1、半 导 体 物 第 理 四 学 版,实际应用的半导体材料晶格 （偏离理想情况）,原子在平衡位置附近振动 杂质 缺陷,微量杂质和缺陷,对物理及化学性质 产生决定性影响,破坏周期性势场,禁带中引入能级,利用,掺杂 缺陷 （外界影响）,高性能器件,杂质引起周期势微扰示意图,半导体中的杂质与缺陷,前述,1. 替位式杂质 间隙式杂质,杂质存在方式,根据杂质原子和晶格原子大小、价电子壳层结构分类 填（间）隙式杂质：位于格点间的间隙位置 替位式杂质：取代了晶格原子位于格点处,硅中的杂质,eg：rLi 0.068nm 填隙B、P 替位式,2.1 硅 锗晶体中的杂质能级,以Si中掺P为例： P取代Si正电中心P
2、+和一个多余的价电子（束缚作用较弱）,硅中的施主杂质,施主能级和施主电离(画法),施主电离,施主杂质：（n型杂质）施放电子而产生导电电子并形成正电中心 n型半导体：主要依靠导带电子导电的半导体,2. 施主杂质、施主能级,Si、Ge中族杂质的电离能ED（eV） 晶 杂 质 体 P As Sb,Impurity-doped Silicon,Si 0.044 0.049 0.039,Ge 0.0126 0.0127 0.0096,电离前施主杂质为中性的束缚态，束缚电子的能级为施主能级ED,为靠近导带的孤立能级: 多余价电子成为导电电子所需能量称为施主电离能ED， ED =Eg-EDEg,3.受主杂质
3、、受主能级,以Si中掺B为例： B取代Si负电中心B-和一个带正电的空穴（束缚作用较弱）,受主电离,受主杂质：（p型杂质）接受电子而产生导电空穴并形成负电中心 p型半导体：主要依靠价带空穴导电的半导体,硅中的受主杂质,受主能级和受主电离,(画法),Si、Ge中族杂质的电离能EA（eV） 晶 杂 质 体 B Al Ga In,Impurity-doped Silicon,Si 0.045 0.057 0.065 0.16,Ge 0.01 0.01 0.011 0.011,受主杂质的空穴未电离时的束缚态能级为受主能级EA，为靠近价带的孤立能级 空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量称为受主电
4、离能EA EA =EA-EgEg,（浅）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 提供的导电电 子； b、电子浓度n空穴浓度p 2、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,Impurity-doped Silicon,上述杂质的特点： 施主电离能ED Eg 受主电离能 EA Eg,杂质的双重作用： 改变半导体的电阻率 决定半导体的导电类型,Impurity-doped Silicon,浅能级：硅、锗中的III、族杂质的电离能都很小，所以受主能级很接近于价带顶，施主能级很接近于导带低。,在元素半导体中的替位
5、受主和施主,Impurity-doped Silicon,4.浅能级杂质电离能的简单计算,浅能级杂质电离能的简单计算：,电离能很低,束缚微弱,利用类氢模型,氢原子基态电子电离能,晶体中电子处于0r介质中； 在周期势场中运动，以有效质量代替惯性质量,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）,Impurity-doped Silicon,（1） 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：,Impurity-doped Silicon,为主量子数,n1,n,估算结果与实际测 量值有相同
6、数量级,Ge： ED 0.0064 eV Si: ED 0.025 eV,Impurity-doped Silicon,5.杂质的补偿作用,杂质的补偿作用：施受主杂质之间有互相抵消的作用,当NDNA时，受主能级低于施主能级，施主杂质的电子 首先跃迁到NA个受主能级，还有ND-NA个电子在施主能级 上，n=ND-NAND n型半导体 当NAND时，施主能级跃迁到受主能级后，受主能级还 有NA-ND个空穴，p=NA-NDNA p型半导体,有效施主浓度,有效受主浓度,应用： 采用扩散或者离子注入改变半导体的导电类型，得到不同器件NA ND时，高度补偿，应严格控制。(注意高度补偿的情况),深能级：非I
7、II、族杂质在硅锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价带顶也较远。,特点：深能级杂质能够产生多次电离，每一次电离相应地有一个能级；有的同一杂质既可引入施主又可引入受主能级。,6.深能级杂质,（1）浅能级杂质,EDEg,EAEg,（2）深能级杂质 E DEg EAEg,例1：Au（族）在Ge中,Au在Ge中共有五种可能的状态： （1）Au+；施主能级 （2） Au0 ；电中性态 （3） Au一 ； （4） Au二 ； （5） Au三。,受主能级,金在锗中的能级,（1）Au+： Au0 e Au+,Eg,EC,EV,ED,Impurity-doped Silicon,（2）
8、Au一： Au0 + e Au一,EC,EA,EV,（3） Au二:Au一 + e Au二,EC,EV,Impurity-doped Silicon,（4） Au三： Au二 + e Au三,一般情况下含量极少，能级较深，对载流子浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对于载流子的复合作用比浅能级杂质强，也称为复合中心。（金掺杂制造高速开关器件）,2.2 III V 族化合物中的杂质能级,化合物半导体特点：,、族元素组成化合物，原子比1：1；如GaAs, GaP, InP, GaN, AlN 等； 晶体结构为闪锌矿（复杂面心立方）和纤锌矿（复杂六方）结构； 材料的禁带宽度跨度大，多数为直接带
9、材料； 成分多元化，禁带宽度可调，在光电器件中应用广泛,间隙杂质和替位杂质；替位杂质可能替代或V原子； 、族替位杂质有获得电子形成共价键倾向，为受主杂质 杂质取代或V族原子而具有施主和受主的作用。一般为浅能级杂质。,V化合物半导体中的杂质能级,取代III族元素起施主作用；若取代V族元素起受主作用。总效果是施主还是受主与掺杂条件有关。,当III族杂质和V族杂质掺入III-V族化合物中时，实验中测不到杂质的影响，因为它们没有在禁带中引入能级。 但有些V族元素的取代会产生能级，此能级为等电子能级，效应称之为“等电子杂质效应”：,杂质电子与基质原子的价电子数量相等。替代格点原子后，仍为电中性。但是，原
10、子序数不同导致了原子的“共价半径”和“电负性”不同，即对电子的束缚能力不同于格点原子，能俘获电荷成为带电中心，形成电子陷阱或正电荷陷阱。,该陷阱俘获载流子后，又能俘获相反符号的电荷，形成“束缚激子”。这种束缚激子在间接带隙半导体制成了发光器件中起主要作用。,Impurity-doped Silicon,2.3缺陷、位错能级,缺陷种类： 点缺陷：点的不完整性（空位，杂质，替位） 线缺陷：线的不完整性（位错） 面缺陷：面的不完整性（层错）,（1）热缺陷（由温度决定） 弗伦克尔缺陷 成对出现的间隙原子和空位 肖特基缺陷 只形成空位而没有间隙原子 空位缺陷表现出受主性质；间隙缺陷表现为施主,1.点缺陷
11、,A、空位：,V0+e,V-,受主,（2）对于化合物半导体，偏离正常的化学比而引起的点缺陷,空位：VAs，VGa。,（3）化合物半导体中的替位原子,GaAs中,GaAs：受主 AsGa：施主,离子性弱的二元化合物AB，替位原子AB是受主，BA是施主,2.位错线缺陷（线的不完整性）,最著名的位错是刃位错或称棱位错，从原子排列的状况看如同垂直于滑移面插进了一层原子,二维,三维,位错的滑移,位错在切应力作用下由位置1按理想状况平行移动到位置2,位错周围的原子只要移动一个很小的距离，便能使此位错由位置1移到位置2。,位错线扫过的区域里，却积累起相当于整部分晶体的相对移动。当位错线到达晶体表面时，位错消失，晶体沿着滑移面移动了一个原子的间距的距离，产生范性形变。,刃位错滑移时周围原子的动作,刃位错滑移使晶体沿b方向产生塑性变形,（111）面内位错线10 和滑移方向1 0之间的夹角是60 点原子与周围形成了3个共价键。 当原子俘获电子时，相当于受主，变为负电中心。 当原子E失去电子时，相当于施主，变为正电中心；,晶格畸变,在位错周围有伸张区(上)和收缩区(下) 可用公式：,压缩区禁带宽度变大，伸张区变小，,禁带宽度的变化为,
