半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷

半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷第1頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月理想半導(dǎo)體：1、原子嚴(yán)格周期性排列，具有完整的晶格結(jié)構(gòu)，無缺陷。2、晶體中無雜質(zhì)。3、電子在周期場中作共有化運(yùn)動，形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級上，禁帶中無能級。本征半導(dǎo)體——由本征激發(fā)提供載流子第2頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際半導(dǎo)體：1、總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場破壞，在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)2、對應(yīng)的能級常常處在禁帶中，對半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響。雜質(zhì)半導(dǎo)體——主要由雜質(zhì)電離提供載流子第3頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容

1.淺能級雜質(zhì)能級和雜質(zhì)電離；

2.淺能級雜質(zhì)電離能的計算；

3.雜質(zhì)補(bǔ)償作用

4.深能級雜質(zhì)的特點(diǎn)和作用1、等電子雜質(zhì)；

2、Ⅳ族元素起兩性雜質(zhì)作用§2-1單質(zhì)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級§2-3缺陷能級§2-2化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級點(diǎn)缺陷對半導(dǎo)體性能的影響

第4頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-1單質(zhì)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級一、雜質(zhì)存在的方式金剛石結(jié)構(gòu)Si中，一個晶胞內(nèi)的原子占晶體原胞的34%，空隙占66%。雜質(zhì)——與本體元素不同的其他元素第5頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)替位式→雜質(zhì)占據(jù)格點(diǎn)位置。大小接近、電子殼層結(jié)構(gòu)相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nm(1)間隙式→雜質(zhì)位于間隙位置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLi第6頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月1.VA族的替位雜質(zhì)——施主雜質(zhì)在硅Si中摻入PSiSiSiSiSiSiSiSiSi磷原子替代硅原子后，形成一個正電中心P＋和一個多余的價電子束縛態(tài)—未電離離化態(tài)—電離后二、單質(zhì)半導(dǎo)體的雜質(zhì)電離SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP+SiSiSiSiSiSiSiSi思考：在能帶中如何表示電子的這2種狀態(tài)？第7頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月施主電離能△ED=弱束縛的電子擺脫雜質(zhì)原子束縛成為晶格中自由運(yùn)動的電子（導(dǎo)帶中的電子）所需要的能量△ED=EC－EDECEV束縛態(tài)電離時，P原子能夠提供導(dǎo)電電子并形成正電中心——施主雜質(zhì)。被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量比導(dǎo)帶底Ec低，稱為施主能級，ED。施主雜質(zhì)少，原子間相互作用可以忽略，施主能級是具有相同能量的孤立能級．+-離化態(tài)ED施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮拥?頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。含有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是電子——N型半導(dǎo)體，或電子型半導(dǎo)體晶體雜質(zhì)PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096第9頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月在Si中摻入B2.ⅢA族替位雜質(zhì)——受主雜質(zhì)B獲得一個電子變成負(fù)離子，成為負(fù)電中心，周圍產(chǎn)生帶正電的空穴。第10頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月EcEvEA受主電離能△EA=空穴擺脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量束縛態(tài)離化態(tài)+-B具有得到電子的性質(zhì)，這類雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)向價帶提供空穴。第11頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月受主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上為價帶電離的電子所占據(jù)——空穴由受主能級向價帶激發(fā)。含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是空穴——P型半導(dǎo)體，或空穴型半導(dǎo)體。晶體雜質(zhì)BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011第12頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的B小結(jié)！第13頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月等電子雜質(zhì)第14頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向?qū)У能S遷或空穴從受主能級向價帶的躍遷）稱為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)。具有雜質(zhì)激發(fā)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體3.雜質(zhì)半導(dǎo)體電子從價帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電子，這種激發(fā)稱為本征激發(fā)。只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。電子空穴成對產(chǎn)生本征半導(dǎo)體雜質(zhì)的作用：

改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型第15頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月N型半導(dǎo)體特征：a施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中出現(xiàn)施主提供的導(dǎo)電電子b電子濃度n〉空穴濃度pP型半導(dǎo)體特征：a受主雜質(zhì)電離，價帶中出現(xiàn)受主提供的導(dǎo)電空穴b空穴濃度p〉電子濃度nECEDEVEA----++++----++++N型和P型半導(dǎo)體都稱為極性半導(dǎo)體多子——多數(shù)載流子少子——少數(shù)載流子c導(dǎo)帶電子數(shù)由施主數(shù)量決定c價帶空穴數(shù)由受主數(shù)量決定EVEC第16頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月施主向?qū)峁┑妮d流子=5×1013/cm3

>>本征載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體中雜質(zhì)載流子濃度遠(yuǎn)高于本征載流子濃度Si的原子濃度為5×1022/cm31bpm濃度摻雜P例如：Si在室溫下，本征載流子濃度為1010/cm3，第17頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月上述雜質(zhì)的特點(diǎn)：施主雜質(zhì)：受主雜質(zhì)：淺能級雜質(zhì)電離能小第18頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月4.淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算+-施主-+受主淺能級雜質(zhì)=雜質(zhì)離子+束縛電子（空穴）類氫模型第19頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月玻爾原子電子的運(yùn)動軌道半徑為：n=1為基態(tài)電子的運(yùn)動軌跡玻爾原子模型：運(yùn)動軌道半徑：類氫模型：剩余電子的運(yùn)動半徑估算：第20頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月類氫模型電離能：氫原子中的基態(tài)電子的電離能為E0=13.6eV玻爾能級：玻爾原子模型剩余電子的電離能估算：第21頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月對于Si中的P原子，剩余電子的運(yùn)動半徑約為24.4?：Si:a=5.4?剩余電子本質(zhì)上是在晶體中運(yùn)動SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi：r=1.17?第22頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月施主能級靠近導(dǎo)帶底部對于Si、Ge摻PEcEvED估算結(jié)果與實(shí)測值接近第23頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月對于Si、Ge摻BEcEvEA第24頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月EcED施主受主Ev5.雜質(zhì)的補(bǔ)償作用(1)ND＞NA半導(dǎo)體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，施主和受主之間有互相抵消的作用有效施主濃度n=ND-NA此時半導(dǎo)體為n型半導(dǎo)體EAE第25頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月EcEDEAEv施主受主(2)ND<NA有效受主濃度p=NA-ND此時半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體E第26頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)ND≈NA雜質(zhì)的高度補(bǔ)償EcEDEAEv本征激發(fā)產(chǎn)生的導(dǎo)帶電子本征激發(fā)產(chǎn)生的價帶空穴第27頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月6.深雜質(zhì)能級根據(jù)雜質(zhì)能級在禁帶中的位置，雜質(zhì)分為：淺能級雜質(zhì)→電離能很小，能級接近導(dǎo)帶底Ec或價帶頂Ev深能級雜質(zhì)→電離能較大，能級遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底Ec或價帶頂EvECEDEVEAEgECEAEVEDEg第28頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月例：在Ge中摻Au可產(chǎn)生3個受主能級，1個施主能級Au的電子組態(tài)是：5s25p65d106s1AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-多次電離，每一次電離相應(yīng)地有一個能級既能引入施主能級．又能引入受主能級第29頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月1.Au失去一個電子—施主Au＋EcEvEDED=Ev+0.04eV第30頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月EcEvEDEA1Au－2.Au獲得一個電子—受主EA1=Ev+0.15eV第31頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3.Au獲得第二個電子EcEvEDEA1Au2－EA2=Ec-0.2eVEA2第32頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月4.Au獲得第三個電子EcEvEDEA1EA3=Ec-0.04eVEA2EA3Au3－第33頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月深能級雜質(zhì)特點(diǎn)：不容易電離，對載流子濃度影響不大；一般會產(chǎn)生多重能級，甚至既產(chǎn)生施主能級也產(chǎn)生受主能級。能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低。EcEvEDEAAudopedSilicon0.35eV0.54eV1.12eV第34頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2

化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)理想的GaAs晶格價鍵結(jié)構(gòu)：含有離子鍵成分的共價鍵結(jié)構(gòu)Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs第35頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月施主雜質(zhì)替代Ⅴ族元素受主雜質(zhì)替代III族元素雙性雜質(zhì)IV族元素等電子雜質(zhì)——同族原子取代(III、Ⅴ族元素)第36頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月●等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)是與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量價電子的雜質(zhì)原子．替代了同族原子后，基本仍是電中性的。由于共價半徑和電負(fù)性不同，它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。帶電中心稱為等電子陷阱。例如，N取代GaP中的P而成為負(fù)電中心束縛激子——間接半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)制第37頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子線缺陷：位錯面缺陷：層錯、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的類型§2-3缺陷能級第38頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2.元素半導(dǎo)體中的缺陷(1)空位原子的空位起受主作用。SiSiSiSiSiSiSiSi第39頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子缺陷起施主作用第40頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs●反結(jié)構(gòu)缺陷

GaAs受主AsGa施主3.GaAs晶體中的點(diǎn)缺陷●空位VGa、VAs

VGa受主VAs

施主●間隙原子GaI、AsI

GaI施主AsI受主e第41頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月4.Ⅱ－Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的缺陷Ⅱ－Ⅵ族化合物半導(dǎo)體

離子鍵結(jié)構(gòu)—負(fù)離子—正離子+-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-第42頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月a.負(fù)離子空位產(chǎn)生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-++-+-+-+-+-電負(fù)性小第43頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月b.正離子填隙產(chǎn)生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-++-+-+-+-+--+第44頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用c.正離子空位+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+--++-+-+-+-+--電負(fù)性大第45頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用d.負(fù)離子填隙+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-++-+-+-+-+---第46頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月點(diǎn)缺