半导体中的杂质和缺陷.ppt

1、实际半导体晶格偏离理想情况,杂质缺陷原子在平衡位置附近振动,杂质和缺陷,原子的周期性势场受到破坏,在禁带中引入能级,决定半导体的物理和化学性质,杂质：半导体中存在的与本体元素不同的 其它元素。,Si,P ,Li,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场遭到破坏。,杂质能级位于禁带之中,Ec,Ev,杂质能级,B,A,正电中心,对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径：r 65 ,Si的晶格常数为 5.4,对于Ge中的P原子，r 85 ,P原子中这个多余的电子的运动半径远远大于其余四个电子，所受到的束缚最小，极易摆脱束缚成为自由电子。,施主杂质:,束缚在杂质能级上的电子被激发到导带Ec

2、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。,导带电子,电离施主 P+,对氢原子,氢原子中电子的能量,设 施主杂质能级为ED,施主杂质的电离能ED：即弱束缚的电子摆脱束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量。,施主的电离能,施 主 电 离 能：ED=EC-ED,ED=EC-ED,EC,ED,Eg,EV,对于Si、Ge掺P,Ec,Ev,施主能级靠近导带底部,ED,施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。,价带,导带,（1）在 Si 中掺入 B,2.元素半导体中A族替位杂质的能级,B 获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周

3、围产生带正电的空穴。,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，向价带提供空穴。,电离的结果：价带中的空穴数增加了， 这即是掺受主的意义所在。,受主能级 EA,受主能级靠近价带顶部,(2)受主电离能和受主能级,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,受主能级EA,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）。,

4、杂质电离或杂质激发： 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）。,本征激发： 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。,只有本征激发的半导体称为本征半导体。,所需要的能量称为杂质的电离能。,掺施主的半导体的导带电子数主要由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子（电子数空穴数），对应的半导体称为N型半导体。称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。,掺受主的半导体的价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴（空穴数电子数），对应的半导体称为P型半导体。空穴为多子，电子为少子。,Ec,ED,电离施主,

5、电离受主,Ev,3. 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,此时为n型半导体,n=ND-NA,EA,Ec,ED,EA,Ev,电离施主,电离受主,(2) NDNA,此时为p型半导体,p=NA- ND,(3) NDNA,杂质的高度补偿,Ec,Ev,EA,ED,不能向导带和价带提供电子和空穴,(2) 间隙,Si,间隙原子缺陷起施主作用,1. 族化合物半导体中的杂质和缺陷,三、 化合物半导体中的杂质和缺陷,施主杂质,族元素(Se、S、Te) 在 GaAs 中通常都替代族元素As原子的晶格位置。族杂质在GaAs中一般起施主作用，为浅施主杂质。,

6、受主杂质,族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代族元素 Ga 原子的晶格位置。族元素杂质在 GaAs 中通常起受主作用，均为浅受主杂质。,中性杂质, 族元素（B、Al、In）和族元素（P、Sb）在 GaAs 中通常分别替代 Ga 和 As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数，因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性，对 GaAs 的电学性质没有明显影响。,在禁带中不引入能级, 两性杂质,族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs 中的作用比较复杂，可以取代族的 Ga，也可以取代族的 As，甚至可以同时取代两者。族杂质不仅可以起施主作用和受主作用，还可以起中性杂质

7、作用。,在掺 Si 浓度小于 11018 cm-3 时，Si 全部取代 Ga 位而起施主作用，这时掺 Si 浓度和电子浓度一致；而在掺 Si 浓度大于 1018 cm-3 时，部分 Si 原子开始取代 As 位，出现补偿作用，使电子浓度逐渐偏低。,例如：,（2）GaAs 晶体中的点缺陷,当 T 0 K 时：, 空位 VGa、VAs, 间隙原子 GaI、AsI, 反结构缺陷 Ga原子占据 As 空位，或 As 原子占据 Ga 空 位，记为 GaAs和 AsGa。,化合物晶体中的各类点缺陷可以电离，释放出电子或空穴，从而影响材料的电学性质。,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

8、会有很大差别。,GaAs,曾认为VAs、VGa是比较重要的。最近发现，主要缺陷是VAs、AsI。,VGa、VAs、AsI 是起施主还是起受主作用，尚有分歧。较多的人则采用 VAs、AsI 为施主、VGa 是受主的观点来解释各种实验结果。,（2）- 族化合物半导体中的缺陷,主要是离子键起作用，正负离子相间排列组成了非常稳定的结构，所以外界杂质对它们性能的影响不显著。其导电类型主要是由它们自身结构的缺陷（间隙离子或空格点）所决定，这类缺陷在半导体中常起施主或受主作用。,a.负离子空位,产生正电中心，起施主作用,电负性小,b.正离子填隙,产生正电中心，起施主作用,c.正离子空位,产生负电中心，起受主

9、作用,电负性大,d.负离子填隙,产生负电中心，起受主作用,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,Ec,Ev,ED,Ec,Ev,ED,EA1,Ec,Ev,ED,EA1,EA2,EA3,深能级一般作为复合中心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,自学：,等电子陷阱束缚激子位错,第二章 小结,VI族（Se, S, Te）施主杂质II族（Zn, Be, Mg, Hg）受主III族（B, Al, In）中性杂质IV族（Si, Ge, Sn, Pb）两性杂质,缺陷,AsGa施主GaAs受主,VGa受主VAs、AsI施主,1

10、、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？8、弗仑克耳缺陷 9、简述类氢模型估计浅能级杂质电离能的方法。,第二章 习题 半导体中的杂质和缺陷能级,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

11、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。n型半导体的能带图如图所示：其施主能级位于禁带上方,3、解：半导体中掺入受主杂质后，受主电

12、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。 p型半导体的能带图如图所示：其受主能级位于禁带下方,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1.51010cm-3。当在Si中掺入1.

13、01016cm-3 后，半导体中的电子浓度将变为1.01016cm-3，而空穴浓度将近似为2.25104cm-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。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、解：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

14、域的导电类型，制造各种器件。,1、原子进入材料体内有很多情况，常见的有两种，它们是 杂质和 杂质；通常小的杂质原子容易形成 杂质，而具有与本体材料类似电子结构的杂质原子容易形成 杂质。2、施主杂质电离后向 带释放 ，在材料中形成局域的 电中心；受主杂质电离后 带释放 ，在材料中形成 电中心。3、III族元素和V族元素掺入半导体Si、Ge中后，其产生的施主能级ED距 很近，而产生的受主能级距 很近，这样的杂质能级称为 。施主电离能ED的数值远低于禁带宽度Eg是因为 远弱于 。施主杂质和受主杂质之间的相互抵消作用称为 ，若出现施主浓度近似等于受主浓度的现象，则称为杂质的 ，这时不能向导带（或价带）提供有效的 。,