《最新半导体中的杂质和缺陷幻灯片.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新半导体中的杂质和缺陷幻灯片.ppt（52页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、理想半导体理想半导体：1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格、原子严格周期性排列，具有完整的晶格 结构。结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。、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、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带带和禁带电子能量只能处在允带中的电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。能级上，禁带中无能级。本征半导体本征半导体晶体具有完整的（完美的）晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流子。发提供载流子。施主电离能施主电离能ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中自
2、由运动的束缚成为晶格中自由运动的 电子（导带中的电子）所需电子（导带中的电子）所需要的能量要的能量ECED ED =ECED施主电离能施主电离能EV-束缚态束缚态离化态离化态+施主杂质的电离能小，施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。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含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子是电子N型半导体，或电子型半导体型半导体，或电子型半导体在在Si中掺入中掺入BB具有得到电子的性质，这类杂质称为具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质受主杂质。受主杂质向价带提供空穴。受主杂质向价带提供空穴。2. A族替位杂质族替位杂质受主杂质受主杂质B获
3、得一个电子变成获得一个电子变成负离子，成为负电中负离子，成为负电中心，周围产生带正电心，周围产生带正电的空穴。的空穴。BBEA受主浓度：受主浓度：NAVAAEEEEcEvEA(2)受主电离能和受主能级受主电离能和受主能级受主电离能受主电离能EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量空穴所需要的能量-束缚态束缚态离化态离化态+受主杂质的电离能小，在受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离常温下基本上为价带电离的电子所占据的电子所占据空穴由空穴由受主能级向价带激发。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含有受主杂质的半导体，其导电的载
4、流子主要是空穴是空穴P型半导体，或空穴型半导体型半导体，或空穴型半导体。施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如子。如Si中中掺掺的的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向，掺入半导体的杂质原子向半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如子。如Si中掺的中掺的B小结！小结！等电子杂质等电子杂质N型半导体型半导体特征：特征：a 施主杂质电离，导带中施主杂质电离，导带中出现施
5、主提供的导电电子出现施主提供的导电电子b 电子浓度电子浓度n 空穴浓度空穴浓度pP 型半导体型半导体特征：特征：a 受主杂质电离，价带中受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴出现受主提供的导电空穴b空穴浓度空穴浓度p 电子浓度电子浓度n ECEDEVEA-+-+EgN型和型和P型半导体都称为型半导体都称为极性半导体极性半导体P型半导体型半导体价带空穴数由受主决定，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，电导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电子为少子。子为少子。N型半导体型半导体导带电子数由施主决定，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
6、子为导电的载流子主要是电子。电子为多子多子，空，空穴为穴为少子少子。多子多子多数载流子多数载流子少子少子少数载流子少数载流子杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电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）称为向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发杂质电离或杂质激发。具。具有杂质激发的半导体称为有杂质激发的半导体称为杂质半导体杂质半导体 杂质激发杂质激发3. 杂质半导体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，这种激发称为电子，这种激发称为本征激发本征
7、激发。只有本征激发。只有本征激发的半导体称为的半导体称为本征半导体本征半导体。本征激发本征激发N型和型和P型半导体都是型半导体都是杂质半导体杂质半导体 施主向导带提供的载流子施主向导带提供的载流子=10161017/cm3 本征载流子浓度本征载流子浓度杂质半导体中杂质载流子浓度远高于杂质半导体中杂质载流子浓度远高于本征载流子浓度本征载流子浓度Si的原子浓度为的原子浓度为10221023/cm3掺入掺入P的浓度的浓度/Si原子的浓度原子的浓度=10-6例如：例如：Si 在室温下，本征载流子浓度为在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，上述杂质的特点：上述杂质的特点：施主杂质：施主杂质：受主杂
8、质：受主杂质：浅能级杂质浅能级杂质杂质的双重作用：杂质的双重作用：u 改变半导体的导电性改变半导体的导电性u 决定半导体的导电类型决定半导体的导电类型杂质能级在禁带中的位置杂质能级在禁带中的位置gDEEgAEE 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+-施主施主-+受主受主浅能级杂质浅能级杂质=杂质离子杂质离子+束缚电子（空穴）束缚电子（空穴）类氢模型类氢模型222oHohrnmq玻尔原子电子的运动玻尔原子电子的运动轨道半径轨道半径为：为：n=1为基态电子的运动轨迹为基态电子的运动轨迹42228onom qEh ne= -氢原子中的电子的电离能为氢原子中的电子的电离能为E0
9、=13.6eV玻尔能级：玻尔能级：玻尔原子模型玻尔原子模型类氢模型：类氢模型：计算束缚电子或空穴运动轨道计算束缚电子或空穴运动轨道半径及电离能半径及电离能22*2rohrnmq 运动轨道半径：运动轨道半径：4*4*022222221188orooroorm qm qmmEEhmhm 电离能：电离能：对于对于Si中的中的P原子，剩余电子的运动半径原子，剩余电子的运动半径约为约为24.4 ：Si: a=5.4剩余电子本质上是剩余电子本质上是在晶体中运动在晶体中运动SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiS
10、iSi4 .24126. 01222qmhroo12)(Sir*0.26eommSi：r=1.17施主能级靠近导带底部施主能级靠近导带底部100,16,122rrGerSi*000.26,0.12eSieGemmmm=对于对于Si、Ge掺掺PEcEvED*021eDormEEmeVESiD025. 0,eVEGeD064. 0,估算结果与实测值估算结果与实测值有相同的数量级有相同的数量级*021PAormEEm0.04 ASiEeV对于对于Si、Ge掺掺B0.01 AGeEeVEcEvEAEcED电离施主电离施主电离受主电离受主Ev5. 杂质的补偿作用杂质的补偿作用(1) NDNA半导体中同时
11、存在施主和受主杂质，施主和受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主之间有互相抵消的作用此时半导体为此时半导体为n型半导体型半导体 有效施主浓度有效施主浓度n=ND-NAEAEcEDEAEv电离施主电离施主电离受主电离受主(2) NDNA此时半导体为此时半导体为p型半导体型半导体 有效受主浓度有效受主浓度p=NA- ND(3) NDNA杂质的高度补偿杂质的高度补偿EcEDEAEv本征激发产生的导本征激发产生的导带电子带电子本征激发产生的价本征激发产生的价带空穴带空穴6. 深杂质能级深杂质能级根据杂质能级在禁带中根据杂质能级在禁带中的位置，杂质分为：的位置，杂质分为：浅能
12、级杂质浅能级杂质能级接近导带底能级接近导带底Ec或价带顶或价带顶Ev，电离能很小电离能很小深能级杂质深能级杂质能级远离导带能级远离导带底底Ec或价带顶或价带顶Ev，电离能较，电离能较大大ECEDEVEAEgECEAEVEDEggDEE gAEE 例：例：在在Ge中掺中掺Au 可产生可产生3个受主能级，个受主能级，1个施主能个施主能级级Au的电子组态是：的电子组态是：5s25p65d106s1AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-多次电离，每一次电离相应地有一个能级既多次电离，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能引入施主能级又能引入受主能级1. Au失去一
13、个电子失去一个电子施主施主AuEcEvEDED=Ev+0.04 eVEcEvEDEA1Au2. Au获得一个电子获得一个电子受主受主EA1= Ev + 0.15eV3.Au获得第二个电子获得第二个电子EcEvEDEA1Au2EA2= Ec - 0.2eVEA24.Au获得第三个电子获得第三个电子EcEvEDEA1EA3= Ec - 0.04eVEA2EA3Au3深能级杂质特点深能级杂质特点：n不容易电离，对载流不容易电离，对载流子浓度影响不大；子浓度影响不大；n一般会产生多重能级，一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级甚至既产生施主能级也产生受主能级。也产生受主能级。n能起到复合中心作用，能起
14、到复合中心作用，使少数载流子寿命降使少数载流子寿命降低。低。EcEvEDEAAu doped Silicon0.35eV0. 54eV1.12eV2-2 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级 族化合物半导体中的杂质族化合物半导体中的杂质理想的理想的GaAs晶格晶格价键结构：价键结构：含有离子键成分的含有离子键成分的共价键结构共价键结构Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs施主杂质施主杂质替代替代族元素族元素受主杂质受主杂质替代替代III族元素族元素两性杂质两性杂质III、族元素族元素等电子杂质等电子杂质同族原子取代同族原子取代等电子杂质等电子杂质 等电子杂质等电子杂质是与基质晶体
15、原子具有同数量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，价电子的杂质原子替代了同族原子后，基本仍是电中性的。但是由于基本仍是电中性的。但是由于共价半径共价半径和和电负性电负性不同，它们能俘获某种载流子而成不同，它们能俘获某种载流子而成为带电中心。带电中心称为为带电中心。带电中心称为等电子陷阱等电子陷阱。例如，例如，N取代取代GaP中的中的P而成为负电中心而成为负电中心电子陷阱电子陷阱空穴陷阱空穴陷阱点缺陷：空位、间隙原子点缺陷：空位、间隙原子线缺陷：位错线缺陷：位错面缺陷：层错、晶界面缺陷：层错、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的类型、缺陷的类型2-3 缺陷能
16、级缺陷能级2.元素半导体中的缺陷元素半导体中的缺陷(1) 空位空位SiSiSiSiSiSiSiSi原子的空位起原子的空位起受主受主作用。作用。(2) 填隙填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙原子缺陷起间隙原子缺陷起施主施主作用作用 AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs反结构缺陷反结构缺陷GaAs受主受主 AsGa施主施主3. GaAs晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷空位空位VGa、VAs VGa受主受主 VAs 施主施主间隙原子间隙原子GaI、AsI GaI施主施主 AsI受主受主e4.族化合物半导体的缺陷族化合物半导体的缺陷族化合物半导体族化合物半导体离子
17、键结构离子键结构负离子负离子正离子正离子+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-a.负离子空位负离子空位产生正电中心，起施主作用产生正电中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-电负性小电负性小b.正离子填隙正离子填隙产生正电中心，起施主作用产生正电中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+产生负电中心，起受主作用产生负电中心，起受主作用c.正离子空位正离子空位+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-电
18、负性大产生负电中心，起受主作用产生负电中心，起受主作用d.负离子填隙负离子填隙+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-负离子空位负离子空位产生正电中心，起施主作用产生正电中心，起施主作用正离子填隙正离子填隙正离子空位正离子空位负离子填隙负离子填隙产生负电中心，起受主作用产生负电中心，起受主作用第二章第二章 思考题与自测题：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？级分别位于价带之上或导带之下，而且电离能的数值较小
19、？ 纯锗、硅中掺入纯锗、硅中掺入族或族或族元素后，为什么使半导体电性能族元素后，为什么使半导体电性能有很大的改变？杂质半导体（有很大的改变？杂质半导体（p型或型或n型）应用很广，但为什么我型）应用很广，但为什么我们很强调对半导体材料的提纯？们很强调对半导体材料的提纯？ 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？料中（例如锗和硅），杂质的电离能和轨道半径又是否都相同？
20、何谓深能级杂质？它们电离以后有何特点？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？级？ 说明掺杂对半导体导电性能的影响。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？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？实际应用？第二章 习题1. P62 习题习题 2 4 72. 设计一个实验：首先将一块本征半导体设计一个实验：首先将一块本征半导体变成变成N型半导体，然后再设法使它变成型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。型半导体。52 结束语结束语