1、第2章 半导体中杂质和缺陷,固体材料：超导体: 大于106(cm)-1导 体: 106104(cm)-1半导体: 10410-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1,半导体的导电机制(能带角度),孤立原子能级,满带不导电 非满带 导电,晶体能带,2)、随着温度的升高，两者开始出现差别：a) 半导体: 最外层能带全满非满。 b) 绝缘体：最外层能带仍是全满。,1）、低温下，半导体和绝缘体能带在本质上是相同的。绝对零度下，它们最外层能带都是满带，均不导电。,半导体和绝缘体的区别？,思考：半导体中的载流子来源？,理想晶体自带电子本征激发其它来源(非理想晶体),2.1 硅锗晶体中的杂质
2、,原子并非在格点上固定不动 杂质 (外来的) 缺陷 (内在的) 点缺陷（空位，间隙原子） 线缺陷（位错） 面缺陷（层错，晶粒间界） 边界,影响半导体的电导率和劣化器件的性能。,实际晶体与理想本征晶体的区别,杂质 影响,1、破坏了原有的能带结构，但可视为微扰，引入新的能级 2、提供 导电用 的载流子（电子、空穴） 3、其它,杂质 类型,所处位置：间隙、替位,导电类型：施、受主,能级位置：浅、深能级,分析杂质移动,分析杂质导电,分析非平衡载流子情况,1、根据所处位置划分杂质类型：,图2-2 硅中间隙式杂质和替位式杂质,特点或条件？,替位式杂质 杂质原子的大小与晶体原子相似，价电子的壳层结构比较相近
3、。 III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质。间隙式杂质 杂质原子较小,两种类型杂质 的各自特点：,根据导电类型区分,受主杂质,施主杂质,2、根据导电类型划分杂质类型,施主杂质： 施主能级： n型半导体： 施主电离：,(1)、施主杂质 （浓度：ND、ED）,电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。 硅、锗中的V族元素。,涉及的基本概念,应主要关注的参数：,施主杂质电离能ED,图2-4 施主能级和施主电离,Si、Ge而言，施主通常是V族元素。电离能较小，在Si中约0.040.05eV，Ge中约0.01eV。,硅锗中常见施主杂质及电离能ED,表2-1 硅锗中
4、常见杂质电离能(单位:ev),受主杂质： 受主电离： 受主能级： p型半导体：,电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。,(2)、受主杂质 (NA、EA),涉及的基本概念,应主要关注的参数：,受主杂质电离能EA：,图2-6 受主能级和受主电离,Si、Ge而言，施主通常是III族元素。电离能较小。 但In在Si中是个例外。,硅锗中常见受主杂质及电离能EA：,表2-2 硅锗中常见杂质电离能(单位:ev),当NDNA时： n= ND-NA ND，半导体显n型 当NDNA时： p= NA-ND NA，半导体显p型 当NDNA时： 高度补偿半导体 有效杂质浓度：补
5、偿后半导体中的净杂质浓度。,(3)、杂质的补偿作用,（施主和受主间的抵消作用，载流子具有先占据低能级的特性）,思考：什么样杂质才是“有效”的施主与受主杂质？不同温度下对杂质电离能要求是一样的？,3、根据能级位置划分杂质类型,浅能级杂质,深能级杂质,根据能级位置划分,各杂质能级示意图,离化前： 离子(实)电子 离化后： 束缚电子(准)自由电子,1)、浅能级杂质电离能简单计算：类氢模型,氢原子与杂质原子相同点：,电离能氢 基态电子至无穷远所需的激发能,1）、环境不同： 2）、内部势场不同：,不同点：,类氢原子中的电子能量(Z为原子核中正电荷数)：,其中n=1,2,3，为主量子数,氢原子的模型结果,
6、基态电子的电离能：,考虑到正、负电荷处于介电常数= 0r的介质中，且在周期势场中运动，所以有,施主杂质电离能：,受主杂质电离能：,(2.2),(2.3),1、没反映出杂质原子的影响。 2、本身是一个近似模型。,类氢模型的不足：,例3： 半导体硅单晶的介电常数为11.8，电子和空穴的有效质量备为：mn*=0.26m0,mp*=0.30m0，利用类氢模型估计：(1). 施主和受主的电离能；(2). 基态电子轨道半径；(3). 相邻杂质原子的电子轨道将发生明显交迭时(假设基态半径发生交叠)，试估算此时施主、受主浓度的数量级(此时可认为将形成杂质能带)?,思考：重掺杂时，禁带变窄的原因？,杂质原子浓度
7、不断增加，相邻杂质上“基态电子”的运动轨道不断接近，电子云逐渐出现交叠，即出现“共有化运动”？从而使孤立原子能级变成杂质能带？,2)、深能级杂质特点：1、大多为替位式杂质；2、硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质；3、能多次电离，每电离均产生一个对应能级。4、含量少，且对载流子浓度影响较小【两个原因】。复合作用明显，一般作为复合中心存在【非平衡时】。,对Si、Ge而言，深能级杂质通常为 非III、V族元素（图2-9）。,金是 I 族元素 (目前无完善的理论能够说明，只能定性) 故可失去一个电子，施主能级略高于价带顶； 也可得到三个电子，形成稳定的共价键
8、结构。实际中，Au在Si：一受主、一施主能级。在Ge中：三受主，一施主能级。,由于库仑力的排斥作用，后获得电子的电离能大于先获得电子的电离能。即EA3EA2EA1。 金在Ge中ED、EA3、EA2、EA1四个孤立能级。,杂质多次电离，每次电离能的大小变化情况？,2.2 III-V族化合物 （略）自习,2.3缺陷、位错能级,2.3.1 点缺陷,1. 热缺陷（由温度决定） 晶格原子吸收热能后挤入晶格间隙，产生间隙原子和空位。同时也存在反过程，两者最终达热平衡状态。(a).弗伦克尔缺陷成对出现的间隙原子和空位。(b).肖特基缺陷只形成空位而没有间隙原子。,2. 空位： 偏离正常的化学成分比。位置上原
9、子消失,3. 替位原子(反结构缺陷)：对AB化合物，AB, BA （小写代表位置，大写代表占据该位置的原子）,化合物半导体,点缺陷引入的能级类型,间隙原子： 有四个可以失去的电子，所以倾向于表现出施主作用(也会起受主作用)。 空位： 形成的键不饱和，易于接受电子，所以空位表现出受主作用；,空位：需要实际分析。GaAs中的镓空位和砷空位均表现为受主作用；离子性强的化合物半导体（M,X），正离子空位是受主，负离子空位是施主。 间隙原子：金属原子为间隙原子时为施主，非金属原子为间隙原子时为受主。 替位原子：离子性弱的二元化合物AB，替位原子AB是受主，BA是施主。B元素价电子较多,元素半导体,化合 物半 导体,2.3.2 位错,对半导体材料和器件的性能会产生重要影响。 锗中位错具有受主及施主的作用。与杂质间可能起补偿作用。 晶格畸变，能带宽度发生变化。,补充问题：间隙原子 显 施主性质？空位 通常 显 受主性质？,
