高二物理竞赛半导体中杂质和缺陷能级课件.pptx

重点和难点重点和难点替位式杂质和间隙式杂质；替位式杂质和间隙式杂质；施主杂质、施主能级、施主杂质、施主能级、n型半导体；型半导体；受主杂质、受主能级、受主杂质、受主能级、p型半导体；型半导体；施主杂质和受主杂质的电离能施主杂质和受主杂质的电离能;杂质的补偿作用；杂质的补偿作用；浅能级杂质和深能级杂质浅能级杂质和深能级杂质缺陷、位错能级缺陷、位错能级第二章第二章 半导体中的杂质和缺陷能级半导体中的杂质和缺陷能级本征半导体本征半导体晶体具有完整的（完美的）晶格结构，晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。无任何杂质和缺陷。晶格原子是振动的晶格原子是振动的 声子声子材料含杂质材料含杂质 半导体的掺杂半导体的掺杂晶格中存在缺陷晶格中存在缺陷点缺陷（空位、间隙原子）点缺陷（空位、间隙原子）线缺陷（位错）线缺陷（位错）面缺陷（层错）面缺陷（层错）实际与理想情况的偏离实际与理想情况的偏离1、半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级1.半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级杂质的存在形态杂质的存在形态施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级杂质的补偿作用杂质的补偿作用深能级杂质深能级杂质2.2.缺陷、位错能级缺陷、位错能级杂质杂质：与组成半导体材料元素不同的其它化学元素。与组成半导体材料元素不同的其它化学元素。如硅中如硅中掺磷、掺硼掺磷、掺硼等等掺杂后的半导体称为掺杂后的半导体称为杂质半导体杂质半导体。掺杂后就会使半导掺杂后就会使半导体的体的导电性能导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。某种载流子浓度大大增加。杂质来源：杂质来源： a a 有意掺入有意掺入 b b 污染污染杂质和缺陷的影响极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响，物理性质和化学性质产生决定性的影响，同时也严重影响半导体器件的质量同时也严重影响半导体器件的质量。1个个B原子原子/ 个个Si原子原子 在室温下电导率提高在室温下电导率提高 倍倍Si单晶位错密度要求低于单晶位错密度要求低于5103103210 cm微量杂质和缺陷微量杂质和缺陷对物理及化学性质对物理及化学性质产生决定性影响产生决定性影响破坏周期性势场破坏周期性势场禁带中引入能级禁带中引入能级杂质导致杂质导致附加势附加势引起引起周期势微扰示意图周期势微扰示意图ECEV杂质能级杂质能级杂质的存在方式和缺陷类型杂质的存在方式和缺陷类型杂质存在方式杂质存在方式根据根据杂质原子和晶格原子大小、价电子壳层结构杂质原子和晶格原子大小、价电子壳层结构分类分类间隙式杂质间隙式杂质：位于格点间的间隙位置：位于格点间的间隙位置替位式杂质替位式杂质：取代了晶格原子位于格点处：取代了晶格原子位于格点处硅中的杂质硅中的杂质eg： B、P 替位式替位式Si替位式杂质原子的大小和价电子壳层替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。结构要求与被取代的晶格原子相近。间隙式杂质间隙式杂质例：如图所示为一晶格常数为例：如图所示为一晶格常数为a的的Si晶胞，求：晶胞，求： （a）Si原子半径原子半径 （b）晶胞中所有）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比原子占据晶胞的百分比解：（解：（a）1 13(3 )2 48raa（b）3348330.3416ra间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质原子一般比较小，如间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（材料中的离子锂（0.068nm）。）。间隙式杂质、替位式杂质间隙式杂质、替位式杂质单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度杂质将在半导体能带中引入新的杂质将在半导体能带中引入新的能级能级禁带中的能级将对半导体的性质带来较大禁带中的能级将对半导体的性质带来较大影响影响杂质的存在，有利有弊杂质的存在，有利有弊一般情况下，半导体中的杂质比较少，一般情况下，半导体中的杂质比较少，因此杂质原子间的相互作用可忽略。因此杂质原子间的相互作用可忽略。(1)(1)施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级 （donerdoner）以以Si中掺中掺P为例：为例：P取代取代Si正电中心正电中心P+和一个多余的价电子（束缚作用较弱）和一个多余的价电子（束缚作用较弱）硅中的施主杂质硅中的施主杂质施主能级和施主电离示意图施主能级和施主电离示意图为不能移动的正电中心自由运动成为导电电子在晶格中能量PDE过程施主电离施主电离施主杂质施主杂质：（：（n型杂质）施放电子而产生导电电子并形成正电中心型杂质）施放电子而产生导电电子并形成正电中心n型半导体型半导体：主要依靠导带电子导电的半导体：主要依靠导带电子导电的半导体杂质电离能杂质电离能施主电离施主电离施主能级施主能级P取代取代Si正电中心正电中心P+和一个多余的价电子（和一个多余的价电子（束缚作用较弱束缚作用较弱）施主能级的电离施主能级的电离族元素掺杂杂质在族元素掺杂杂质在Si、Ge晶体中为施主杂质，施主晶体中为施主杂质，施主能级比导带底低能级比导带底低 ，由于，由于 ，故称为，故称为浅能级浅能级。DEDgEE这类半导体的载流子为电子，故称这类半导体的载流子为电子，故称N型半型半导体导体。掺杂也称为。掺杂也称为N型掺杂型掺杂。中性态中性态离化态离化态(2)(2)受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级 (acceptor)(acceptor)以以Si中掺中掺B为例：为例：B取代取代Si负电中心负电中心B-和一个带正电的空穴（束缚作用较弱）和一个带正电的空穴（束缚作用较弱）为不能移动的负电中心自由运动成为导电空穴在晶格中能量BAE过程受主电离受主电离受主杂质受主杂质：（：（p型杂质）接受电子而产生导电空穴并形成负电中心型杂质）接受电子而产生导电空穴并形成负电中心p型半导体型半导体：主要依靠价带空穴导电的半导体：主要依靠价带空穴导电的半导体硅中的受主杂质硅中的受主杂质受主能级和受主电离示意图受主能级和受主电离示意图杂质电离能杂质电离能受主电离受主电离受主能级受主能级B取代取代Si负电中心负电中心B-和一个带正电的空穴（束缚作用较弱）和一个带正电的空穴（束缚作用较弱）受主能级的电离受主能级的电离族元素掺杂杂质在族元素掺杂杂质在Si、Ge晶体中为受主杂质，受晶体中为受主杂质，受主能级比价带顶高主能级比价带顶高 ，由于，由于 ，故为，故为浅能级浅能级。AgEE这类半导体的载流子为空穴，故称这类半导体的载流子为空穴，故称P型半型半导体导体。掺杂也称为。掺杂也称为P型掺杂型掺杂。中性态中性态离化态离化态AE