第二章半导体中杂质和缺陷能级课件

n n2.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n2.2 2.2-族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级n n2.3 2.3 氮化镓的杂质能级氮化镓的杂质能级n n2.4 2.4 缺陷和位错的能级缺陷和位错的能级第二章半导体中的杂质和缺陷能级第二章半导体中的杂质和缺陷能级2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级2.1.1 2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质n nSiSi和和GeGe都具有金钢石结构，一个原胞含有都具有金钢石结构，一个原胞含有8 8个原子。个原子。n n原胞内原胞内8 8个原子的体积与立方原胞体积之比为个原子的体积与立方原胞体积之比为34%34%，原胞内存在原胞内存在66%66%的空隙。的空隙。金钢石晶体结构中的四面体间隙位置金钢石晶体结构中的六角形间隙位置n n杂质原子进入半导体硅后，只杂质原子进入半导体硅后，只杂质原子进入半导体硅后，只杂质原子进入半导体硅后，只可能以两种方式存在。可能以两种方式存在。可能以两种方式存在。可能以两种方式存在。n n一种方式是杂质原子位于晶格一种方式是杂质原子位于晶格一种方式是杂质原子位于晶格一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为原子间的间隙位置，常称为原子间的间隙位置，常称为原子间的间隙位置，常称为间隙间隙间隙间隙式杂质式杂质式杂质式杂质；间隙式杂质原子一般较；间隙式杂质原子一般较；间隙式杂质原子一般较；间隙式杂质原子一般较小，如离子锂（小，如离子锂（小，如离子锂（小，如离子锂（LiLi+）。）。）。）。n n另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位替位替位替位式杂质式杂质式杂质式杂质。替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层结构也相似。结构也相似。结构也相似。结构也相似。n n 用单位体积中的杂质原子数，也就是用单位体积中的杂质原子数，也就是用单位体积中的杂质原子数，也就是用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度杂质浓度杂质浓度杂质浓度来定量描述杂质含量多来定量描述杂质含量多来定量描述杂质含量多来定量描述杂质含量多少，杂质浓度的单位为少，杂质浓度的单位为少，杂质浓度的单位为少，杂质浓度的单位为1/cm1/cm3 3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi 施施 主主 掺掺 杂杂（掺磷（掺磷）2.1.2 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级SiP+SiSiSiSiSiSiSi-磷替代硅，其效果是磷替代硅，其效果是磷替代硅，其效果是磷替代硅，其效果是形成一个正电中心形成一个正电中心形成一个正电中心形成一个正电中心P+P+和一个多余的价电子。和一个多余的价电子。和一个多余的价电子。和一个多余的价电子。这个多余的价电子就这个多余的价电子就这个多余的价电子就这个多余的价电子就束缚在正电中心束缚在正电中心束缚在正电中心束缚在正电中心P+P+的的的的周围（弱束缚）。周围（弱束缚）。周围（弱束缚）。周围（弱束缚）。+4+4+5+4多余多余价电子价电子磷原子磷原子n n族元素有族元素有5 5个价电子，其中的四个价电子与周围个价电子，其中的四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个电子，同的四个硅原子形成共价键，还剩余一个电子，同时时族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心，所以，一个子中心，所以，一个族原子取代一个硅原子，族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。n n 电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离。为杂质电离。n n 多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱 很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导电的自由电子，而电的自由电子，而族原子形成一个不能移动的族原子形成一个不能移动的正电中心。正电中心。硅、锗中的硅、锗中的族杂质，能够释放电子而产生导电族杂质，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质或电子并形成正电中心，称为施主杂质或N N型杂质，型杂质，掺有掺有N N型杂质的半导体叫型杂质的半导体叫N N型半导体。施主杂质未型半导体。施主杂质未电离时是中性的，电离后成为正电中心。电离时是中性的，电离后成为正电中心。带有分立的施主能级的带有分立的施主能级的能带图能带图施主能级电离能带图施主能级电离能带图n n被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级E ED D。n n施主能级位于离导带低很近的禁带中施主能级位于离导带低很近的禁带中n n杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级是一些具有相同能量的孤立能级。是一些具有相同能量的孤立能级。n n表表2-1 2-1 硅、锗晶体中硅、锗晶体中族杂质的电离能族杂质的电离能(eV)(eV)n n2.1.3 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级 受受 主主 掺掺 杂杂（掺硼）（掺硼）SiB-SiSiSiSiSiSiSi+硼原子接受一个电子后，硼原子接受一个电子后，硼原子接受一个电子后，硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子，成为带负电的硼离子，成为带负电的硼离子，成为带负电的硼离子，称为负电中心（称为负电中心（称为负电中心（称为负电中心（B B-）。带负电的硼离子和带正带负电的硼离子和带正带负电的硼离子和带正带负电的硼离子和带正电的空穴间有静电引力电的空穴间有静电引力电的空穴间有静电引力电的空穴间有静电引力作用，这个空穴受到硼作用，这个空穴受到硼作用，这个空穴受到硼作用，这个空穴受到硼离子的束缚，在硼离子离子的束缚，在硼离子离子的束缚，在硼离子离子的束缚，在硼离子附近运动。附近运动。附近运动。附近运动。空穴空穴B-+4+4+3+4族元素占据了硅原子的位置：族元素占据了硅原子的位置：族元素占据了硅原子的位置：族元素占据了硅原子的位置：族元素有族元素有族元素有族元素有3 3个价电子，它与周围个价电子，它与周围个价电子，它与周围个价电子，它与周围的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴，而键中产生了一个空穴，而键中产生了一个空穴，而键中产生了一个空穴，而族原子接受一个电子后所在处形成一个族原子接受一个电子后所在处形成一个族原子接受一个电子后所在处形成一个族原子接受一个电子后所在处形成一个负离子中心，所以，一个负离子中心，所以，一个负离子中心，所以，一个负离子中心，所以，一个族原子取代一个硅原子，其效果是形成族原子取代一个硅原子，其效果是形成族原子取代一个硅原子，其效果是形成族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个负电中心和一个空穴一个负电中心和一个空穴一个负电中心和一个空穴一个负电中心和一个空穴n n空穴束缚在空穴束缚在族原子附近族原子附近，但这种束缚很弱，但这种束缚很弱n n 很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运动很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运动的导电空穴，而的导电空穴，而族原子形成一个不能移动的负电中心。族原子形成一个不能移动的负电中心。n n 硅、锗中的硅、锗中的族杂质，能够接受电子而在价带中产生空穴，族杂质，能够接受电子而在价带中产生空穴，并形成负电中心的杂质，称为受主杂质或并形成负电中心的杂质，称为受主杂质或P P型杂质，掺有型杂质，掺有P P 型杂质的半导体叫型杂质的半导体叫P P型半导体。受主杂质未电离时是中性型半导体。受主杂质未电离时是中性的，电离后成为负电中心。的，电离后成为负电中心。受主能级电离能带图受主能级电离能带图带有分立的受主能级的带有分立的受主能级的能带图能带图被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA。施主能级位于离价带顶很近的禁带中杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的受主能级是一些具有相同能量的孤立能级。表2-2 硅、锗晶体中III族杂质的电离能(eV)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导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如提供导电的电子，并成为带正电的离子。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半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B 总结总结总结n n2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算采用类氢原子模型估算施主和受主杂质的电离能采用类氢原子模型估算施主和受主杂质的电离能氢原子中电子的能量：氢原子中电子的能量：n=1时,基态电子能量n=时，氢原子电离E=0氢原子的电离能n n晶体内杂质原子束缚的电子：晶体内杂质原子束缚的电子：m0mn*,mp*;0 r0 施主杂质的电离能施主杂质的电离能：Si:Ge:Ge:受主杂质的电离能受主杂质的电离能n n氢原子半径：氢原子半径：n n施主杂质半径：施主杂质半径：基态下（n=1），氢原子的轨道半径：作业：第二章习题7第二章习题8两题都加上第三小问 请画出杂质能级的能带图n n2.1.5 杂质的补偿作用n n当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是是n n型还是型还是p p型呢？型呢？n n在半导体中，若同时存在着在半导体中，若同时存在着在半导体中，若同时存在着在半导体中，若同时存在着施主施主施主施主和和和和受主受主受主受主杂质，施杂质，施杂质，施杂质，施受主杂质之间有受主杂质之间有受主杂质之间有受主杂质之间有互相抵消互相抵消互相抵消互相抵消的作用，通常称为的作用，通常称为的作用，通常称为的作用，通常称为杂质杂质杂质杂质的补偿作用的补偿作用的补偿作用的补偿作用。NDNANANDNAND1 1、当、当 N ND DNNA A因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为n=ND-NA。即则有效施主浓度为NAeff ND-NAECEVEDEA2、当当NAND 施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有受主能级上还有NA-ND个空穴，它们可接受价个空穴，它们可接受价带上的带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓个电子，在价带中形成的空穴浓度度p=NA-ND.即有效受主浓度为即有效受主浓度为NAeff NA-NDECEVEDEA3、当NAND时，不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿.这种材料容易被误认高纯半导体，实际上含杂质很多，性能很差，不能用采制造半导体器件.杂质补偿作用杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础是制造各种半导体器件的基础 如能根据需要用扩散或离子注人方法来改变半导如能根据需要用扩散或离子注人方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件体中某一区域的导电类型，以制成各种器件.晶体管制造过程中的杂质补偿晶体管制造过程中的杂质补偿n型型Si外延层外延层PN硼磷NNn n2.1.6 深能级杂质 在半导体硅、锗中，除在半导体硅、锗中，除、族杂质在禁带中形族杂质在禁带中形成浅能级外，其它各族元素掺入硅、锗中也会在成浅能级外，其它各族元素掺入硅、锗中也会在禁带中产生能级禁带中产生能级n n特点：特点：1 1、施主杂质能级距离导带底较远，受主杂质能级距离、施主杂质能级距离导带底较远，受主杂质能级距离价带顶较远，这种能级称为深能级，相应的杂质称价带顶较远，这种能级称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。为深能级杂质。2 2、深能级杂质能够产生多次电离，每次电离对应有一、深能级杂质能够产生多次电离，每次电离对应有一个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。主能级。金在锗中产生的能级金在锗中产生的能级金在锗中产生4个能级，ED是施主能级，EA1、EA2和EA3是受主能级。中性金原子只有一个价电子，它取代锗原子后，金的这一价电子可以电离跃迁到导带，形成施主能级ED。它也可以从价带接受3个电子，形成三个受主能级。金有5种荷电状态，Au+,Au0,Au-,Au-,Au-ECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在锗中的能级金在锗中的能级2.2-族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级n n1 1、族元素为受主杂质族元素为受主杂质族元素为受主杂质族元素为受主杂质 铍、镁、锌、镉取代铍、镁、锌、镉取代族原子而处族原子而处于晶格格点上，引入浅受主能级于晶格格点上，引入浅受主能级晶体晶体杂质杂质铍铍镁镁锌锌镉镉GaAsGaAs0.0300.030 0.0300.030 0.0240.024 0.0210.021GaPGaP0.0560.056 0.0540.054 0.0640.064 0.0090.009GaAs、GaP晶体中受主杂质的电离能晶体中受主杂质的电离能2.2-族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级GaAs电子浓度和硅杂质浓度的关系电子浓度和硅杂质浓度的关系2 2、族杂质在族杂质在-族化合物中族化合物中是两性掺杂剂是两性掺杂剂 族元素取代族元素取代族原子则起施族原子则起施主作用；主作用；族元素取代族元素取代族原子则起受族原子则起受主作用。主作用。导带中电子浓度随硅杂质浓度的增加而增加，当硅杂质浓导带中电子浓度随硅杂质浓度的增加而增加，当硅杂质浓度增加到一定程度时趋于饱和。硅先取代度增加到一定程度时趋于饱和。硅先取代GaGa原子起施主作原子起施主作用，随着硅浓度的增加，硅取代用，随着硅浓度的增加，硅取代AsAs原子起受主作用。原子起受主作用。2.2-族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级n n3、族元素取代族元素取代族原子，引入施主能级族原子，引入施主能级 族元素氧、硫、硒、碲比族元素氧、硫、硒、碲比族元素多一个价族元素多一个价电子而且容易失去，所以表现为施主杂质。电子而且容易失去，所以表现为施主杂质。晶体晶体杂质杂质硫硫硒硒碲碲GaAsGaAs0.0060.0060.0060.0060.030.03GaPGaP0.1040.1040.1020.1020.08950.0895GaAs、GaP晶体中受主杂质的电离能晶体中受主杂质的电离能（eV)2.2-族化合物半导体的杂质能级族化合物半导体的杂质能级n n4 4、掺过渡族元素，制备高电阻率的半绝缘、掺过渡族元素，制备高电阻率的半绝缘GaAsGaAsn n5 5、族的族的B B、Al Al 取代取代Ga,Ga,族的族的P P，锑取代，锑取代AsAs既既 不是施主也不是受主杂质。不是施主也不是受主杂质。6 6、掺、掺族元素族元素 ，一般起受主作用。，一般起受主作用。2.3 氮化镓的杂质能级氮化镓的杂质能级n n目前常用硅作为GaN的n型掺杂，用镁，锌作为GaN的p型掺杂。n n硅作为施主的电离能：0.0120.02eVn n镁作为受主的电离能：0.140.21eV2.4 缺陷、位错能级缺陷、位错能级n n2.4.1 2.4.1 点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷 间隙原子缺陷：间隙原子缺陷：间隙原子缺陷：间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位只有间隙原子而无原子空位只有间隙原子而无原子空位只有间隙原子而无原子空位 肖特基缺陷：肖特基缺陷：肖特基缺陷：肖特基缺陷：晶体内形成空位而无间隙原子。晶体内形成空位而无间隙原子。晶体内形成空位而无间隙原子。晶体内形成空位而无间隙原子。弗仓克耳缺陷：弗仓克耳缺陷：弗仓克耳缺陷：弗仓克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。间隙原子和空位成对出现。间隙原子和空位成对出现。间隙原子和空位成对出现。硅、锗材料中空位表现为受主；硅、锗材料中空位表现为受主；硅、锗材料中空位表现为受主；硅、锗材料中空位表现为受主；间隙原子表现为施主间隙原子表现为施主间隙原子表现为施主间隙原子表现为施主 2.4 缺陷、位错能级缺陷、位错能级 化合物半导体中，利用成分偏离正常的化学比的现化合物半导体中，利用成分偏离正常的化学比的现化合物半导体中，利用成分偏离正常的化学比的现化合物半导体中，利用成分偏离正常的化学比的现象来控制材料的导电类型象来控制材料的导电类型象来控制材料的导电类型象来控制材料的导电类型 化合物中的替位原子，如化合物中的替位原子，如化合物中的替位原子，如化合物中的替位原子，如GaGa取代取代取代取代AsAs的位置起受主作用；的位置起受主作用；的位置起受主作用；的位置起受主作用；AsAs取代取代取代取代GaGa的位置起施的位置起施的位置起施的位置起施主作用，这种点缺陷称为反结构缺陷主作用，这种点缺陷称为反结构缺陷主作用，这种点缺陷称为反结构缺陷主作用，这种点缺陷称为反结构缺陷2.4 缺陷、位错能级缺陷、位错能级n n2.4.2 2.4.2 位错位错 线位错（在一条线附近原子的排列偏离了严格的周期性）线位错（在一条线附近原子的排列偏离了严格的周期性）面位错（在一个面附近原子的排列偏离了严格的周期性）面位错（在一个面附近原子的排列偏离了严格的周期性）根据实验测得：根据实验测得：SiSi中位错能级在价带顶上面中位错能级在价带顶上面0.030.09eV0.030.09eV处处 GeGe中的位错能级在导带底下面中的位错能级在导带底下面0.20.35eV0.20.35eV处处 都属于都属于深受主能级深受主能级 当位错密度较高时，由于它和杂质之间的补偿作用，能当位错密度较高时，由于它和杂质之间的补偿作用，能使浅施主杂质的使浅施主杂质的n n型型SiSi、GeGe中的电子浓度降低，而对中的电子浓度降低，而对p p型型SiSi、GeGe却没有这种影响。却没有这种影响。本章小结本章小结一一 重要术语解释重要术语解释1 1掺杂掺杂掺杂掺杂 2.2.本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体3.3.非本征半导体非本征半导体非本征半导体非本征半导体 4.4.补偿型半导体补偿型半导体补偿型半导体补偿型半导体5.5.多数载流子多数载流子多数载流子多数载流子 6.6.少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子7.n7.n型半导体型半导体型半导体型半导体 8.p8.p型半导体型半导体型半导体型半导体9.9.施主杂质，施主能级，施主杂质电离能施主杂质，施主能级，施主杂质电离能施主杂质，施主能级，施主杂质电离能施主杂质，施主能级，施主杂质电离能 10.10.受主杂质，受主能级，受主杂质电离能受主杂质，受主能级，受主杂质电离能受主杂质，受主能级，受主杂质电离能受主杂质，受主能级，受主杂质电离能n n掺杂：通过在半导体材料中掺入杂质以改变半导掺杂：通过在半导体材料中掺入杂质以改变半导体材料的载流子浓度的方法。体材料的载流子浓度的方法。n n本征半导体：没有掺杂的半导体，其内部的电子本征半导体：没有掺杂的半导体，其内部的电子和空穴成对出现，叫做本征半导体。和空穴成对出现，叫做本征半导体。n n非正征半导体：半导体材料内部由于杂质或缺陷，非正征半导体：半导体材料内部由于杂质或缺陷，使得电子或空穴任意一方增加，这样的半导体叫使得电子或空穴任意一方增加，这样的半导体叫做掺杂半导体。做掺杂半导体。p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力Learning Is Not Over.I Hope You Will Continue To Work Hard演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日