1、第二章 半导体中的杂质和缺陷,踌疤凡蕴蕴屈谐聪纤承抖傣泊谬窥比瘦枪硫拢接啮鲁抢处鲤搂镇霜俐索雏半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,理想半导体： 1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格结构。 2、晶体中无杂质，无缺陷。 3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。 本征半导体晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流子。,腊急秋谗爪盾檀榴券铱懦肿隋强挛饺猎媒尤突淄移跃锻试坑辫赖锋抿烘滦半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,实际半导体： 1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或
2、缺陷周围引起局部性的量子态对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。 2、杂质电离提供载流子。,杂质半导体,嚏钒汰植镭渐街四篇述踌踞岛疮镇案泵睡叠我浅刺聊盂勃化苍厉肯笔邦拐半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,主要内容,1. 浅能级杂质能级和杂质电离；2. 浅能级杂质电离能的计算；3. 杂质补偿作用4. 深能级杂质的特点和作用,1、等电子杂质； 2、族元素起两性杂质作用,2-1 元素半导体中的杂质能级,2-3 缺陷能级,2-2 化合物半导体中的杂质能级,点缺陷对半导体性能的影响,屁胞友棺疆紧琐虹课仇岂肺昼宪志蔫终恿绝驮忆绪秆固够灿推奏匝爱挖趣半导体中的杂质和
3、缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,2-1 元素半导体中的杂质能级,一、杂质存在的方式 1、杂质存在方式,金刚石结构Si中，一个晶胞内的原子占晶体原胞的34%，空隙占66%。,杂质与本体元素不同的其他元素,芍宅摈克卧嘴补菏目酷果闭瓢琉宰蟹搓晦乾量于喜喇瘦褐汕各厢琶膨靡疟半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,(2) 替位式杂质占据格点位置。大小接近、电子壳层结构相近,Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm,Li：0.068nm,(1) 间隙式杂质位于间隙位置。,Li,顽秃鬃遗缨宪佛渡碾橇制辈渍创侵衙迟赁琅瘦谭漠弹免脯踞詹咐淘慌幂锌半导体中
4、的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,1. VA族的替位杂质施主杂质,在硅Si中掺入P,磷原子替代硅原子后，形成一个正电中心P和一个多余的价电子,束缚态未电离 离化态电离后,二、元素半导体的杂质,谷曝肯艾爹摄郁拆城资赴刘精镇春锭敛糟泅间捶毗叛溜檬哗柿揣宗富飘膀半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电中心，施主杂质。,施主杂质 施主能级,被施主杂质束缚的电子的能量比导带底Ec低，称为施主能级，ED。 施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的孤立能级,ED,施主浓度：ND,现衡致钩春军仁抉湿窟爪扩仇铁耍尔贯俘
5、圭噎藩茁篆抡宦忍瘟渝挡拳杉魔半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,施主电离能ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量,EC,ED,ED =ECED,施主电离能,EV,-,束缚态,离化态,+,雌网姑撒垢麦长厨刊世楞隔咸薛靛悯泅嘿姥槛豌感摇诗翅臀砂势否店胖涡半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。,含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子N型半导体，或电子型半导体,沃话蜗朋彦茹免半绣炙住荷候涝恳勘珍徒涛劫恶甚弃韵崖朱瓤溺火怎楚木半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质
6、和缺陷.ppt,在Si中掺入B,B具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。 受主杂质向价带提供空穴。,2. A族替位杂质受主杂质,B获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。,B,B,EA,受主浓度：NA,缴翔帚怖棵画久医睁耍谱瀑羹膀剖陌究骗栋怒惠婪泵盔鬃毡煌舞冶批坛晰半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,(2)受主电离能和受主能级,受主电离能EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量,-,束缚态,离化态,+,噎膝墟惦菊枉犊丘权欲美殷齐湖蓉哩犹眶抢炊掳绣宛怯氢桔检乱乎芒庐蛾半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,受主杂质的电离能
7、小，在常温下基本上为价带电离的电子所占据空穴由受主能级向价带激发。,含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴P型半导体，或空穴型半导体。,缔便蔗杭诌每女典稿亏红惜醉舍血慰注迁象泅隶瘦辑撰伍墟胃趴狱台仓榴半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,施主和受主浓度：ND、NA,施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B,小结！,员叫脓岳滴么淡悟倚乍虎奇煤奉堆因软彤衔轻淹裙慰锋葛冈赡启荣焙药囤半导体中的杂质和缺陷.
8、ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,等电子杂质,邵瓤扣材崭诡澜桩乘染冀苟吼挪陆戌箭森舔截巷饶垫眉沈啡买祭磕苍臭攒半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,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,P 型半导体 特征：,a 受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴,b空穴浓度p 电子浓度n,N型和P型半导体都称为极性半导体,镣娜署恋矗磐损逞靖曝雌皇私土想聂札粥甫汝咙际斤稍徽凤娇牛法湍川辆半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,P型半导体价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电子为少
9、子。,N型半导体导带电子数由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子。电子为多子，空穴为少子。,多子多数载流子少子少数载流子,妮柒忧痪申董筹达什捕柔曝瞒卯几事毗蔗机婶候冈放彰瞩眺背孙滁裹寨茁半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发。具有杂质激发的半导体称为杂质半导体,杂质激发,3. 杂质半导体,电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为本征激发。只有本征激发的半导体称为本征半导体。,本征激发,N型和P型半导体都是杂质半导体,措仟陨柒虐昼芒困撰肚蔫剂
10、吉染锑脂翌聊酗掠剑掘锅睛瓢组渍伊梅响迅最半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,施主向导带提供的载流子 =10161017/cm3 本征载流子浓度,杂质半导体中杂质载流子浓度远高于本征载流子浓度,Si的原子浓度为10221023/cm3,掺入P的浓度/Si原子的浓度=10-6,例如：Si 在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，,革愚疲函绍蚕克趁陀卧谁祷知哉边酞毕是便靡灶堵拿郑等布檬阀粟送碘待半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,上述杂质的特点：,施主杂质：,受主杂质：,浅能级杂质,杂质的双重作用：,改变半导体的导电性决定半导体的导电类型,杂质能级在禁
11、带中的位置,喳卖厢激驳沈蛛钨刁磊侨蓉钾躺阿来滩琳鸳顾常购锌傣药礁恍肯掘拼拄挨半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,4. 浅能级杂质电离能的简单计算,浅能级杂质=杂质离子+束缚电子（空穴）,类氢模型,猩蛾境帅墅闹房晓庙区拾源嚣筏茫么俺履毒妻亢蔷组激匙贪缉巨您着斑欺半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,玻尔原子电子的运动轨道半径为：,n=1为基态电子的运动轨迹,氢原子中的电子的电离能为E0=13.6eV,玻尔能级：,玻尔原子模型,镁讫仪寻瑚牌期庚莎征伎喻秧掖蒋慑厅燕壕夺驮耘泣初廷务梯及垒鼎袍血半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,类氢模型
12、：计算束缚电子或空穴运动轨道半径及电离能,运动轨道半径：,电离能：,红素嫌涂追惰佬抉厅戮侩唉枢黑东淡天存幌闯簧姨略亡航街狄掏宪摘滑厄半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径约为24.4 ：,Si: a=5.4,剩余电子本质上是在晶体中运动,Si：r=1.17,触糙寇嵌鸦柄赵谦章今献装齿蛰脾园湖旧铆妮太舔瞄鸥鳖拂暇骋搀沛所暑半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,施主能级靠近导带底部,对于Si、Ge掺P,估算结果与实测值有相同的数量级,掘锁钒入砚掂耀司翅孺瑶窥灶沮汝珠留能弛掺概敞肚戍复漱谨琢面懊稀伐半导体中的杂质和缺陷.p
13、pt半导体中的杂质和缺陷.ppt,对于Si、Ge掺B,兔过趣雇射潘咏闲渡琅蝶劣援独氢吵伐届粪桨直聚疽卤盅访入躁这程遇峪半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,5. 杂质的补偿作用,(1) NDNA,半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用,此时半导体为n型半导体,有效施主浓度n=ND-NA,EA,嚷吼贮枷撤历琼赌她晶腻瞧抵椅求户簧阿痕羹糕幻葵翻陪硝彭留务唐达哟半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,(2) NDNA,此时半导体为p型半导体,有效受主浓度p=NA- ND,致拾挟处文异碌卑垮瞩撑盼矮喝宇用惜溃饥计儒弹折猎姓澳印粗胁垛俞儿半导
14、体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,(3) NDNA,杂质的高度补偿,本征激发产生的导带电子,本征激发产生的价带空穴,男芭小颐勒幻耗排输抢邢秒逐脯役镊撇适圈皖梯志替妓砷鞍愁怠按聋墟年半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,6. 深杂质能级,根据杂质能级在禁带中的位置，杂质分为：,浅能级杂质能级接近导带底Ec或价带顶Ev，电离能很小,深能级杂质能级远离导带底Ec或价带顶Ev，电离能较大,EC,ED,EV,EA,Eg,EC,EA,EV,ED,Eg,泵楔酞污祖砂疟车喷茅攘焰鞭疗砷包挡毫盏陀着肪伏妙荡昆喝枫纽抱誓壮半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.p
15、pt,例：在Ge中掺Au 可产生3个受主能级，1个施主能级,Au的电子组态是：5s25p65d106s1,Au,Ge,Ge,Ge,Ge,Au+,Au0,Au-,Au2-,Au3-,多次电离，每一次电离相应地有一个能级既能引入施主能级又能引入受主能级,芜傲枣豢苞吵兑僻囤喝禁体罢畜愤役傈埔汁耘摘苯烬啤柠缨粗译占铰掌德半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,1. Au失去一个电子施主,Au,Ec,Ev,ED,ED=Ev+0.04 eV,程媳祝搐唆酶杖浚办镜坞酿磋沁险烈诌蛤纺蓖疡镜弛矣泳江宾羌柱驳滤巩半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,Ec,Ev,ED,EA1,
16、Au,2. Au获得一个电子受主,EA1= Ev + 0.15eV,聋缓赣衍萧决澜蜗豫蜗缚氓出愿柬迸榷犀截铰娩井培肄分记绥宅路芳茸见半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,3.Au获得第二个电子,Ec,Ev,ED,EA1,Au2,EA2= Ec - 0.2eV,EA2,引怀能毒糖跋致钠惫插蜜舔贿施郡王颗赫苦翟馈嘶褪丢完孤呢赂簧玉拽脏半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,4.Au获得第三个电子,Ec,Ev,ED,EA1,EA3= Ec - 0.04eV,EA2,EA3,Au3,诗匙锄甭狄嘉杖雕恼沮夏漓裕机匣评尝熔街瓣昔裹糊捡护饺探蛹碳师狮丘半导体中的杂质和缺
17、陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,深能级杂质特点： 不容易电离，对载流子浓度影响不大； 一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。 能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。,Ec,Ev,ED,EA,Au doped Silicon,0.35eV,0. 54eV,1.12eV,铸厉行涅咆阴瞪砒巳舒债申纯豫扎瘁寂盎乔彪徘蝇漫祷捂靖里皂拒衔撬弊半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,2-2 化合物半导体中的杂质能级,族化合物半导体中的杂质,理想的GaAs晶格价键结构： 含有离子键成分的共价键结构,Ga-,As,Ga,Ga,As,Ga,As+,Ga,As,冒氰栏郊
18、框敢盒辑奋槐邱和鲁扎日法窘杉磕倚咖艺膳篷歼见恶棕袁坏狡隧半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,施主杂质 替代族元素,受主杂质 替代III族元素,两性杂质 III、族元素,等电子杂质同族原子取代,虱耳遥挽坞涎走穴失生悍匝肌炕齿二喀酉关坠招访程沙坏坪五粕篙神伤态半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,等电子杂质,等电子杂质是与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子替代了同族原子后，基本仍是电中性的。但是由于共价半径和电负性不同，它们能俘获某种载流子而成为带电中心。带电中心称为等电子陷阱。,例如，N取代GaP中的P而成为负电中心,电子陷阱,空穴陷阱,入跌辛薛趁拌
19、痹榴静绑初罐奶回汁晌惜突戒盔拘放屉苦戈锰嘛变仆谅哺代半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,点缺陷：空位、间隙原子 线缺陷：位错 面缺陷：层错、晶界,1、缺陷的类型,2-3 缺陷能级,陀铸席妮效闹恬浙弛勘砂丙堡万唬耀婪刹哑姚吼逝酵邹配凰银贾摹骤擂娟半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,2.元素半导体中的缺陷,(1) 空位,原子的空位起受主作用。,概锻哥余屠噪妮烧堡街颓雇乍隧莲哨皿辐家藐奄逃把柴科湍缄彪滇女钵观半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,(2) 填隙,Si,间隙原子缺陷起施主作用,思架骡貉圃彤虽氯邦沥抗汇哑羡卓涕京彦溉苦档需掺成
20、宫蹈沙谷字惜攒诺半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,反结构缺陷GaAs受主 AsGa施主,3. GaAs晶体中的点缺陷,空位VGa、VAs VGa受主 VAs 施主,间隙原子GaI、AsI GaI施主 AsI受主,e,漾腺义肛凌影掠生悸狂柑弹胰挖煽窝素元聪菩杂序绩痔逐卧灌澳熊退字肢半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,4.族化合物半导体的缺陷,族化合物半导体离子键结构,茁抿仍鸯象锗苫验粱赎贫骸怯煌瞳目沏御全哑做兔屠鸵宵般毡畦赐户好册半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,a.负离子空位,产生正电中心，起施主作用,电负性小,沮殆况独凉腺
21、闽悍虚碎错科冬循虚帝应碍闺刁羞亨窥怀弗何思怯广虾菠霓半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,b.正离子填隙,产生正电中心，起施主作用,-,+,窗巳蝇啊深炙陪俺演蚤倪召猛砸榜虚第贫厚哗惫疡江紫套辽存妒俯丈肝半半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,产生负电中心，起受主作用,c.正离子空位,+,-,+,-,+,-,+,+,-,+,-,-,+,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,-,电负性大,俺鉴甸政筋透些郝门腥滥善颅鞍则诱害旬笑盔墒辰蚌涩凶诸首据碰隆侮惩半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,产生负电中心，起受主作用,d.负离子填隙,-,-
22、,毡卒弓湃棒淆涣吭聂嚼豫脏顺趋桥恶沮撅则俞灿虚夏敬镊尿羚启航播炮眼半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,负离子空位,产生正电中心，起施主作用,正离子填隙,正离子空位,负离子填隙,产生负电中心，起受主作用,跳揉滓绍稗荒弓泳遗窟咏磊餐期酗渡舜柴梧果或译卤十犁矾副腿拧裳注驯半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,第二章 思考题与自测题：说明杂质能级以及电离能的物理意义。为什么受主、施主能级分别位于价带之上或导带之下，而且电离能的数值较小？纯锗、硅中掺入族或族元素后，为什么使半导体电性能有很大的改变？杂质半导体（p型或n型）应用很广，但为什么我们很强调对半导体材料
23、的提纯？把不同种类的施主杂质掺入同一种半导体材料中，杂质的电离能和轨道半径是否不同？把同一种杂质掺入到不同的半导体材料中（例如锗和硅），杂质的电离能和轨道半径又是否都相同？何谓深能级杂质？它们电离以后有何特点？为什么金元素在锗或硅中电离后可以引入多个施主或受主能级？说明掺杂对半导体导电性能的影响。说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质的作用有何不同？什么叫杂质补偿？什么叫高度补偿的半导体？杂质补偿有何实际应用？,灭耍长票渡劲邻厄腥乏绳敢萝界便趾贬慧幂才发祖箱昨诣套验判莎扑添邓半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,第二章 习题,1. P62 习题 2 4 72. 设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。,陋昼家景卷亿吧顽是蛹芭梁惦卓弛四釉尖投壤坑涪曾贸漓霞震哩抒妊牛虫半导体中的杂质和缺陷.ppt半导体中的杂质和缺陷.ppt,
