半导体中的杂质和缺陷.ppt

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1、半导体中的杂质和缺陷现在学习的是第1页，共49页理想半导体理想半导体：1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格、原子严格周期性排列，具有完整的晶格 结构，无缺陷。结构，无缺陷。2、晶体中无杂质。、晶体中无杂质。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。级。本征半导体本征半导体由由本征激发本征激发提供载流子提供载流子现在学习的是第2页，共49页实际半导体实际半导体：1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的

2、量子态杂质或缺陷周围引起局部性的量子态2、对应的能级常常处在禁带中，对半导体、对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。的性质起着决定性的影响。杂质半导体杂质半导体主要由主要由杂质电离杂质电离提供载流子提供载流子现在学习的是第3页，共49页主要内容主要内容 1. 浅能级杂质能级和杂质电离；浅能级杂质能级和杂质电离； 2. 浅能级杂质电离能的计算；浅能级杂质电离能的计算； 3. 杂质补偿作用杂质补偿作用 4. 深能级杂质的特点和作用深能级杂质的特点和作用 1、等电子杂质；、等电子杂质； 2、族元素起两性杂质作用族元素起两性杂质作用2-1 单质半导体中的杂质能级单质半导体中的杂质能

3、级2-3 缺陷能级缺陷能级2-2 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级点缺陷对半导体性能的影响点缺陷对半导体性能的影响 现在学习的是第4页，共49页2-1 单质半导体中的杂质能级单质半导体中的杂质能级一、杂质存在的方式一、杂质存在的方式金刚石结构金刚石结构Si中，一个中，一个晶胞内的原子占晶体晶胞内的原子占晶体原胞的原胞的34%，空隙占，空隙占66%。杂质杂质与本体元素不同的其他元素与本体元素不同的其他元素现在学习的是第5页，共49页(2) 替位式替位式杂质占据格点杂质占据格点位置。大小接近、电子位置。大小接近、电子壳层结构相近壳层结构相近Si：r=0.117nmB：r=0.089

4、nmP：r=0.11nm(1) 间隙式间隙式杂质位于间隙位杂质位于间隙位置。置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLi现在学习的是第6页，共49页1. VA族的替位杂质族的替位杂质在硅在硅Si中掺入中掺入PSiSiSiSiSiSiSiSiSi磷原子替代硅原子后磷原子替代硅原子后，形成一个正电中心，形成一个正电中心P和一个多余的价电和一个多余的价电子子未电离未电离电离后电离后二、单质半导体的杂质电离二、单质半导体的杂质电离SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP+SiSiSiSiSiSiSiSi现在学习的是第7页，共49页施主电离能施主电离能ED=弱束缚的电子摆

5、脱杂质原子束缚成为晶格弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量 ED =ECEDECEV束缚态束缚态电离时，电离时，P原子能够原子能够提供导电提供导电电子电子并形成正电中心并形成正电中心。被施主杂质束缚的电子的能量比导带底被施主杂质束缚的电子的能量比导带底Ec低，称为低，称为，ED。施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的孤立能级孤立能级+-离化态离化态ED施主杂质向导带提供电子施主杂质向导带提供电子现在学习的是第8页，共49页施主

6、杂质的电离能小，在常施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。温下基本上电离。含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子N型半导体，或电子型半导体型半导体，或电子型半导体晶晶体体杂质杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.0126 0.0127 0.0096现在学习的是第9页，共49页在在Si中掺入中掺入B2. A族替位杂质族替位杂质受主杂质受主杂质B获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。围产生带正电的空穴。现在学习的是第10页，共49页VAAEEEEcEvEA受主电离

7、能受主电离能EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量空穴所需要的能量束缚态束缚态离化态离化态+-B具有具有得到电子得到电子的性的性质，这类杂质称为质，这类杂质称为受受主杂质主杂质。受主杂质向价带提供受主杂质向价带提供空穴空穴。现在学习的是第11页，共49页受主杂质的电离能小，在常温下基本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上为价带电离的电子所占据空穴空穴由受主能级向价带激发。由受主能级向价带激发。含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴穴P型半导体，或空穴型半导体型半导体，或空穴型半导

8、体。晶晶体体杂质杂质BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011现在学习的是第12页，共49页施主和受主浓度：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提供导电的电子，并成为带正电的离子。如，并成为带正电的离子。如Si中中掺的掺的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体，掺入半导体的杂质原子向半导体提供导电的空穴提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如，并成为带负电的离子。如Si中中掺的掺的B小结！小结！现在学习的是第13页，共49页等电子杂质等电子杂

9、质现在学习的是第14页，共49页杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能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）称为级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）称为杂杂质电离或杂质激发质电离或杂质激发。具有杂质激发的半导体称为。具有杂质激发的半导体称为杂质半导体杂质半导体 杂质半导体杂质半导体3. 杂质半导体杂质半导体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，这种激发称为为本征激发本征激发。只有本征激发的半导体称为。只有本征激发的半导体称为本征半导体本征半导体。电子空穴电

10、子空穴成对产生成对产生本征半导体本征半导体杂质的作用：杂质的作用：n 改变半导体的导电性改变半导体的导电性n 决定半导体的导电类型决定半导体的导电类型现在学习的是第15页，共49页N型半导体型半导体特征：特征：a 施主杂质电离，导带中出现施施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子主提供的导电电子b 电子浓度电子浓度n 空穴浓度空穴浓度pP 型半导体型半导体特征：特征：a 受主杂质电离，价带中出现受主提受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴供的导电空穴b空穴浓度空穴浓度p 电子浓度电子浓度n ECEDEVEA-+-+N型和型和P型半导体都称为型半导体都称为极性半导体极性半导体多子多子多数载

11、流子多数载流子少子少子少数载流子少数载流子c 导带电子数由施主数量决定导带电子数由施主数量决定c 价带空穴数由受主数量决定价带空穴数由受主数量决定EVEC现在学习的是第16页，共49页施主向导带提供的载流子施主向导带提供的载流子=51013/cm3 本征载流子浓度本征载流子浓度杂质半导体中杂质载流子浓度远高于本征杂质半导体中杂质载流子浓度远高于本征载流子浓度载流子浓度Si的原子浓度为的原子浓度为51022/cm31 bpm 浓度掺杂浓度掺杂P例如：例如：Si 在室温下，本征载流子浓度为在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，现在学习的是第17页，共49页上述杂质的特点：上述杂质的特点：施主

12、杂质：施主杂质：受主杂质：受主杂质：浅能级杂质浅能级杂质电离能小电离能小gDEEgAEE 现在学习的是第18页，共49页4. 浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质电离能的简单计算+-施主施主-+受主受主浅能级杂质浅能级杂质=杂质离子杂质离子+束缚电子（空穴）束缚电子（空穴）类氢模型类氢模型现在学习的是第19页，共49页222oHohrnmq玻尔原子电子的运动玻尔原子电子的运动轨道半径轨道半径为：为：n=1为基态电子的运动轨迹为基态电子的运动轨迹玻尔原子模型：玻尔原子模型：22*2rohrnmq 运动轨道半径：运动轨道半径：类氢模型：类氢模型：剩余电子的运动半径估算：剩余电子的运动半径估算：现在

13、学习的是第20页，共49页类氢模型类氢模型4*4*022222221188orooroorm qm qmmEEhmhm 电离能：电离能：氢原子中的基态电子的电离能为氢原子中的基态电子的电离能为E0=13.6eV玻尔能级：玻尔能级：玻尔原子模型玻尔原子模型2220408nhqmEn剩余电子的电离能估算：剩余电子的电离能估算：现在学习的是第21页，共49页对于对于Si中的中的P原子，剩余电子的运动半径约为原子，剩余电子的运动半径约为24.4 ：Si: a=5.4剩余电子本质上是剩余电子本质上是在晶体中运动在晶体中运动SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSi

14、SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi4 .24126. 01222qmhroo12)(Sir*0.26eommSi：r=1.17现在学习的是第22页，共49页施主能级靠近导带底部施主能级靠近导带底部100,16,122rrGerSi*000.26,0.12eSieGemmmm=对于对于Si、Ge掺掺PEcEvED*021eDormEEmeVESiD025. 0,eVEGeD064. 0,估算结果与实测值接近估算结果与实测值接近现在学习的是第23页，共49页*021PAormEEm0.04 ASiEeV对于对于Si、Ge掺掺B0.01 AGeEeVEcEvEA现在学习的是

15、第24页，共49页EcED施主施主受主受主Ev5. 杂质的补偿作用杂质的补偿作用(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有互相抵消的作用有效施主浓度有效施主浓度n=ND-NA此时半导体为此时半导体为n型半导体型半导体EAE现在学习的是第25页，共49页EcEDEAEv施主施主受主受主(2) NDNA有效受主浓度有效受主浓度p=NA- ND此时半导体为此时半导体为p型半导体型半导体E现在学习的是第26页，共49页(3) NDNA杂质的高度补偿杂质的高度补偿EcEDEAEv本征激发产生的导带本征激发产生的导带电子电

16、子本征激发产生的价带本征激发产生的价带空穴空穴现在学习的是第27页，共49页6. 深杂质能级深杂质能级根据杂质能级在禁带中的根据杂质能级在禁带中的位置，杂质分为：位置，杂质分为：浅能级杂质浅能级杂质电离能很小电离能很小，能级，能级接近导带底接近导带底Ec或价带顶或价带顶Ev深能级杂质深能级杂质电离能较大电离能较大，能级，能级远离导带底远离导带底Ec或价带顶或价带顶EvECEDEVEAEgECEAEVEDEggDEE gAEE 现在学习的是第28页，共49页例：例：在在Ge中掺中掺Au 可产生可产生3个受主能级，个受主能级，1个施主能级个施主能级Au的电子组态是：的电子组态是：5s25p65d1

17、06s1AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-多次电离，每一次电离相应地有一个能级既能多次电离，每一次电离相应地有一个能级既能引入施主能级又能引入受主能级引入施主能级又能引入受主能级现在学习的是第29页，共49页1. Au失去一个电子失去一个电子施主施主AuEcEvEDED=Ev+0.04 eV现在学习的是第30页，共49页EcEvEDEA1Au2. Au获得一个电子获得一个电子受主受主EA1= Ev + 0.15eV现在学习的是第31页，共49页3.Au获得第二个电子获得第二个电子EcEvEDEA1Au2EA2= Ec - 0.2eVEA2现在学习的是第32页，共49页4.A

18、u获得第三个电子获得第三个电子EcEvEDEA1EA3= Ec - 0.04eVEA2EA3Au3现在学习的是第33页，共49页深能级杂质特点深能级杂质特点：n不容易电离，对载流子浓不容易电离，对载流子浓度影响不大；度影响不大；n一般会产生多重能级，甚一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生至既产生施主能级也产生受主能级。受主能级。n能起到能起到复合中心复合中心作用，使作用，使少数载流子寿命降低。少数载流子寿命降低。EcEvEDEAAu doped Silicon0.35eV0. 54eV1.12eV现在学习的是第34页，共49页2-2 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级 族

19、化合物半导体中的杂质族化合物半导体中的杂质理想的理想的GaAs晶格晶格价键结构：价键结构：含有离子键成分的共含有离子键成分的共价键结构价键结构Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs现在学习的是第35页，共49页施主杂质施主杂质替代替代族元素族元素受主杂质受主杂质替代替代III族元素族元素双性杂质双性杂质IV族元素族元素等电子杂质等电子杂质同族原子取代同族原子取代(III、族元素族元素)现在学习的是第36页，共49页等电子杂质等电子杂质 等电子杂质等电子杂质是与基质晶体原子具有同数量价电子是与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子替代了同族原子后，基本仍是电中性的杂质原子替代了同族原子后，基本

20、仍是电中性的。的。由于由于共价半径共价半径和和电负性电负性不同，它们能俘获某种不同，它们能俘获某种载流子而成为带电中心。带电中心称为载流子而成为带电中心。带电中心称为等电子陷等电子陷阱阱。例如，例如，N取代取代GaP中的中的P而成为负电中心而成为负电中心束缚激子束缚激子间接半导体发光机制间接半导体发光机制现在学习的是第37页，共49页点缺陷：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、晶界面缺陷：层错、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的类型、缺陷的类型2-3 缺陷能级缺陷能级现在学习的是第38页，共49页2.元素半导体中的缺陷元素半导体中的缺陷(1

21、) 空位空位原子的空位起原子的空位起受主受主作用。作用。SiSiSiSiSiSiSiSi现在学习的是第39页，共49页(2) 填隙填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙原子缺陷起间隙原子缺陷起施主施主作用作用 现在学习的是第40页，共49页AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs反结构缺陷反结构缺陷GaAs受主受主 AsGa施主施主3. GaAs晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷空位空位VGa、VAs VGa受主受主 VAs 施主施主间隙原子间隙原子GaI、AsI GaI施主施主 AsI受主受主e现在学习的是第41页，共49页4.族化合物半导体的缺陷族化合物半导体的

22、缺陷族化合物半导体族化合物半导体离子键结构离子键结构负离子负离子正离子正离子+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-现在学习的是第42页，共49页a.负离子空位负离子空位产生正电中心，起施主作用产生正电中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-电负性小电负性小现在学习的是第43页，共49页b.正离子填隙正离子填隙产生正电中心，起施主作用产生正电中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+现在学习的是第44页，共49页产生负电中心，起受主作用产生负电中心

23、，起受主作用c.正离子空位正离子空位+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-电负性大现在学习的是第45页，共49页产生负电中心，起受主作用产生负电中心，起受主作用d.负离子填隙负离子填隙+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-现在学习的是第46页，共49页点缺陷能级作用基本判断方法：点缺陷能级作用基本判断方法：空位看周边，填隙看自身空位看周边，填隙看自身例：真空制备例：真空制备(Ba,Sr)TiO3薄膜时常导致缺氧，产生氧空位薄膜时常导致缺氧，产生氧空位，请分析这时该材料的漏电机制。，请分析这时

24、该材料的漏电机制。例：分析例：分析PbS材料中材料中Pb空位和填隙分别起施主还是受主作空位和填隙分别起施主还是受主作用。用。思考：半导体表面能否在禁带产生能级？思考：半导体表面能否在禁带产生能级？现在学习的是第47页，共49页第二章第二章 思考题与自测题：思考题与自测题：n 说明杂质能级以及电离能的物理意义。为什么受主、施主能级分说明杂质能级以及电离能的物理意义。为什么受主、施主能级分别位于价带之上或导带之下，而且电离能的数值较小？别位于价带之上或导带之下，而且电离能的数值较小？n 纯锗、硅中掺入纯锗、硅中掺入族或族或族元素后，为什么使半导体电性能有很大的改变族元素后，为什么使半导体电性能有很

25、大的改变？杂质半导体（？杂质半导体（p型或型或n型）应用很广，但为什么我们很强调对半导体材料的型）应用很广，但为什么我们很强调对半导体材料的提纯？提纯？n 把不同种类的施主杂质掺入同一种半导体材料中，杂质的电离能和把不同种类的施主杂质掺入同一种半导体材料中，杂质的电离能和轨道半径是否不同？把同一种杂质掺入到不同的半导体材料中（例如锗轨道半径是否不同？把同一种杂质掺入到不同的半导体材料中（例如锗和硅），杂质的电离能和轨道半径又是否都相同？和硅），杂质的电离能和轨道半径又是否都相同？n 何谓深能级杂质？它们电离以后有何特点？何谓深能级杂质？它们电离以后有何特点？n 为什么金元素在锗或硅中电离后可以

26、引入多个施主或受主能级？为什么金元素在锗或硅中电离后可以引入多个施主或受主能级？n 说明掺杂对半导体导电性能的影响。说明掺杂对半导体导电性能的影响。n 说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质的作用有何不同？说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质的作用有何不同？n 什么叫杂质补偿？什么叫高度补偿的半导体？杂质补偿有何实际应用？什么叫杂质补偿？什么叫高度补偿的半导体？杂质补偿有何实际应用？现在学习的是第48页，共49页第二章 习题1. P64 习题习题 2 4 72. 设计一个实验：首先将一块本征半导体变成设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。型半导体。3. 真空制备真空制备ZnO薄膜时常导致缺氧，请分析其薄膜时常导致缺氧，请分析其这时该半导体极性。这时该半导体极性。现在学习的是第49页，共49页