負性時，替代后，它能俘獲電子成為負電中心（相當于提供空穴） 反之，它能俘獲空穴成為正電中心（相當于提供導電電子）,雜質(zhì)的雙性行為 硅在砷化鎵中既能取代鎵而表現(xiàn)出施主雜質(zhì)，又能取代砷表現(xiàn)出受主雜質(zhì),,Review,雜質(zhì) 在純凈半導體中摻入一定量的雜質(zhì)，可以顯著的控制半導體的導電性質(zhì)（淺能級雜質(zhì)）和穩(wěn)定性性能（深能級雜質(zhì)） 雜質(zhì)能級 雜質(zhì)摻入半導體后，由于在晶格勢場中引入微擾，從而在禁帶中引入能級（雜質(zhì)能級） 淺能級雜質(zhì) 施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì) 雜質(zhì)能級、雜質(zhì)電離（能）、電離態(tài) 雜質(zhì)的補償作用 n型和p型半導體 高度補償,,缺陷： 晶格周期的不完整 分為三類,點缺陷（點的不完整）：空位、間隙原子 線缺陷（線的不完整）：位錯 面缺陷（面的不完整）：層錯,,點缺陷 在一定溫度下，晶格原子不僅在平衡位置附近做振動，而且有一部分原子會獲得足夠的能量，克服周圍原子對它的束縛，擠入晶格原子間的間隙，形成間隙原子，原來的位置空出來，成為