第二章-半導體中雜質(zhì)和缺陷能級.

1、1第二章第二章 半導體中雜質(zhì)和缺陷的能級半導體中雜質(zhì)和缺陷的能級22.1.1 2.1.1 間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)2.1 Si、Ge晶體中的雜質(zhì)能級晶體中的雜質(zhì)能級實際半導體中并不是完美的一種原子的晶體結(jié)構(gòu)。存在著一定數(shù)實際半導體中并不是完美的一種原子的晶體結(jié)構(gòu)。存在著一定數(shù)目的缺陷和雜質(zhì)。目的缺陷和雜質(zhì)。即使微量的雜質(zhì)，對半導體的導電能力會帶來巨大的影響即使微量的雜質(zhì)，對半導體的導電能力會帶來巨大的影響-半半導體的特性。導體的特性。雜質(zhì)：與本體原子不同元素的原子。雜質(zhì)：與本體原子不同元素的原子。 只有替位雜質(zhì)才能被激活。只有替位雜質(zhì)才能被激活。正如一般電子為晶體原子所束縛

2、的情況，電子也可以受雜質(zhì)的束正如一般電子為晶體原子所束縛的情況，電子也可以受雜質(zhì)的束縛，形成雜質(zhì)能級。電子也具有確定的能級，這種雜質(zhì)能級處于縛，形成雜質(zhì)能級。電子也具有確定的能級，這種雜質(zhì)能級處于禁帶（帶隙）之中，它們對實際半導體的性質(zhì)起著決定性作用。禁帶（帶隙）之中，它們對實際半導體的性質(zhì)起著決定性作用。32.1.1 2.1.1 間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)半導體中間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì) 按照球形原子堆積模型，金剛石型晶體的一個原胞中的8個原子只占該晶胞體積的34，還有66是空隙。A間隙式雜質(zhì)原子：原子半徑比較小B替位式雜質(zhì)原子：原子的大小與被 取代的晶體原子大小比較相近雜質(zhì)

3、濃度：單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)42.1.2 2.1.2 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級施主能級5施主能級ED被施主雜質(zhì)束縛的多余的一個價電子狀態(tài)對應的能量。2.1.2 2.1.2 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級施主能級62.1.2 2.1.2 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級施主能級施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)施主電離施主電離束縛態(tài)束縛態(tài)中性態(tài)中性態(tài)VA族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時，能夠釋放電子而產(chǎn)生導電電子并形成正電中心。釋放電子的過程。施主雜質(zhì)未電離時電中性的狀態(tài)離化態(tài)離化態(tài)電離后成為正電中心。施主雜質(zhì)電離能ED多余的一個價電子脫離施主雜質(zhì)而成為自由電子所需要的能量。72.1.3 2.1.3 受主雜質(zhì)、受主能級受主雜質(zhì)、受

4、主能級p 硼摻入硅中, 硼只有三個價電子,與周圍的四個硅原子成鍵時，產(chǎn)生一個空穴。其它成鍵電子很容易來填補這個空穴。填補時，空穴激發(fā)到價帶（空穴電離，能量升高），同時硼原子成為負電中心。這一過程很容易發(fā)生，意味著空穴電離能較小。82.1.3 2.1.3 受主雜質(zhì)、受主能級受主雜質(zhì)、受主能級等價表述等價表述受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)電離能電離能受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)電離電離硼原子看成是一個負電中心束縛著一個空穴, 空穴很容易電離到價帶, 同時在硼原子處成為一個負電中心?？昭⊕昝撌苤麟s質(zhì)束縛的過程。使空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛成為導電空穴所需要的能量。P型半導體 如何計算、分析半導體中，雜質(zhì)的能級。這里介紹一種最如何計

5、算、分析半導體中，雜質(zhì)的能級。這里介紹一種最簡單的、實際上也是最重要的一類雜質(zhì)能級簡單的、實際上也是最重要的一類雜質(zhì)能級類氫雜質(zhì)類氫雜質(zhì)能級。能級。 在在SiSi、GeGe元素半導體和元素半導體和族化合物半導體等最重要的族化合物半導體等最重要的半導體材料中發(fā)現(xiàn)：半導體材料中發(fā)現(xiàn)： 加入多一個價電子的元素，如在加入多一個價電子的元素，如在Si Si 、GeGe中加入中加入P P、AsAs、SbSb，或在，或在族化合物中加入族化合物中加入族元素，族元素，這些摻入的雜質(zhì)將成為施主這些摻入的雜質(zhì)將成為施主； 加入少一個價電子的元素，如在加入少一個價電子的元素，如在Si Si 、GeGe中加入中加入Al

6、 Al 、GaGa、InIn，或在，或在族化合物中加入族化合物中加入族元素，這些摻入的雜族元素，這些摻入的雜質(zhì)將成為受主質(zhì)將成為受主；2.1.4、淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算、淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算 加入多一個價電子的替位式雜質(zhì)原子，在加入多一個價電子的替位式雜質(zhì)原子，在填滿價帶（飽和周圍成鍵原子的共價鍵）填滿價帶（飽和周圍成鍵原子的共價鍵）之外尚多余一個電子，同時，相比原來的之外尚多余一個電子，同時，相比原來的原子，雜質(zhì)原子也多一個正電荷，多余的原子，雜質(zhì)原子也多一個正電荷，多余的正電荷正好束縛多余的電子，類似氫原子正電荷正好束縛多余的電子，類似氫原子的情形。的情形。 加入少一個價電子的替

7、位式雜質(zhì)原子，在加入少一個價電子的替位式雜質(zhì)原子，在與近鄰與近鄰4 4個原子形成共價鍵時，缺少了一個原子形成共價鍵時，缺少了一個電子，這樣就使得此處的共價鍵中相比個電子，這樣就使得此處的共價鍵中相比原來缺少了一個電子。其它價鍵中的電子原來缺少了一個電子。其它價鍵中的電子很容易來填補這個空缺。這樣一來，雜質(zhì)很容易來填補這個空缺。這樣一來，雜質(zhì)處多了一個負電荷，同時滿帶處取去了一處多了一個負電荷，同時滿帶處取去了一個電子，亦即多一個空穴。如同這個空穴個電子，亦即多一個空穴。如同這個空穴可以被雜質(zhì)負電荷所束縛，并類似氫原子可以被雜質(zhì)負電荷所束縛，并類似氫原子的情形，只有正負電荷對調(diào)了，這樣一個的情形

8、，只有正負電荷對調(diào)了，這樣一個束縛的空穴相當于一禁帶中一個空的受主束縛的空穴相當于一禁帶中一個空的受主能級。能級。112.1.4、淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算、淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算2220248nhmqEn)()(4202202rErrqmhn氫原子電子滿足：可以解出能量本征值：可以解出能量本征值：基態(tài)氫原子的電離能基態(tài)氫原子的電離能Ei:eVmqE6 .138220241a0稱為波爾半徑，值為：稱為波爾半徑，值為：Amqa52.0420202.1.4、淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算、淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算 半導體中點電荷庫侖場，受到連續(xù)介質(zhì)的屏蔽，庫侖勢減弱了半導體中點電荷庫侖場，受到連

9、續(xù)介質(zhì)的屏蔽，庫侖勢減弱了 r，(半導體相對介電常數(shù)半導體相對介電常數(shù)) 束縛電子或空穴的質(zhì)量為有效質(zhì)量束縛電子或空穴的質(zhì)量為有效質(zhì)量m*，由氫原子的結(jié)果得到，由氫原子的結(jié)果得到 由于由于m* NNA ADADNNNnl ND NA時,由于受主能級低于施主能級, 施主雜質(zhì)的電子首先跳到受主雜質(zhì)的能級上，此時還有ND- NA個電子在施主能級上。l 在雜質(zhì)全部電離時,它們躍遷到導帶成為導電電子,有ND- NA個導帶電子,半導體是n型的。能帶角度的理解：能帶角度的理解：182.1.5 2.1.5 雜質(zhì)的補償作用雜質(zhì)的補償作用（b b）N ND D N NA AADANNNpl ND NA時,由于受主

10、能級低于施主能級, 施主雜質(zhì)的電子首先跳到受主雜質(zhì)的能級上,此時還有NA- ND個空穴在受主能級上。l 在空穴全部電離時躍遷到價帶時,有NA- ND個價帶空穴,半導體是p型的。192.1.6 2.1.6 深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)淺能級雜質(zhì)淺能級雜質(zhì)通常情況下，半導體中些施主能級距離導帶底較近；或受主能能級距離價帶頂較近。深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)若雜質(zhì)提供的施主能級距離導帶底較遠；或提供的受主能能級距離價帶頂較遠。l 許多深雜質(zhì)能級是由于雜質(zhì)的多次電離產(chǎn)生的.每一次電離相應地有一個能級，這些雜質(zhì)在硅或鍺的禁帶中往往引入若干個能級，而且有些雜質(zhì)還可以引入施主能級，又能引入受主能級。如：Au在Ge中產(chǎn)生四個

11、深雜質(zhì)能級,其中三個為受主能級，一個為施主能級。2.1.6 2.1.6 深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)的作用1. ED，EA 較大，雜質(zhì)電離作用較弱，對載流子（導電電子和空穴）濃度影響較?。?. 對載流子的復合作用較大（復合中心），降低非平衡載流子的壽命。2.2 III-V族化合物中的雜質(zhì)能級族化合物中的雜質(zhì)能級2.2.1 GaAs中的雜質(zhì)等電子雜質(zhì)：是等價電子，與所取代的基體原子具有相同等電子雜質(zhì)：是等價電子，與所取代的基體原子具有相同價電子數(shù)的雜質(zhì)。價電子數(shù)的雜質(zhì)。 GaP中參入中參入N或或Bi，分別在禁帶中產(chǎn)生，分別在禁帶中產(chǎn)生Ec=-0.008eV，Ev= +0.038eV能級處。能級

12、處。 N取代取代P后，比后，比P有更強的獲得電子的能力，常可吸引一個有更強的獲得電子的能力，常可吸引一個導帶中的電子變成帶負電的離子。導帶中的電子變成帶負電的離子。 Bi取代取代P后，比后，比P有更強的獲得空穴的能力，?？晌粋€有更強的獲得空穴的能力，?？晌粋€價帶中的空穴變成帶正電的離子。價帶中的空穴變成帶正電的離子。等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì) (等電子陷阱）等電子陷阱）2.2.1 GaAs中的雜質(zhì)242.3 2.3 缺陷和位錯能級缺陷和位錯能級p 晶體中存在缺陷和位錯的地方，嚴格的周期勢場也會發(fā)生畸變，這些缺陷可以在半導體的禁帶范圍內(nèi)引入電子能態(tài)而成為禁帶中的缺陷或位錯能級，這些能級一般也是深