半导体中杂质和缺陷能级 讲稿.ppt

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1、半导体中杂质和缺陷能级 第一页，讲稿共八十七页哦杂质：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。掺杂后就会使半掺杂后就会使半导体的导体的导电性能导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。导体的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。第

2、二页，讲稿共八十七页哦缺陷缺陷实际半导体晶格结构不是完整无缺的，存在实际半导体晶格结构不是完整无缺的，存在各种形式的缺陷。各种形式的缺陷。缺陷可分为三类：缺陷可分为三类：（）（）点缺陷点缺陷（空位、间隙原子等）；（空位、间隙原子等）；（）（）线缺陷线缺陷（位错等）；（位错等）；（）（）面缺陷面缺陷（层错、多晶体中的晶粒（层错、多晶体中的晶粒 间界等）间界等）第三页，讲稿共八十七页哦引入杂质和缺陷的意义引入杂质和缺陷的意义半导体材料独特的性质，取决于杂质影响半导体材料独特的性质，取决于杂质影响极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的理化性质产生决定性的影响（半导体

3、料的理化性质产生决定性的影响（半导体器件的质量）器件的质量）可通过适当掺杂制造形形色色的器件可通过适当掺杂制造形形色色的器件第四页，讲稿共八十七页哦半导体中的杂质和缺陷起什么样作用？半导体中的杂质和缺陷起什么样作用？为什么会起这样的作用？为什么会起这样的作用？第五页，讲稿共八十七页哦杂质和缺陷的存在，所产生的附加势杂质和缺陷的存在，所产生的附加势场使严格的周期性势场受到破坏，可能场使严格的周期性势场受到破坏，可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态在禁带中引入允许电子具有的能量状态(即能级即能级)ECEV杂质能级杂质能级第六页，讲稿共八十七页哦 如图所示为一晶格常数为如图所示为一晶格常数为a a

4、的的SiSi晶胞，求：晶胞，求：（a a）SiSi原子半径原子半径（b b）晶胞中所有）晶胞中所有SiSi原子占据晶胞的百分比原子占据晶胞的百分比（a）（b）例：例：第七页，讲稿共八十七页哦重点和难点重点和难点施主杂质、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2.1 Si、Ge中的杂质能级中的杂质能级第八页，讲稿共八十七页哦SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSi

5、SiSi间隙式替位式：占据正常的格点位置2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质根据杂质在半导体中位置不同，可分为：根据杂质在半导体中位置不同，可分为：替位式杂质替位式杂质和和间隙式杂质间隙式杂质(interstitial)第九页，讲稿共八十七页哦ECEV杂质能级EgSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi间隙式替位式替位式杂质替位式杂质较大较大，而间隙式杂质，而间隙式杂质较小较小杂质浓度：杂质浓度：描述杂质的含量多少描述杂质的含量多少 1/cm3引入的杂质能级位于引入的杂质能级位于禁带禁带中中第十页，讲稿共八十七页哦替位式杂质替位式杂质形成

6、替位式杂质，对替位杂质原子的要求：形成替位式杂质，对替位杂质原子的要求：大小与被取代的晶格原子的大小比较相近，大小与被取代的晶格原子的大小比较相近，价价电壳层结构电壳层结构比较相近比较相近 如：、是如：、是IV族元素，与族元素，与III、V族元素相近族元素相近所以所以III、V族族元素在硅、锗晶体中都是元素在硅、锗晶体中都是替位杂替位杂质。质。第十一页，讲稿共八十七页哦2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级 一、施主杂质：一、施主杂质：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原晶体点阵中的某些半导

7、体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离不能移动的带正电的离子。第十二页，讲稿共八十七页哦SiP+SiSiSiSiSiSiSi-硅中的施主杂质硅中的施主杂质每个磷原子给出一个电子，称为每个磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。磷为磷为施主杂质施主杂质(n(n型杂质型杂质)。本征半导体掺入施主杂质后成为

8、本征半导体掺入施主杂质后成为n n型半导体。型半导体。第十三页，讲稿共八十七页哦+4+4+5+4多余价电子磷原子 磷替代硅。磷有五个价电子。四个价电子与周磷替代硅。磷有五个价电子。四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。同时磷原子所在处也多余一个正电荷子。同时磷原子所在处也多余一个正电荷+，称这个电荷为正电中心磷离子称这个电荷为正电中心磷离子(P+)。第十四页，讲稿共八十七页哦+4+4+5+4导带电子 P+弱束缚弱束缚-束缚作用比共价键的束缚作用弱得束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很少的能量就可以使它挣脱束缚，多，只要很少的能量就

9、可以使它挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动。成为导电电子在晶格中自由运动。磷原子就成为少了一个价电子的磷离子磷原子就成为少了一个价电子的磷离子(P+)，一个，一个不能移动的正电中心。不能移动的正电中心。第十五页，讲稿共八十七页哦第十六页，讲稿共八十七页哦二、二、N N 型半导体：型半导体：本征半导体中掺入磷等本征半导体中掺入磷等族元素后，自族元素后，自 由电子浓度大大增加的杂质半导体，也由电子浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（电子半导体）。称为（电子半导体）。+4+4+5+4多余价电子磷原子第十七页，讲稿共八十七页哦N 型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？1 1、由施主原

10、子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），），空穴称为空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。第十八页，讲稿共八十七页哦三、施主电离三、施主电离施主杂质释放电子的过程叫施主杂质释放电子的过程叫施主电离。施主电离。未电离时是中性的，称为未电离时是中性的，称为束缚态束缚态或或中性态

11、；中性态；电离后成为正电中心，称为电离后成为正电中心，称为离化态离化态杂质电离能：杂质电离能：使多余电子挣脱束缚成为导电电使多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量，子所需要的能量，ED(Donor)第十九页，讲稿共八十七页哦晶体杂 质PAsSbSiGe0.0440.01260.0490.01270.0390.0096 族杂质元素在硅、锗中的电离能很小，族杂质元素在硅、锗中的电离能很小，在硅中约为在硅中约为0.04-0.05eV，在锗中约为，在锗中约为0.01eV,比硅、锗的禁带宽度比硅、锗的禁带宽度Eg小得多小得多Eg(Ge)=0.72eV硅、锗晶体中硅、锗晶体中V族杂质的电离能（族杂质的电

12、离能（eV）第二十页，讲稿共八十七页哦 施主能级：施主能级：将被施主杂质束缚的电子的能量状态，将被施主杂质束缚的电子的能量状态，ED 电子得到能量电子得到能量ED，从施主的束缚态跃迁到导带成为导，从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底EC低低ED。EDEg，施主能级离导带施主能级离导带 底很近底很近ECEVEDEgED四、施主能级和施主电离四、施主能级和施主电离第二十一页，讲稿共八十七页哦 施主杂质是比较少的，施主杂质是比较少的，杂质原子间的相互作用杂质原子间的相互作用可以忽略可以忽略，一种杂质的施主能级是具有

13、，一种杂质的施主能级是具有相同能量相同能量的孤立能级的孤立能级 ECEVEDEGED第二十二页，讲稿共八十七页哦一、受主杂质：一、受主杂质：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻半导体原硼原子的最外层有三个价电子，与相邻半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。的带负电的离子。2.

14、1.3 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级第二十三页，讲稿共八十七页哦SiB-SiSiSiSiSiSiSi+硅中的受主杂质硅中的受主杂质硼原子接受电子，称为硼原子接受电子，称为受主原子受主原子。B B为为受主杂质受主杂质(p p型杂质型杂质)。本征半导体掺本征半导体掺B B后成为后成为p p型半导体（空穴半导体）型半导体（空穴半导体）第二十四页，讲稿共八十七页哦 硼原子占据了硅原子的位置。硼原子占据了硅原子的位置。硼原子有三个价电子它和周围的四个硅原子硼原子有三个价电子它和周围的四个硅原子形成共价键，但缺少一个电子，必须从别处的硅原形成共价键，但缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子

15、，在硅晶体的共价键中产生一子中夺取一个价电子，在硅晶体的共价键中产生一个空穴。个空穴。空穴硼原子+4+4+3+4第二十五页，讲稿共八十七页哦空穴B-+4+4+3+4 而硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子，而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（称为负电中心（B-B-）。带负电的硼离子和带正电。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，在硼离子附近运动束缚，在硼离子附近运动第二十六页，讲稿共八十七页哦空穴B-+4+4+3+4 但硼离子对这个空穴的束缚是弱束缚，很少的能但硼离子对这个空穴的束缚是弱束缚

16、，很少的能量就可以使空穴挣脱束缚，成为在晶体的共价量就可以使空穴挣脱束缚，成为在晶体的共价键中自由运功的导电空穴。键中自由运功的导电空穴。第二十七页，讲稿共八十七页哦空穴B-+4+4+3+4硼原子成为多了一个价电子的硼离子（硼原子成为多了一个价电子的硼离子（B-）-不能移动的负电中心。不能移动的负电中心。第二十八页，讲稿共八十七页哦第二十九页，讲稿共八十七页哦空穴硼原子+4+4+3+4二、二、P 型半导体：型半导体：本征半导体中掺入本征半导体中掺入B等等族元素后，空穴浓度大大增加的杂质半族元素后，空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（导体，也称为（空穴半导体空穴半导体）。）。第三十页，讲稿共八

17、十七页哦P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。P P型半导体中载流子是什么？型半导体中载流子是什么？由受主原子提供的空穴，浓度与受主原子浓度相同由受主原子提供的空穴，浓度与受主原子浓度相同第三十一页，讲稿共八十七页哦三、受主电离三、受主电离受主杂质释放空穴的过程叫受主杂质释放空穴的过程叫受主电离。受主电离。未电离时是中性的，称为未电离时是中性的，称为束缚态束缚态或或中性态；中性态；电离后成为电离后成为负电中心负电中心，称为，称为受主离化态受主离化态.杂质电离能：杂质电离能：使多余空穴挣脱束缚成为导电空使多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量，穴所需要的能量，E

18、A(Acceptor)第三十二页，讲稿共八十七页哦晶体杂 质BAlGaInSiGe0.0450.010.0570.010.0650.0110.160.011族杂质元素在硅、锗晶体中的电离能很小。族杂质元素在硅、锗晶体中的电离能很小。硅中约为硅中约为0.045-0.065eV。铟。铟(In)在硅中的电离能为在硅中的电离能为0.16eV，是一例外，在锗中约为，是一例外，在锗中约为0.01eV。比硅、锗晶。比硅、锗晶体的体的Eg小得多。小得多。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)第三十三页，讲稿共八十七页哦把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称

19、为称为受主能级受主能级EAEgEAEAECEV空穴得到能量空穴得到能量EA后，从受主的束缚态跃迁到价带成为导电后，从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，在能带图上表示空穴，在能带图上表示空穴的能量是越向下越高空穴的能量是越向下越高，空穴被，空穴被受主杂质束缚时的能量比价带顶受主杂质束缚时的能量比价带顶EV低低EAEAEg，受主能级离价带顶受主能级离价带顶很近很近四、受主能级和受主电离四、受主能级和受主电离第三十四页，讲稿共八十七页哦EgEAEAECEV受主能级和受主电离受主能级和受主电离EAEg，受主能级位于离价带顶很近的禁受主能级位于离价带顶很近的禁带中。一般受主能级也是孤立能级。带中。一般

20、受主能级也是孤立能级。第三十五页，讲稿共八十七页哦 纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的离，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力，把主要依靠空穴导电的半导体称为导电能力，把主要依靠空穴导电的半导体称为空空穴型或穴型或p型半导体。型半导体。EgEAEAECEV第三十六页，讲稿共八十七页哦 、族杂质在硅、锗晶体中分别是受主和施族杂质在硅、锗晶体中分别是受主和施主杂质，起作用是由于禁带中引入能级主杂质，起作用是由于禁带中引入能级;受主能级比价受主能级比价带顶高带顶高EA，施主能级则比导带底低，施主能级则比导带

21、底低ED.第三十七页，讲稿共八十七页哦五、杂质半导体的示意表示法五、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多。近似认为多子与杂质浓度相等。子与杂质浓度相等。第三十八页，讲稿共八十七页哦 杂质可以处于两种状态，即杂质可以处于两种状态，即未电离未电离的的中中性态或束缚态性态或束缚态以及以及电离后的离化态电离后的离化态!处于离化态时，受主杂质向处于离化态时，受主杂质向价带提供空穴价带提供空穴而成为而成为负电

22、中心负电中心，施主杂质向，施主杂质向导带提供电子导带提供电子而而成为成为正电中心正电中心.六六 小结小结第三十九页，讲稿共八十七页哦 施主杂质电离后向半导体提供（施主杂质电离后向半导体提供（），受），受主杂质电离后向半导体提供（主杂质电离后向半导体提供（），本征），本征激发向半导体提供（激发向半导体提供（）A.空穴空穴 B.电子电子BA A、B 例题例题第四十页，讲稿共八十七页哦 硅、锗中的硅、锗中的、V族杂质的电离能都很小，族杂质的电离能都很小，所以受主能级很接近于价带顶，施主能级很所以受主能级很接近于价带顶，施主能级很接近于导带底。这些杂质能级称为接近于导带底。这些杂质能级称为浅能级浅能级

23、，产生浅能级的杂质称为产生浅能级的杂质称为浅能级杂质浅能级杂质。室温下，晶格原子热振动的能量会传递给室温下，晶格原子热振动的能量会传递给电子，可使硅、锗中的电子，可使硅、锗中的、族杂质几乎全部族杂质几乎全部离化，称为离化，称为全电离全电离七七 浅能级杂质浅能级杂质第四十一页，讲稿共八十七页哦2.1.4 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浅能级杂质，电离能很低。电子或空穴受到正浅能级杂质，电离能很低。电子或空穴受到正电中心或负电中心的束缚微弱，可以利用类电中心或负电中心的束缚微弱，可以利用类氢模型来计算杂质的电离能。氢模型来计算杂质的电离能。第四十二页，讲稿共八十七页哦当硅、锗

24、中掺入当硅、锗中掺入V族杂质如磷原子时，在施主杂族杂质如磷原子时，在施主杂质处于束缚态的情况下，这个磷原子将比周围的硅质处于束缚态的情况下，这个磷原子将比周围的硅原子多一个电子电荷的正电中心和一个束缚着的价原子多一个电子电荷的正电中心和一个束缚着的价电子电子 像在硅、锗晶体中附像在硅、锗晶体中附加一个加一个“氢原子氢原子”，可以，可以用氢原子模型估计用氢原子模型估计ED的数值。的数值。SiP+SiSiSiSiSiSiSi-第四十三页，讲稿共八十七页哦（1）氢原子基态电离能）氢原子基态电离能第四十四页，讲稿共八十七页哦（2）用类氢原子模型估算浅能级杂质电离能）用类氢原子模型估算浅能级杂质电离能半

25、导体中相对介电常数半导体中相对介电常数r，杂质应处于介电常数为，杂质应处于介电常数为or的介质中，负电荷所受引力将衰减的介质中，负电荷所受引力将衰减r倍，束倍，束缚能量降减弱缚能量降减弱r2倍；倍；此时电子是在晶格周期性势场中运动，所以用此时电子是在晶格周期性势场中运动，所以用mn*代替电子惯性质量代替电子惯性质量mo 施主杂质电离能可表示为：施主杂质电离能可表示为：第四十五页，讲稿共八十七页哦锗、硅的相对介电常数锗、硅的相对介电常数r r 分别为分别为16，12。锗锗D=0.05=0.05m mn n*/m m0 0 硅硅ED=0.1=0.1m mn n*/m m0 0而而m mn n*/m

26、 m0 0 ,m mn n*/m m0 0 小于小于1.1.硅锗中杂质电离能肯定小硅锗中杂质电离能肯定小于于0.1eV0.1eV和和0.05eV.0.05eV.受主杂质讨论相同受主杂质讨论相同.显而易见是显而易见是浅能级杂质浅能级杂质.同理，受主杂质电离能为同理，受主杂质电离能为第四十六页，讲稿共八十七页哦晶体杂 质PAsSbSiGe0.0440.01260.0490.01270.0390.0096实测值与理论估算结果具有相同的数量级实测值与理论估算结果具有相同的数量级Ge ED=0.0064eVSi ED=0.025eV第四十七页，讲稿共八十七页哦 2.1.5 杂质的补偿作用杂质的补偿作用

27、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和和受主受主杂质，半导体究竟是杂质，半导体究竟是n型还是型还是p型？型？施受主杂质之间有施受主杂质之间有互相抵消互相抵消的作用，通常的作用，通常称为称为杂质的补偿作用杂质的补偿作用。第四十八页，讲稿共八十七页哦 N ND D表施主杂质浓度，表施主杂质浓度，N NA A表受主杂质浓度，表受主杂质浓度，n表示导带中电子浓度表示导带中电子浓度,p表示价带中空穴浓表示价带中空穴浓度。度。假设施主和受主杂质全部电离时，杂质是假设施主和受主杂质全部电离时，杂质是如何补偿的。如何补偿的。第四十九页，讲稿共八十七页哦1.当当N ND D N NA A时时

28、 受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到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 NA A受主能级后，施主能级上还有受主能级后，施主能级上还有N ND D-N NA A个电子，在杂质全部电个电子，在杂质全部电离的条件下，它们跃迁到导带中成为导电电子，这时，离的条件下，它们跃迁到导带中成为导电电子，这时，n=N ND D-N NA A N ND D ,半导体是半导体是n型的型的.ECEVEDEA第五十页，讲稿共八十七页哦 2.当当NA ND 时时 施主能级上的全部电子跃迁到受主能级后，受主能施主能级上的全部电子跃迁到受主能级后，受主能级上还有级上还有NA ND空穴，它们可

29、以跃迁入价带成为空穴，它们可以跃迁入价带成为导导电空穴电空穴，所以，所以p=NA ND,半导体是半导体是p型的。型的。ECEVEDEA第五十一页，讲稿共八十七页哦 经过补偿之后，半导体中的净杂质浓经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度称为度称为有效杂质浓度有效杂质浓度。当。当N ND D N NA A时，则时，则 N ND D N NA A为有效施主浓度；当为有效施主浓度；当N NA A N ND D时，则时，则N NA A N ND D为有效受主浓度。为有效受主浓度。第五十二页，讲稿共八十七页哦 杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础。杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础。如能根据需要用如能根

30、据需要用扩散扩散或或离子注人离子注人方法来改变半导体中方法来改变半导体中某某一区域的导电类型，以制成各种器件一区域的导电类型，以制成各种器件.N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N磷第五十三页，讲稿共八十七页哦 问题问题-控制不当控制不当,会出现会出现N ND D N NA A的现象。这的现象。这时，施主电子刚好够填充受主能级，虽然杂质很时，施主电子刚好够填充受主能级，虽然杂质很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴多，但不能向导带和价带提供电子和空穴,这种现这种现象称为象称为杂质的高度补偿杂质的高度补偿.这种材料容易被误认高纯半导体，实际上含这种材

31、料容易被误认高纯半导体，实际上含杂质很多，性能很差，杂质很多，性能很差，不能用采制造半导体器件不能用采制造半导体器件.8学时第五十四页，讲稿共八十七页哦2.1.6 深能级杂质深能级杂质 在在Si、Ge中掺入非中掺入非、族杂质后，在族杂质后，在Si、Ge禁带中产生的禁带中产生的施主能级施主能级ED距导带距导带底底EC较远，产生的较远，产生的受主能级受主能级EA距价带顶距价带顶EV较远，这种杂质称为较远，这种杂质称为深能级深能级，对应的杂，对应的杂质称为质称为深能级杂质深能级杂质。第五十五页，讲稿共八十七页哦深能级杂质可以多次电离，每一次电深能级杂质可以多次电离，每一次电离相应有一个能级。离相应有

32、一个能级。这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入若干这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入若干个能级。且有的杂质个能级。且有的杂质既引入施主能级又既引入施主能级又引入受主能级。引入受主能级。第五十六页，讲稿共八十七页哦 杂质为什么会产生多个能级杂质为什么会产生多个能级呢呢?杂质能级是与杂质能级是与杂质原子的电子杂质原子的电子壳层壳层结构、杂质原子的大小、杂质在半导体结构、杂质原子的大小、杂质在半导体晶格中的位置晶格中的位置等因素有关等因素有关.到现在为止：到现在为止：没有完善的理论加以说没有完善的理论加以说明明。可作粗略的定性解释。可作粗略的定性解释。第五十七页，讲稿共八十七页哦 讨论：讨论：杂质在硅、锗

33、中的主要存在方式是替代式。分析它们杂质在硅、锗中的主要存在方式是替代式。分析它们的能级情况，可以从四面体共价键的结构出发。的能级情况，可以从四面体共价键的结构出发。以金在锗中产生的能级为例来说明。金在锗中产生四以金在锗中产生的能级为例来说明。金在锗中产生四个能级，如图：个能级，如图：金在锗中的能级金在锗中的能级ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.04第五十八页，讲稿共八十七页哦E ED D是施主能级，是施主能级，E EA1 A1 E EA2A2 E EA3A3是三个受主能级，它是三个受主能级，它们都是深能级。图中们都是深能级。图中E Ei i是禁带中线位置，禁带中是禁

34、带中线位置，禁带中线以上的能级，注明离导带底的距离，禁带中线线以上的能级，注明离导带底的距离，禁带中线以下的能级，注意离价带顶的距离。以下的能级，注意离价带顶的距离。ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.04第五十九页，讲稿共八十七页哦金是金是I I族元素，中性金原子族元素，中性金原子(A(Au0u0)只有一个价电子只有一个价电子，它取代锗晶格中的一个锗原子而位于晶格点上，它取代锗晶格中的一个锗原子而位于晶格点上，金比锗少三个价电子，中性金原子的这一个价电子，金比锗少三个价电子，中性金原子的这一个价电子，可以电离而跃迁到导带，这一施主能级为可以电离而跃迁到导带，这一施主

35、能级为E ED D。因此，因此，电离能为电离能为(E EC CE ED D)。ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.04第六十页，讲稿共八十七页哦 因为金的这个价电子被共价键所束缚，因为金的这个价电子被共价键所束缚，电离能很大，略小电离能很大，略小于锗的禁带宽度于锗的禁带宽度，所以，这个施主能级靠近价带顶。，所以，这个施主能级靠近价带顶。电离以后，中性金原子电离以后，中性金原子Au0就成为带一个电子就成为带一个电子电荷的正电中心电荷的正电中心Au+。ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.04第六十一页，讲稿共八十七页哦但另一方面，中性金原子还可以

36、和周围的四个锗原但另一方面，中性金原子还可以和周围的四个锗原子形成共价键。子形成共价键。在形成共价键时，它可以从价带在形成共价键时，它可以从价带接受三个电子形成接受三个电子形成EA1 EA2 EA3三个受主能级。三个受主能级。金原子金原子Au0接受第一个电子后接受第一个电子后变为变为Au-，相应的受主能级为，相应的受主能级为EA1，其电离能为，其电离能为(EA1EV)。ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.04第六十二页，讲稿共八十七页哦接受第二个电子后，接受第二个电子后，Au变为变为Au=，相应的受主能级为，相应的受主能级为EA2，其电离能为，其电离能为(EA2EV)

37、。接受第三个电子后，。接受第三个电子后，Au-变为变为Au，相应的受主能级为，相应的受主能级为EA3，其电离能为，其电离能为(EA3 Ev)。上述的上述的Au-，Au=，Au分别表分别表Au0 成为带一个、两个、成为带一个、两个、三个电子电荷的负电中心。三个电子电荷的负电中心。ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.04第六十三页，讲稿共八十七页哦 电子间的库仑排斥作用电子间的库仑排斥作用:使金从价带接受第二个电子所需要的电离能使金从价带接受第二个电子所需要的电离能比接受第一个电子时的大比接受第一个电子时的大;接受第三个电子时的电离能比接受第二个接受第三个电子时的电离能比

38、接受第二个电子时的大。电子时的大。第六十四页，讲稿共八十七页哦 E EA3A3 E EA2A2E EA1A1。E EA1A1离价带顶相对近一些，但是离价带顶相对近一些，但是比比IIIIII族杂质引入的浅能级还是深得多，族杂质引入的浅能级还是深得多，E EA2A2更深，更深，E EA3A3就几乎靠近导带底了。于是金在锗中一共有就几乎靠近导带底了。于是金在锗中一共有A Au u+A Au0u0 A Au u-，Au Au=，Au Au五种荷电状态，相应地存在着五种荷电状态，相应地存在着E ED D E EA1 A1 E EA2 A2 E EA3A3 四个孤立能级，它们都是深能级。四个孤立能级，它们

39、都是深能级。ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.04第六十五页，讲稿共八十七页哦也可以说此分析方法说明其它一些在也可以说此分析方法说明其它一些在硅、锗中形成深能级的杂质硅、锗中形成深能级的杂质第六十六页，讲稿共八十七页哦 有些杂质的能级没有完全测到，如有些杂质的能级没有完全测到，如硅硅中的金中的金杂质，只测到一个施主能级和杂质，只测到一个施主能级和个受主能级，这个受主能级，这可可能是能是因为这些受主态或施主态的电离能大于禁因为这些受主态或施主态的电离能大于禁带宽度，相应的能级进入导带或价带，所以在带宽度，相应的能级进入导带或价带，所以在禁带中就测不到它们。禁带中就测不

40、到它们。现在常用深能级瞬态谱仪现在常用深能级瞬态谱仪(DLTS)测量杂质测量杂质的深能级。的深能级。第六十七页，讲稿共八十七页哦 深能级杂质，一般情况下含量极少深能级杂质，一般情况下含量极少能级较深，它们对半导体中的能级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、导电电子浓度、导电空穴浓度导电空穴浓度(统称为载流子浓度统称为载流子浓度)和导电类型和导电类型的影的影响没有浅能级杂质显著，但对于载流子的响没有浅能级杂质显著，但对于载流子的复合作用复合作用比浅能级杂质强，这些杂质也称为比浅能级杂质强，这些杂质也称为复合中心。复合中心。金是一种很典型的金是一种很典型的复合中心复合中心，在制造高速开关，在制造高

41、速开关器件时，常有意地渗入金以提高器件的速度。器件时，常有意地渗入金以提高器件的速度。如：如：快恢复二极管快恢复二极管第六十八页，讲稿共八十七页哦不容易电离，对载流子浓度影响不大不容易电离，对载流子浓度影响不大一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。主能级。能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在第五能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在第五章详细讨论）。章详细讨论）。深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散射作深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。用，使载流子迁移率减少，导电

42、性能下降。深能级杂质特点深能级杂质特点第六十九页，讲稿共八十七页哦n等电子杂质等电子杂质-是与基质晶体原子是与基质晶体原子具有同数量价具有同数量价电子电子的杂质原子，它们的杂质原子，它们替代替代了格点上的同族原了格点上的同族原子后，基本上仍是电中性的。子后，基本上仍是电中性的。如：如：GaP中掺入中掺入族族的的N N或或BiBin由于原子序数不同，这些由于原子序数不同，这些原子的共价半径和电负原子的共价半径和电负性有差别，因而它们能俘获某种载流子而成为带性有差别，因而它们能俘获某种载流子而成为带电中心。电中心。n这个带电中心就称为这个带电中心就称为等电子陷阱等电子陷阱。等电子陷阱等电子陷阱第七

43、十页，讲稿共八十七页哦 是否周期表中同族元素均能形成等电是否周期表中同族元素均能形成等电子陷阱呢子陷阱呢?只有当只有当掺入原子的基质与晶体原子在掺入原子的基质与晶体原子在电负性、共价半径方面具有较大差别电负性、共价半径方面具有较大差别时，时，才能才能形成等电子陷阱。形成等电子陷阱。第七十一页，讲稿共八十七页哦同族元素原子序数越小，电负性越大，共价同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。半径越小。等电子杂质电负性大于基质晶体等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负性时原子的电负性时，取代后，它便能，取代后，它便能俘获电子俘获电子成为负电中心成为负电中心。反之，它能。反之，它能俘获空穴成为正

44、电俘获空穴成为正电中心。中心。第七十二页，讲稿共八十七页哦 例例:氮氮的共价半径和电负性分别为的共价半径和电负性分别为0.070nm和和3.0，磷磷的共价半径和电负性分别为的共价半径和电负性分别为0.110nm和和2.1，氮取代磷后能俘获电子成为负电中心氮取代磷后能俘获电子成为负电中心。这。这个俘获中心称为个俘获中心称为等离子陷阱等离子陷阱。这个电子的电离。这个电子的电离能能E ED D0.008eV。第七十三页，讲稿共八十七页哦 等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心。等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心。带带电中心由库仑作用能俘获相反符号的载流子，电中心由库仑作用能俘获相反符号的载流子，形成形成

45、束缚激子（束缚激子（在由间接带隙半导体材料制造的在由间接带隙半导体材料制造的发光器件中起主要作用）。发光器件中起主要作用）。如：如：GaP：N NP+e NP之后之后 NP+h NP+h（束缚激子）（束缚激子）第七十四页，讲稿共八十七页哦例如：在例如：在SiC晶体中晶体中空位空位 V VC C V VSiSi间隙原子间隙原子 C Ci i SiSii i反结构缺陷反结构缺陷 C CSiSi各种复合体各种复合体 V VC CC CSi Si VC-VSi 出现在化合物半导体中2.3 缺陷、位错能级缺陷、位错能级2.3.1 点缺陷点缺陷第七十五页，讲稿共八十七页哦弗仑克耳缺陷弗仑克耳缺陷-晶体内间

46、隙原子和空位晶体内间隙原子和空位 是成对出现是成对出现肖特基缺陷肖特基缺陷-晶体内形成空位而无间晶体内形成空位而无间 隙原子隙原子间隙原子缺陷：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 间隙原子和空位间隙原子和空位-既既产生又产生又 不断复合不断复合达到达到平衡浓度值平衡浓度值分类：第七十六页，讲稿共八十七页哦 热缺陷的数目随热缺陷的数目随温度升高而增热温度升高而增热缺陷中以缺陷中以肖特基缺陷肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。为主（即原子空位为主）。原因：原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小小淬火淬火后可以后可以“冻结冻结”

47、高温下形成的缺陷。高温下形成的缺陷。退火退火可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火处理。处理。离子注入离子注入形成的缺陷也用退火来消除。形成的缺陷也用退火来消除。点缺陷（热缺陷）特点点缺陷（热缺陷）特点第七十七页，讲稿共八十七页哦缺陷的产生需要一定的能量缺陷的产生需要一定的能量第七十八页，讲稿共八十七页哦可以通过退火消除缺陷，但是也可能产生二次缺陷可以通过退火消除缺陷，但是也可能产生二次缺陷第七十九页，讲稿共八十七页哦缺陷处缺陷处晶格畸变晶格畸变，周期性势场

48、被破坏，致使在禁，周期性势场被破坏，致使在禁带中带中产生能级产生能级。热缺陷能级大多为热缺陷能级大多为深能级深能级，在半导体中起，在半导体中起复合中心复合中心作用，作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低。使非平衡载流子浓度和寿命降低。空位缺陷有利于空位缺陷有利于杂质扩散杂质扩散对载流子有对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。低。点缺陷对半导体性质的影响点缺陷对半导体性质的影响第八十页，讲稿共八十七页哦位错位错线位错线位错例：例：Si中中60o棱位错棱位错第八十一页，讲稿共八十七页哦位错线上的悬挂键可以位错线上的悬挂键可以接受电子接受电子变为负电中心，变为负电

49、中心，表现为表现为受主受主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变为正电中心，此时表现为而变为正电中心，此时表现为施主施主，即不饱和的悬，即不饱和的悬挂键具有双性行为，挂键具有双性行为，可以起受主作用，也可以起可以起受主作用，也可以起施主作用。施主作用。位错线处晶格变形，导致位错线处晶格变形，导致能带变形能带变形 棱位错对半导体性能的影响：棱位错对半导体性能的影响：第八十二页，讲稿共八十七页哦位错线影响位错线影响杂质分布均匀性杂质分布均匀性位错线若位错线若接受电子接受电子变成变成负电中心负电中心，对，对载流子有散射作载流子有散射作用用。（第四章）。（第四章）

50、影响少子寿命影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度减小，原因：一是能带变形，禁带宽度减小，有利于非平衡载流子复合；二是在禁带中产生深能级，有利于非平衡载流子复合；二是在禁带中产生深能级，促进载流子复合。（第五章）促进载流子复合。（第五章）第八十三页，讲稿共八十七页哦说明杂质能级以及电离能的物理意义。为什么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，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？而且电离能的数值较小？纯锗、硅中掺入纯锗、硅中掺入族或族或族元素后，为什么使族元素后，为什么使半导体电性能有很大的改变？杂质半导体（半导体电性能