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1、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。第1页/共81页实际半导体u 实际半导体中原子并不是静止在具有严格周期性的晶格位置上，而是在其平衡位置附近振动；u 实际半导体并不是纯净的，而是含有杂质的；u 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种形式的缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺陷；杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半导体的性质产生了决定性的作用第2页/共81页主要内容
2、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 第3页/共81页2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级1 1、杂质与杂质能级、杂质与杂质能级杂质：杂质：半导体中存在的与本体元素不同半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。的其它元素。杂质的来源：有意掺入无意掺入根据杂质在能级中的位置不同：替位式是杂质间隙式杂质第4页/共81页在金刚石型晶体中，晶胞中原子的体积百分数为34%，说明还有66%是空隙。Si
3、中的杂质有两种存在方式，a：间隙式杂质 特点：杂质原子一般较小，锂元素b：替位式杂质 特点：杂质原子的大小与被替代的晶格原子大小可以相比，价电子壳层结构比较相近，和族元素在Si，Ge中都是替位式以硅为例说明单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度第5页/共81页B: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=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nmA:间隙式杂质位于间隙位置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLi第6页/共81页N型半导体P型半导体复合中心陷阱杂质分类浅能级杂质深能级杂质第7页/共81页杂质能级位于禁带中Eg浅能级第8页/共81页施
4、主杂质施主能级Ei受主杂质 受主能级EcEv浅能级第9页/共81页(1)VA族的替位杂质施主杂质在硅Si中掺入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si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2、元素半导体的杂质第10页/共81页 （a）电离态 （b）中性施主态 第11页/共81页过程：1.形成共价键后存在正电中心P+；2.多余的一个电子挣脱束缚，在晶格中自由动；杂质电离3.P+成为不能移动的正电中心；杂质电离，杂质电离能，施主杂质（n型杂质），施主能级第12页/共81页电离的离的结果：果：导带中的中的电子数增加了，子数增加了，这即是即是掺施主的意施主的意义
5、所在所在。1.施主处于束缚态，2.施主电离 3施主电离后处于离化态能带图中施主杂质电离的过程第13页/共81页电离时，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第14页/共81页施主电离能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ECED ED=ECED施主电离能EV-束缚态离化态+第15页/共81页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
6、是电子N型半导体，或电子型半导体晶晶体体杂质杂质PAsSbSi0.044 0.049 0.039Ge 0.01260.01270.0096第16页/共81页定义：施主杂质V族元素在硅、锗中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。施主电离施主杂质释放电子的过程。施主能级被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能量为ED。n型半导体依靠导带电子导电的半导体。第17页/共81页3、受主能级：举例：Si中掺硼B第18页/共81页 在Si单晶中，族受主替位杂质两种电荷状态的价键（a）电离态 （b）中性受主态 第19页/共81页价价价价带带空穴空穴空穴空穴
7、 电电离受主离受主离受主离受主 B B-2、受主能级：举例：Si中掺硼B过程：1.形成共价键时，从Si 原子中夺取一个电子，Si 的共价键中产生一个空穴；2.当空穴挣脱硼离子的束缚，形成固定不动的负电中心B-受主电离，受主电离能，受主杂质（p型杂质），受主能级第20页/共81页电离的离的结果：果：价价带中的空穴数增加了，中的空穴数增加了，这即即是是掺受主的意受主的意义所在所在1.受主处于束缚态，2，受主电离 3，受主电离后处于离化态能带图中受主杂质电离的过程第21页/共81页在Si中掺入BB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。B获得一个电子变成负离子，成为负电中心
8、，周围产生带正电的空穴。BBEA受主浓度：NA第22页/共81页EcEvEA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+第23页/共81页受主杂质的电离能小，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。晶晶体体杂质杂质BAlGaSi0.045 0.057 0.065Ge0.010.010.011第24页/共81页定义：受主杂质III族元素在硅、锗中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。受主电离受主杂质释放空穴
9、的过程。受主能级被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量为EAp型半导体依靠价带空穴导电的半导体。第25页/共81页施主和受主浓度：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！第26页/共81页等电子杂质第27页/共81页N
10、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pP 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 ECEDEVEA-+-+EgN型和P型半导体都称为极性半导体第28页/共81页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第29页/共81页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
11、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 第30页/共81页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，第31页/共81页上述杂质的特点：施主杂质：受主杂质：浅能级杂质杂质的双重作用：u 改变半导体的导电性u 决定半导体的导电类型杂质能级在禁带中的位
12、置第32页/共81页4.浅能级杂质电离能的简单计算+-施主-+受主浅能级杂质=杂质离子+束缚电子（空穴）类氢模型第33页/共81页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玻尔能级：玻尔原子模型第34页/共81页类氢模型氢原子中电子能量n=1,2,3，为主量子数，当n=1和无穷时第35页/共81页氢原子基态电子的电离能考虑到正、负电荷处于介电常数=0 0r r的介质中，且处于晶格形成的周期性势场中运动，所以电子的惯性质量要用有效质量代替第36页/共81页类氢模型：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：第37页/共81页施主杂质电离能受主杂质电离能第38页/共
13、81页对于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SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi：r=1.17第39页/共81页施主能级靠近导带底部对于Si、Ge掺PEcEvED估算结果与实测值有相同的数量级第40页/共81页对于Si、Ge掺BEcEvEA第41页/共81页EcED电离施主电离受主Ev5.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-NAE
14、A第42页/共81页EcEDEAEv电离施主电离受主(2)NDNA时 n=ND-NA ND，半导体是n型的当NDNA时 p=NA-ND NA，半导体是p型的当NDNA时补偿半导体有效杂质浓度补偿后半导体中的净杂质浓度。第45页/共81页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ECEDEVEAEgECEAEVEDEg第46页/共81页第47页/共81页深能级杂质非III、V族元素（52页图2-8/9）特点多为替位式杂质硅、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，
15、称为深能级杂质。深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。第48页/共81页例1：Au（族）在Ge中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。第49页/共81页在Ge中掺Au 可产生3个受主能级，1个施主能级AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-第50页/共81页1.Au失去一个电子施主AuEcEvEDED=Ev+0.04 eV第51页/共81页EcEvEDEA1Au2.Au获得一个电子受主EA1=Ev+0.15eV第52页/共81页3.Au获得第二个电子EcEvE
16、DEA1Au2EA2=Ec-0.2eVEA2第53页/共81页4.Au获得第三个电子EcEvEDEA1EA3=Ec-0.04eVEA2EA3Au3第54页/共81页深能级杂质特点：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。EcEvEDEAAu doped Silicon0.35eV0.54eV1.12eV0.29eV第55页/共81页0.35第56页/共81页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-AsGaGaAsGaAs+GaAs
17、第57页/共81页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第58页/共81页等电子杂质 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第59页/共81页束束缚激子激子 等等电子陷阱俘子陷阱俘获一种符号的一种符号的载流子流子后，又因后，又因带电中心的中心的库仑作用又俘作用又俘获另一种另一种带电符号的符号的载流子，形成束流子，形成束缚激子。激子。第60页/共81页两性杂
18、质举例：GaAs中掺Si（族）Ga：族 As：族 Si Ga 施主 两性杂质 SiAs 受主两性杂质：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。第61页/共81页2.32.3氮化镓、氮化铝、碳化硅中的杂质能级第62页/共81页点缺陷：空位、间隙原子线缺陷：位错面缺陷：层错、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的类型2-4 缺陷能级第63页/共81页2.元素半导体中的缺陷(1)空位SiSiSiSiSiSiSiSi原子的空位起受主作用。第64页/共81页(2)填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙原子缺陷起施主作用 第65页/共81页A
19、sGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs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第66页/共81页4.族化合物半导体的缺陷族化合物半导体离子键结构负离子正离子+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-第67页/共81页a.负离子空位产生正电中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-电负性小第68页/共81页b.正离子填隙产生正电中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
20、-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+第69页/共81页产生负电中心，起受主作用c.正离子空位+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-电负性大第70页/共81页产生负电中心，起受主作用d.负离子填隙+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-第71页/共81页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，起受主作用第72页/共81页第二章 半导体中的杂质和缺陷能级1.什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？2.什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特
21、征？试举例说明之，并用能带图表征出n型半导体。3.什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出p型半导体。4.掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响。5.两性杂质和其它杂质有何异同？6.深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？7.何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？第73页/共81页1、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离受主）的离子，并同时向导带提供电子或向价带提供空穴。2、解：半导体中掺入施主杂质后，施主电离后将成为带正电离子，并同时向导带提供电
22、子，这种杂质就叫施主。施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离。施主电离前不带电，电离后带正电。例如，在Si中掺P，P为族元素。本征半导体Si为族元素，P掺入Si中后，P的最外层电子有四个与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而P的第五个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自由电子。这个过程就是施主电离。第74页/共81页3、解：半导体中掺入受主杂质后，受主电离后将成为带负电的离子，并同时向价带提供空穴，这种杂质就叫受主。受主电离成为带负电的离子（中心）的过程就叫受主电离。受主电离前带不带电，电离后带负电。例如，在Si中掺B，B为族元素，而本征半导体Si为族元素，P掺入B
23、中后，B的最外层三个电子与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而B倾向于接受一个由价带热激发的电子。这个过程就是受主电离。第75页/共81页4、解：在纯净的半导体中掺入杂质后，可以控制半导体的导电特性。掺杂半导体又分为n型半导体和p型半导体。例如，在常温情况下，本征Si中的电子浓度和空穴浓度均为1.5x1010cm-3。当在Si中掺入1.0 x1016cm-3 的P后，半导体中的电子浓度将变为1.0 x1016cm-3，而空穴浓度将近似为2.25x104cm-3。半导体中的多数载流子是电子，而少数载流子是空穴。5、解：两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的杂质。如-族GaAs中掺族Si
24、如果Si替位族As，则Si为施主；如果Si替位族Ga，则Si为受主。所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。6、解：深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用。浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用。7、当半导体中既有施主又有受主时，施主和受主将先互相抵消，剩余的杂质最后电离，这就是杂质补偿。利用杂质补偿效应，可以根据需要改变半导体中某个区域的导电类型，制造各种器件。第76页/共81页第77页/共81页第78页/共81页第79页/共81页第二章 习题1.P64 习题 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。第80页/共81页感谢您的观看。第81页/共81页