1、UESTC Nuo Liu,半导体物理 SEMICONDUCTOR PHISICS,教案：刘诺 副教授 独立制作: 刘 诺 副教授 电子科技大学 微电子与固体电子学院 微电子科学与工程系,PHISICS OF SEMICONDUCTORS,PHISICS OF SEMICONDUCTORS,UESTC Nuo Liu,KEY 1、本征激发与本征半导体的特征n0= p0 2、杂质半导体与杂质电离（1）施主与n型半导体 ：电子浓度n0 空穴浓度 p0（2）受主与p型半导体 ：空穴浓度 p0电子浓度n0,第二章 半导体中的杂质和缺陷能级,UESTC Nuo Liu,KEY：1、施主 施主能级 施主电
2、离能 2、受主 受主能级 受主电离能,2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级,UESTC Nuo Liu,1、杂质与杂质能级,杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。 杂质来源: （1）有意掺入（2）无意掺入 杂质在半导体中的分布状况 （1）替位式杂质 （2）间隙式杂质,UESTC Nuo Liu,杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏：,UESTC Nuo Liu,杂质能级位于禁带之中,Ec杂质能级Ev,UESTC Nuo Liu,2、施主能级：举例：Si中掺磷P（Si：P）,导带电子,电离施主 P+,Si,UESTC Nuo Liu,在Si单晶中，V族施主替位杂质
3、两种荷电状态的价键图（a）电离态（b）中性施主态,UESTC Nuo Liu,施 主 电 离 能：ED=EC-ED,ED=EC-ED,EC,ED,EV,施主电离能（束缚能）是使被俘获的电子摆脱束缚，从而可以参与传导电流所需的能量。电子浓度n0空穴浓度p0,UESTC Nuo Liu,含有电离和中性施主能级的Si的E-x和E-k图,ED,UESTC Nuo Liu,3、受主能级：举例：Si中掺硼B（Si：B）,价带空穴,电离受主 B-,UESTC Nuo Liu,在Si单晶中，族受主替位杂质两种荷电状态的价键图（a）电离态（b）中性受主态,UESTC Nuo Liu,EC,EA,EV,EA=EA
4、-EV,空穴浓度p0电子浓度n0,受主电离能（束缚能）是使被俘获的空摆脱束缚，从而可以参与传导电流所需的能量。,受 主 电 离 能：EA=EA-EV,UESTC Nuo Liu,含有电离和中性受主能级的Si的E-x和E-k图,EA,UESTC Nuo Liu,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电子；b、电子浓度n空穴浓度p2、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,UESTC Nuo Liu,UESTC Nuo Liu,不同导电类型的半导体的能带图,强p型 弱p型 本征型 弱n型 强n型,Ec
5、 Ei Ev,UESTC Nuo Liu,上述杂质的特点： 施主电离能ED Eg 受主电离能 EA Eg,浅能级杂质,杂质的双重作用：1、改变半导体的电阻率2、决定半导体的导电类型,UESTC Nuo Liu,4、浅能级杂质电离能的简单计算,（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：,UESTC Nuo Liu,（2）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）,UESTC Nuo Liu,UESTC Nuo Liu,正、负电荷所处介质：,UESTC Nuo Liu,估算结
6、果与实际测 量值有相同数量级,Ge：ED 0.0064 eVSi:ED 0.025 eV,UESTC Nuo Liu,5、杂 质 的 补 偿 作 用,1、本征激发与本征半导体 （1）本征激发：在纯净半导体中，载流子的产生必须依靠价带中的电子激发到导带，它的特点是每产生一个导带电子就相应在价带中产生一个空穴，即电子和空穴是成对产生的。这种激发称为本征激发。,UESTC Nuo Liu,即：n0=p0=ni（ ni为本征载流子浓度）,（2）本征半导体：不含杂质的半导体就是本征半导体。ni= ni（T）,电子浓度,空穴浓度,n0=p0=ni,UESTC Nuo Liu,在室温（RT=300K）下：n
7、i （Ge）2.41013cm-3ni （Si） 1.51010cm-3ni （GaAs） 1.6106cm-3,ni本征载流子浓度,UESTC Nuo Liu,（3）n型半导体与p型半导体,(A)如施主浓度NDnin型半导体,(B)如受主浓度NAnip型半导体,当半导体中掺入一定量的浅施主或浅受主时，因其离化能ED或 EA很小（RT下的kT=0.026eV）,所以它们基本上都处于离化态。,UESTC Nuo Liu,(4)杂质的补偿,既掺有施主又掺有受主 补偿半导体,（A）NDNA时 n型半导体,所以：有效的施主浓度 ND*=ND-NAni,ED,EA,施主浓度,受主浓度,因 EA 在 ED
8、 之下 ， ED上的束缚电子首 先填充EA上的空位， 即施主与受主先相互 “抵消”，剩余的束缚电子再电离到导带上。,UESTC Nuo Liu,（B）NAND时 p型半导体因 EA 在 ED 之下 ， ED上的束缚电子首 先填充EA上的空位， 即施主与受主先相互 “抵消”，剩余的束 缚空穴再电离到价带 上。,ED,EA,所以：有效的受主浓度 NA*=NA-NDni,UESTC Nuo Liu,（C） NAND时 杂质的高度补偿,本征激发的导带电子Ec EDEA Ev 本征激发的价带空穴,UESTC Nuo Liu,6、深能级杂质,（1）浅能级杂质,（2）深能级杂质E DEg EAEg,E D,
9、EA,EA,E D,E D,EA,Ec,Ec,Ev,Ev,EDEg,EAEg,UESTC Nuo Liu,深能级杂质的特征,浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主能级靠近价带；深能级施主则主要位于禁带下部分，深能级受主主要位于禁带上部分。 多重能级特性：一些深能级杂质产生多次电离，导致多重能级特性。 由于二次电离是在上一次电离的基础上实现的，故一次电离能一般小于二次电离能。,UESTC Nuo Liu,浅能级,深能级,Eg,导带底,价带顶,UESTC Nuo Liu,浅 能 级,Ei,导带底,价带顶,ED,施主能级,受主能级,Ec,Ev,EA,UESTC Nuo Liu,例1：Au（族）在Ge中,
10、Au在Ge中共有五种可能的状态： （1）Au+；（2） Au0 ；（3） Au一 ；（4） Au二 ；（5） Au三。,UESTC Nuo Liu,（1）Au+： Au0 e Au+,E,Eg,EC,EV,ED,UESTC Nuo Liu,(2)Au0,电中性态,UESTC Nuo Liu,（3） Au一： Au0 + e Au一,EA1,EC,EA,EV,UESTC Nuo Liu,（4） Au二：Au一 + e Au二,EC,EA2,EA1,EV,E=,E,UESTC Nuo Liu,（5） Au三： Au二 + e Au三,EC,E=,EA3,EA2,EA1,EV,UESTC Nuo L
11、iu,例2：Au（族）在Si中,ECEAED EV,Au在Si中既可作施主，又可作受主，称为两性杂质； 如果在Si中掺入Au的同时又掺入浅受主杂质，Au呈施主作用；反之，若同时掺入施主杂质，则Au呈受主作用。,EC,EV,EA,ED,UESTC Nuo Liu,7、等电子陷阱,（1）等电子杂质 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数例：GaP中掺入族的N或Bib、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。,UESTC Nuo Liu,（2）等电子陷阱,等电子杂质（如N）占据本征原子位置 （如GaAsP中的P位置）后，即,存在着由核心力引起的短程作用力，它们 可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负
12、 （正）离子，前者就是电子陷阱，后者就 是空穴陷阱。,N,NP,UESTC Nuo Liu,例：GaP：Bi BiP BiP e BiP+空穴陷阱,UESTC Nuo Liu,等 电 子 陷 阱 举 例,1、N在GaAsP中：NP2、C在Si中：CSi3、O在ZnTe中：其存在形式可以是（1）替位式（2）复合体，如Zn-O,UESTC Nuo Liu,8、束缚激子,例：GaP：N NP+e NP-（等电子陷阱） 之后 NP- +h NP- +h 束缚激子即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是束缚激子。,UESTC Nuo Liu,9、两性
13、杂质,举例：GaAs中掺Si（族） Ga：族 As：族,Si Ga,受主,SiAs,施主,两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在其中既可以作施主又可以作受主，这种杂质称为两性杂质。,两性杂质,UESTC Nuo Liu,2.2 缺 陷 能 级,KEY： 缺陷可以在禁带中引入孤立能级,UESTC Nuo Liu,1、 点 缺 陷：,空位自间隙原子反结构缺陷各种复合体位 错,UESTC Nuo Liu,（1）Si中的点缺陷： 以空位、间隙和复合体为主,A、空位：,V0+e,V-,受主,V0-e,V+,施主,UESTC Nuo Liu,ED1ED2？,Ec EAED1EV,ED2,UESTC Nuo
14、 Liu,B、 间隙 例1：Si：B空位,Ec EDEAEv,UESTC Nuo Liu,例2、复合体,“V”:Vacancy,即空位。 O-V复合体：EA=EC-0.17eV As-V复合体：EA=EC-0.4eV P-V复合体：EA=EC-0.47eV,UESTC Nuo Liu,（2）GaAs中的点缺陷,点 缺 陷分类：1、空位：VAs，VGa。2、 间隙：I As，IGa。3、 反结构缺陷： BA，AB。,UESTC Nuo Liu,A、 空 位,ECEA1（ VGa ）=EV+0.01eV EA2（ VAs ）=EV+0.18eVEV,UESTC Nuo Liu,B、反结构缺陷： AB 或 BA 特征：出现在化合物半导体中,例：GaAs中的反结构缺陷GaAs：受主AsGa：施主,UESTC Nuo Liu,2、位错能级（主要指线缺陷）,例：Si中的60O位错,UESTC Nuo Liu,Thank you！,UESTC Nuo Liu,利用半导体的杂质补偿效应，可以改变半导体的（ ）类型 A、漂移 B、热运动 C、迁移率 D、导电,
