半导体中杂质和缺陷能级

1 第二章 半导体中杂质和缺陷的能级 2 2.1.1 间隙式杂质和替位式杂质 2.1 Si、 Ge晶体中的杂质能级 实际半导体中并不是完美的一种原子的晶体结构。存在着一定数 目的缺陷和杂质。 即使微量的杂质，对半导体的导电能力会带来巨大的影响 -半 导体的特性。 杂质：与本体原子不同元素的原子。 只有替位杂质才能被激活。 正如一般电子为晶体原子所束缚的情况，电子也可以受杂质的束 缚，形成杂质能级。电子也具有确定的能级，这种杂质能级处于 禁带（带隙）之中，它们对实际半导体的性质起着决定性作用。 3 2.1.1 间隙式杂质和替位式杂质 半导体中间隙式杂质和替位式杂质 按照球形原子堆积模型，金刚石型晶体的一个原胞中的 8个 原子只占该晶胞体积的 34，还有 66是空隙。 A间隙式杂质原子：原子半径比较小 B替位式杂质原子：原子的大小与被 取代的晶体原子大小比较相近 杂质浓度：单位体积中的杂质原子数 4 2.1.2 施主杂质 施主能级 施主杂质 施主电离 束缚态 中性态 VA族杂质在硅、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。 释放电子的过程。 施主杂质未电离时电中性的状态 离化态 电离后成为正电中心。 施主杂质 电离能 ED 多余的一个价电子脱离施主杂质而成为 自由电子所需要的能量。 5 2.1.2 施主杂质 施主能级 6 施主能级 ED 被施主杂质束缚的多余的一个价电子状态对应的能量。 2.1.2 施主杂质 施主能级 7 2.1.3 受主杂质、受主能级 硼掺入硅中 , 硼只有三个价电子 ,与周围的四个硅原子成键时， 产生一个空穴。其它成键电子很容易来填补这个空穴。填补时， 空穴激发到价带（空穴电离，能量升高），同时硼原子成为负电 中心。这一过程很容易发生，意味着空穴电离能较小。 8 2.1.3 受主杂质、受主能级 等价表述 受主杂质 电离能 受主杂质 电离 硼原子看成是一个负电中心束缚着一个空穴 , 空穴很容易 电离到价带 , 同时在硼原子处成为一个负电中心。 空穴挣脱受主杂质束缚的过程。 使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的 能量。 P型半导体 如何计算、分析半导体中，杂质的能级。这里介绍一种最 简单的、实际上也是最重要的一类杂质能级 类氢杂质 能级。 在 Si、 Ge元素半导体和 族化合物半导体等最重要的 半导体材料中发现： 加入多一个价电子的元素，如在 Si 、 Ge中加入 P、 As、 Sb，或在 族化合物中加入 族元素， 这些掺入的杂质将成为施主 ； 加入少一个价电子的元素，如在 Si 、 Ge中加入 Al 、 Ga、 In，或在 族化合物中加入 族元素，这些掺入的杂 质将成为受主 ； 2.1.4、浅能级杂质电离能的简单计算 加入多一个价电子的替位式杂质原子，在 填满价带（饱和周围成键原子的共价键） 之外尚多余一个电子，同时，相比原来的 原子，杂质原子也多一个正电荷，多余的 正电荷正好束缚多余的电子，类似氢原子 的情形。 加入少一个价电子的替位式杂质原子，在 与近邻 4个原子形成共价键时，缺少了一 个电子，这样就使得此处的共价键中相比 原来缺少了一个电子。其它价键中的电子 很容易来填补这个空缺。这样一来，杂质 处多了一个负电荷，同时满带处取去了一 个电子，亦即多一个空穴。如同这个空穴 可以被杂质负电荷所束缚，并类似氢原子 的情形，只有正负电荷对调了，这样一个 束缚的空穴相当于一禁带中一个空的受主 能级。 11 2.1.4、浅能级杂质电离能的简单计算 222 0 2 4 8 nh mqE n )()(42 0 2 2 0 2 rErrqmh n 氢原子电子满足： 可以解出能量本征值： 基态氢原子的电离能 Ei: eVmqE 6.13 8 2202 4 1 a0称为波尔半径，值为： A mq a 52.04 2 0 2 0 2.1.4、浅能级杂质电离能的简单计算 半导体中点电荷库仑场，受到连续介质的屏蔽，库仑势减弱了 r， (半导体相对介电常数 ) 束缚电子或空穴的质量为有效质量 m*，由氢原子的结果得到 由于 m* NA DAD NNN n ND NA时 ,由于受主能级低 于施主能级 , 施主杂质的电子 首先跳到受主杂质的能级上， 此时还有 ND- NA个电子在施主能 级上。 在杂质全部电离时 ,它们跃 迁到导带成为导电电子 ,有 ND- NA个导带电子 ,半导体是 n型的。 能带角度的理解： 18 2.1.5 杂质的补偿作用 （ b） ND NA ADA NNN p ND NA时 ,由于受主能级低 于施主能级 , 施主杂质的电 子首先跳到受主杂质的能级 上 ,此时还有 NA- ND个空穴在 受主能级上。 在空穴全部电离时跃迁到 价带时 ,有 NA- ND个价带空穴 , 半导体是 p型的。 19 2.1.6 深能级杂质 浅能级杂质 通常情况下，半导体中些施主能级距离导带底较 近；或受主能能级距离价带顶较近。 深能级杂质 若杂质提供的施主能级距离导带底较远；或提供 的受主能能级距离价带顶较远。 许多深杂质能级是由于杂质的多次电离产生的 .每一次电离相 应地有一个能级，这些杂质在硅或锗的禁带中往往引入若干个能 级，而且有些杂质还可以引入施主能级，又能引入受主能级。如： Au在 Ge中产生四个深杂质能级 ,其中三个为受主能级，一个为施主 能级。 2.1.6 深能级杂质 深能级杂质的作用 1. ED， EA 较大，杂质电离作用较弱，对载流子（导电电 子和空穴）浓度影响较小； 2. 对载流子的复合作用较大（复合中心），降低非平衡载流 子的寿命。 2.2 III-V族化合物中的杂质能级 2.2.1 GaAs中的杂质 等电子杂质：是等价电子，与所取代的基体原子具有相同 价电子数的杂质。 GaP中参入 N或 Bi，分别在禁带中产生 Ec=-0.008eV， Ev= +0.038eV能级处。 N取代 P后，比 P有更强的获得电子的能力，常可吸引一个 导带中的电子变成带负电的离子。 Bi取代 P后，比 P有更强的获得电子的能力，常可吸引一个 价带中的空穴变成带正电的离子。 等电子杂质 (等电子陷阱） 2.2.1 GaAs中的杂质 24 2.3 缺陷和位错能级 晶体中存在缺陷和位错的地方，严格的周期势场也 会发生畸变，这些缺陷可以在半导体的禁带范围内引入 电子能态而成为禁带中的缺陷或位错能级，这些能级一 般也是深能级。 如：硅、锗中的空位引起不饱和的共价键存在，这 些键倾向于接受电子而表现为受主作用；间隙硅可以失 去未形成共价键的电子而表现出施主作用 。 2.3.1 点缺陷 2.3.1 点缺陷 2.3.2 位错 28 谢谢 Thanks Next： 第 3章 半导体中载流子的统计分布 Chapter 3 Statistical Distribution of Carrier