半导体中杂质和缺陷能级PPT课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.1,替位式杂质 间隙式杂质,Si,和,Ge,都具有金钢石结构，一个原胞含有,8,个原子。,原胞内,8,个原子的体积与立方原胞体积之比为,34%,，原胞内存在,66%,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,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,杂质原子进入半导体硅后，只可能以两种方式存在。,一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为,间隙式杂质,；间隙式杂质原子一般较小，如离子锂（Li,+,）。,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结构也相似。,用单位体积中的杂质原子数，也就是,杂质浓度,来定量描述杂质含量多少，杂质浓度的单位为1/cm,3,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,P,Si,Si,Si,Si,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,施 主 掺 杂,（掺磷,）,2.1.2 施主杂质、施主能级,Si,P,+,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,-,磷替代硅，其效果是形成一个正电中心,P+,和一个多余的价电子。这个多余的价电子就束缚在正电中心,P+,的周围（弱束缚）。,+4,+4,+5,+4,多余,价电子,磷原子,族元素有,5,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，同时,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,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。,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。,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.2,施主杂质、施主能级,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，成为在晶格中导电的自由电子，而,族原子形成一个不能移动的正电中心。,硅、锗中的,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,N,型杂质，掺有,N,型杂质的半导体叫,N,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。,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,带有分立的施主能级的能带图,施主能级电离能带图,被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级,E,D,。,施主能级位于离导带低很近的禁带中,杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级是一些具有相同能量的孤立能级。,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,表2-1 硅、锗晶体中族杂质的电离能(eV),2.1.3,受主杂质 受主能级,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,受,主 掺 杂,（掺硼）,Si,B,-,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,+,硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子，称为负电中心（B,-,）。带负电的硼离子和带正电的空穴间有静电引力作用，这个空穴受到硼离子的束缚，在硼离子附近运动。,空穴,B,-,+4,+4,+3,+4,族元素占据了硅原子的位置：族元素有3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，其效果是形成一个负电中心和一个空穴,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,受主杂质、受主能级,空穴束缚在,族原子附近,，但这种束缚很弱,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,族原子形成一个不能移动的负电中心。,硅、锗中的,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,P,型杂质，掺有,P,型杂质的半导体叫,P,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。,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,受主能级电离能带图,带有分立的受主能级的能带图,被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级,E,A,。,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。,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,表2-2 硅、锗晶体中III族杂质的电离能(eV),施主和受主浓度：N,D,、N,A,施主：,Donor，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,Si,中,掺,的,P,和,As,受主：,Acceptor，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,Si,中掺的,B,总结,总结,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.4,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,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,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,晶体内杂质原子束缚的电子：,m,0,m,n,*,m,p,*,;,0,r,0,施主杂质的电离能,：,Si:,Ge:,受主杂质的电离能,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,氢原子半径：,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,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.5,杂质的补偿作用,当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是,n,型还是,p,型呢？,在半导体中，若同时存在着,施主,和,受主,杂质，施受主杂质之间有,互相抵消,的作用，通常称为,杂质的补偿作用,。,N,D,N,A,N,A,N,D,N,A,N,D,1,、当,N,D,N,A,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,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N,A,个受主能级上，还有N,D,-N,A,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=N,D,-N,A,。即则有效施主浓度为N,Aeff,N,D,-N,A,E,C,E,V,E,D,E,A,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2,、当N,A,N,D,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N,A,-N,D,个空穴，它们可接受价带上的N,A,-N,D,个电子，在价带中形成的空穴浓度p=N,A,-N,D,.即有效受主浓度为N,Aeff,N,A,-N,D,E,C,E,V,E,D,E,A,3、当N,A,N,D,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.,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,杂质补偿作用,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,n型Si外延层,P,N,硼,磷,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,N,N,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.6,深能级杂质,在半导体硅、锗中，除,、,族杂质在禁带中形成浅能级外，其它各族元素掺入硅、锗中也会在禁带中产生能级,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,特点：,1,、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，相应的杂质称为深能级杂质。,2,、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，又能引入受主能级。,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,金在锗中产生的能级,金在锗中产生4个能级，E,D,是施主能级，E,A1,、E,A2,和E,A3,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E,D,。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,+,Au,0,Au,-,Au,-,Au,-,E,C,E,V,E,D,E,A1,E,i,E,A2,E,A3,0.04,0.20,0.15,0.04,金在锗中的能级,2.2-,族化合物半导体的杂质能级,1,、,族元素为受主杂质,铍、镁、锌、镉取代,族原子而处于晶格格点上，引入浅受主能级,GaAs、GaP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,GaAs电子浓度和硅杂质浓度的关系,2、族杂质在-族化合物中是两性掺杂剂,族元素取代族原子则起施主作用；,族元素取代族原子则起受主作用。,导带中电子浓度随硅杂质浓度的增加而增加，当硅杂质浓度增加到一定程度时趋于饱和。硅先取代Ga原子起施主作用，随着硅浓度的增加，硅取代As原子起受主作用。,2.2-,族化合物半导体的杂质能级,3,、,族元素取代,族原子，引入施主能级,族元素氧、硫、硒、碲比,族元素多一个价电子而且容易失去，所以表现为施主杂质。,GaAs、GaP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,4,、掺过渡族元素，制备高电阻率的半绝缘,GaAs,5,、,族的,B,、,Al,取代,Ga,族的,P,，锑取代,As,既,不是施主也不是受主杂质。,6,、掺,族元素，一般起受主作用。,2.3,氮化镓的杂质能级,目前常用硅作为GaN的n型掺杂，用镁，锌作为GaN的p型掺杂。,硅作为施主的电离能：0.0120.02eV,镁作为受主的电离能：0.140.21eV,2.3,缺陷、位错能级,2.3.1,点缺陷,间隙原子缺陷：,只有间隙原子而无原子空位,肖特基缺陷：,晶体内形成空位而无间隙原子。,弗仓克耳缺陷：,间隙原子和空位成对出现。,硅、锗材料中空位表现为受主；,间隙原子表现为施主,2.3 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象来控制材料的导电类型 化合物中的替位原子，如Ga取代As的位置起受主作用；As取代Ga的位置起施主作用，这种点缺陷称为反结构缺陷,2.3,缺陷、位错能级,2.3.2,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）,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：,Si,中位错能级在价带顶上面,0.030.09eV,处,Ge,中的位错能级在导带底下面,0.20.35eV,处,都属于,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，能使浅施主杂质的,n,型,Si,、,Ge,中的电子浓度降低，而对,p,型,Si,、,Ge,却没有这种影响。,本章小结,一 重要术语解释,1,掺杂,2.,本征半导体,3.,非本征半导体,4.,补偿型半导体,5.,多数载流子,6.,少数载流子,7.n,型半导体,8.p,型半导体,9.,施主杂质，施主能级，施主杂质电离能,10.,受主杂质，受主能级，受主杂质电离能,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。,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。,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，这样的半导体叫做掺杂半导体。,二 知识点,学完本章后，应具备如下的能力：,1,使用价键模型，画出施主和受主杂质图 像，说明施主杂质和受主杂质的电离过程,2.,使用能带模型解释施主杂质和受主杂质的 作用,本章小结,三 复习题,1.,举例说明杂质的补偿作用,本章小结,