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1、第二章半导体第1页，本讲稿共70页杂质和缺陷杂质和缺陷原子的周期性势场受到破坏原子的周期性势场受到破坏在禁带中引入能级在禁带中引入能级决定半导体的物理和化学性质决定半导体的物理和化学性质第2页，本讲稿共70页杂质：杂质：半导体中存在的与本体元素不同的半导体中存在的与本体元素不同的 其它元素。其它元素。第3页，本讲稿共70页缺陷缺陷点缺陷，如空位、间隙原子等线缺陷，如位错等面缺陷，如层错、晶粒间界等第4页，本讲稿共70页第5页，本讲稿共70页第6页，本讲稿共70页SiP Li第7页，本讲稿共70页杂质出现在半导体中时，产生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的附加势场使严格的周期
2、性势场遭到破坏。场遭到破坏。第8页，本讲稿共70页杂质能级位于禁带之中杂质能级位于禁带之中EcEvl l杂质能级杂质能级 第9页，本讲稿共70页第10页，本讲稿共70页第11页，本讲稿共70页B A第12页，本讲稿共70页正电中心正电中心第13页，本讲稿共70页第14页，本讲稿共70页第15页，本讲稿共70页 SiP对于对于Si中的中的P原子，原子，剩余电子的运动剩余电子的运动半径：半径：r 65 Si的晶格常数为的晶格常数为 5.4对于Ge中的P原子，r 85 第16页，本讲稿共70页P原原子子中中这这个个多多余余的的电电子子的的运运动动半半径径远远远远大大于于其其余余四四个个电电子子，所所
3、受受到到的的束束缚缚最小，极易摆脱束缚成为自由电子。最小，极易摆脱束缚成为自由电子。施主杂质施主杂质:束缚在杂质能级上的电子被激发到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为正电中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。施主杂质具有提供电子的能力。施主杂质具有提供电子的能力。第17页，本讲稿共70页导带电子导带电子电离施主电离施主 P+第18页，本讲稿共70页对氢原子对氢原子氢原子中电子的能量氢原子中电子的能量第19页，本讲稿共70页第20页，本讲稿共70页设设 施主杂质能级为施主杂质能级为ED施主杂质的电离能施主杂质的电离能ED：即弱束缚的电子即弱束缚的电子摆脱束缚成为晶格中自由运动的电子（导带摆脱
4、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。中的电子）所需要的能量。施主的电离能施主的电离能第21页，本讲稿共70页施 主 电 离 能：ED=EC-ED E ED D=E=EC C-E-ED DECEDEgEV第22页，本讲稿共70页第23页，本讲稿共70页对于Si、Ge掺PEcEv施主能级靠近导带底部施主能级靠近导带底部ED第24页，本讲稿共70页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。第25页，本讲稿共70页价带价带导带导带第26页，本讲稿共70页（1）在）在 Si 中掺入中掺入 B2.元素半导体中元素半导体中A族替位杂质的能级族替位杂
5、质的能级B 获得一个电子获得一个电子变成负离子，成变成负离子，成为为负电中心负电中心，周，周围产生带正电的围产生带正电的空穴。空穴。BB第27页，本讲稿共70页受主杂质：受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为负电中心（负离子）。这种杂质称为受主杂质。受主杂质具有得到电子的性质，受主杂质具有得到电子的性质，向价带提供空穴。向价带提供空穴。第28页，本讲稿共70页价带空穴 电离受主 B第29页，本讲稿共70页电离的结果：电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意义掺受主的意义所在。受主能级受主能级受主能级受主能级 E EA A第30页，本讲稿共70页
6、EcEvEA受主能级靠近价带顶部受主能级靠近价带顶部(2)受主电离能和受主能级受主电离能和受主能级第31页，本讲稿共70页Si、Ge中 族杂质的电离能EA（eV）晶体 杂 质 B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011第32页，本讲稿共70页受主能级受主能级EA受主杂质的电离能受主杂质的电离能小，在常温下基本小，在常温下基本上为价带电离的电上为价带电离的电子所占据（空穴由子所占据（空穴由受主能级向价带激受主能级向价带激发）。发）。第33页，本讲稿共70页杂质电离或杂质激发：杂质电离或杂质激发：杂杂质质向向导导带带和
7、和价价带带提提供供电电子子和和空空穴穴的的过过程程（电电子子从从施施主主能能级级向向导导带带的的跃跃迁迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）。或空穴从受主能级向价带的跃迁）。本征激发：本征激发：电子从价带直接向导带激发，成为电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为导带的自由电子，这种激发称为。只有本征激发的半导体称为只有本征激发的半导体称为本征半导体本征半导体。所需要的能量称为所需要的能量称为杂质的电离能杂质的电离能。第34页，本讲稿共70页第35页，本讲稿共70页 掺掺施施主主的的半半导导体体的的导导带带电电子子数数主主要要由由施施主主决决定定，半半导导体体导导电电的的载载流流子
8、子主主要要是是电电子子（电电子子数数空空穴穴数数），对对应应的的半半导体称为导体称为N型半导体型半导体。称称电电子子为为多多数数载载流流子子，简简称称多多子子，空空穴穴为少数载流子为少数载流子，简称，简称少子少子。第36页，本讲稿共70页 掺掺受受主主的的半半导导体体的的价价带带空空穴穴数数由由受受主主决决定定，半半导导体体导导电电的的载载流流子子主主要要是是空空穴穴（空空穴穴数数电电子子数数），对应的半导体称为对应的半导体称为P型半导体型半导体。空穴为多子，电子为少子。空穴为多子，电子为少子。第37页，本讲稿共70页EcED电离施主电离受主Ev3.杂质的补偿作用杂质的补偿作用(1)NDNA半
9、导体中同时存在施主和受主杂质，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施主和受主之间有互相抵消的作用此时为此时为n型半导体型半导体 n=ND-NAEA第38页，本讲稿共70页EcEDEAEv电离施主电离受主(2)NDNA此时为此时为p型半导体型半导体 p=NA-ND第39页，本讲稿共70页(3)NDNA杂质的高度补偿杂质的高度补偿EcEcEvEvE EA AE ED D不能向导带和价不能向导带和价带提供电子和空穴带提供电子和空穴第40页，本讲稿共70页第41页，本讲稿共70页(2)间隙间隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙原子缺陷起施主作用间隙原子缺陷起施主作用
10、 第42页，本讲稿共70页1.族化合物半导体中的杂质和缺陷族化合物半导体中的杂质和缺陷三、三、化合物半导体中的杂质和缺陷化合物半导体中的杂质和缺陷 第43页，本讲稿共70页施主杂质施主杂质 族族元元素素(Se、S、Te)在在 GaAs 中中通通常常都替代都替代族元素族元素As原子的晶格位置。原子的晶格位置。族族杂杂质质在在GaAs中中一一般般起起施施主主作作用用，为为浅施主杂质浅施主杂质。第44页，本讲稿共70页受主杂质受主杂质 族族 元元 素素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在在GaAs中中通通常常都都取取代代族族元元素素 Ga 原子的晶格位置。原子的晶格位置。族族元元素素杂杂质质在在 Ga
11、As 中中通通常常起起受受主作用，均为主作用，均为浅受主杂质浅受主杂质。第45页，本讲稿共70页中性杂质中性杂质 族族元元素素（B、Al、In）和和族族元元素素（P、Sb）在在 GaAs 中中通通常常分分别别替替代代 Ga 和和 As，由由于于杂杂质质在在晶晶格格位位置置上上并并不不改改变变原原有有的的价价电电子子数数，因因此此既既不不给给出出电电子子也也不不俘俘获获电电子子而而呈呈电电中中性性，对对 GaAs 的的电电学学性性质质没没有有明显影响。明显影响。在禁带中不引入能级在禁带中不引入能级第46页，本讲稿共70页 两性杂质两性杂质 族族元元素素杂杂质质（Si、Ge、Sn、Pb）在在GaA
12、s 中中的的作作用用比比较较复复杂杂，可可以以取取代代族族的的 Ga，也也可可以以取取代代族族的的 As，甚甚至至可可以以同时取代两者。同时取代两者。族族杂杂质质不不仅仅可可以以起起施施主主作作用用和和受受主主作作用用，还可以起还可以起中性杂质中性杂质作用。作用。第47页，本讲稿共70页在掺在掺 Si 浓度小于浓度小于 11018 cm-3 时，时，Si 全部全部取代取代 Ga 位而起施主作用，这时掺位而起施主作用，这时掺 Si 浓度浓度和电子浓度一致；和电子浓度一致；而在掺而在掺 Si 浓度大于浓度大于 1018 cm-3 时，部分时，部分 Si 原子开始取代原子开始取代 As 位，出现补偿
13、作用，使电位，出现补偿作用，使电子浓度逐渐偏低。子浓度逐渐偏低。例如：例如：第48页，本讲稿共70页（2）GaAs 晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷当当 T 0 K 时：时：空位空位 VGa、VAs 间隙原子间隙原子 GaI、AsI 反结构缺陷反结构缺陷 Ga原子占据原子占据 As 空位，或空位，或 As 原子占据原子占据 Ga 空空 位，位，记为记为 GaAs和和 AsGa。第49页，本讲稿共70页化化合合物物晶晶体体中中的的各各类类点点缺缺陷陷可可以以电电离离，释释放放出出电电子子或或空空穴穴，从从而而影影响响材材料料的的电学性质。电学性质。第50页，本讲稿共70页 实际晶体中，由于各种缺陷形
14、成时所需要实际晶体中，由于各种缺陷形成时所需要的能量不同，他们浓度会有很大差别。的能量不同，他们浓度会有很大差别。GaAs 曾认为曾认为VAs、VGa是比较重要的。是比较重要的。最近发现，主要缺陷是最近发现，主要缺陷是VAs、AsI。VGa、VAs、AsI 是是起起施施主主还还是是起起受受主主作作用用，尚有分歧。尚有分歧。较较多多的的人人则则采采用用 VAs、AsI 为为施施主主、VGa 是受主的观点来解释各种实验结果。是受主的观点来解释各种实验结果。第51页，本讲稿共70页第52页，本讲稿共70页第53页，本讲稿共70页（2）-族化合物半导体中的缺陷族化合物半导体中的缺陷主主要要是是离离子子
15、键键起起作作用用，正正负负离离子子相相间间排排列列组组成成了了非非常常稳稳定定的的结结构构，所所以以外外界界杂杂质对它们性能的影响不显著。质对它们性能的影响不显著。其其导导电电类类型型主主要要是是由由它它们们自自身身结结构构的的缺缺陷陷（间间隙隙离离子子或或空空格格点点）所所决决定定，这这类类缺陷在半导体中常起施主或受主作用。缺陷在半导体中常起施主或受主作用。第54页，本讲稿共70页第55页，本讲稿共70页a.负离负离子空位子空位产产生生正正电电中中心，心，起起施施主主作作用用电负性小第56页，本讲稿共70页b.正离子正离子填隙填隙产产生生正正电电中中心，心，起起施施主主作作用用第57页，本讲
16、稿共70页c.正离正离子空位子空位产产生生负负电电中中心，心，起起受受主主作作用用电负性大第58页，本讲稿共70页d.负离负离子填隙子填隙产产生生负负电电中中心，心，起起受受主主作作用用第59页，本讲稿共70页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60页，本讲稿共70页第61页，本讲稿共70页EcEvED第62页，本讲稿共70页EcEvEDEA1第63页，本讲稿共70页EcEvEDEA1EA2EA3第64页，本讲稿共70页第65页，本讲稿共70页 深能级一
17、般作为复合中心深能级一般作为复合中心 对载流子和导电类型影响较小对载流子和导电类型影响较小深能级瞬态谱仪测量杂质的深能级深能级瞬态谱仪测量杂质的深能级自学：自学：等电子陷阱等电子陷阱 束缚激子束缚激子 位错位错第66页，本讲稿共70页第二章第二章 小结小结第67页，本讲稿共70页第68页，本讲稿共70页第69页，本讲稿共70页VI族（族（Se,S,Te）施主杂质）施主杂质II族（族（Zn,Be,Mg,Hg）受主）受主III族（族（B,Al,In）中性杂质）中性杂质IV族（族（Si,Ge,Sn,Pb）两性杂质）两性杂质缺陷缺陷AsGa施主施主GaAs受主受主VAs、VGa均为受主均为受主AsI施主施主第70页，本讲稿共70页