第二章半导体中杂质和缺陷能级终稿优秀课件.ppt
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1、第二章半导体中杂质和第二章半导体中杂质和缺陷能级终稿缺陷能级终稿第1页,本讲稿共40页2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级2.1.1 2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质n nSi Si和和GeGe都具有金钢石结构,一个原胞含有都具有金钢石结构,一个原胞含有8 8个原子。个原子。n n原胞内原胞内8 8个原子的体积与立方原胞体积之比为个原子的体积与立方原胞体积之比为34%34%,原胞内存,原胞内存在在66%66%的空隙。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第2页,本讲稿共40页2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质
2、能级n n杂质原子进入半导体硅后,只可能杂质原子进入半导体硅后,只可能杂质原子进入半导体硅后,只可能杂质原子进入半导体硅后,只可能以两种方式存在。以两种方式存在。以两种方式存在。以两种方式存在。n n一种方式是杂质原子位于晶格原子间一种方式是杂质原子位于晶格原子间一种方式是杂质原子位于晶格原子间一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置,常称为的间隙位置,常称为的间隙位置,常称为的间隙位置,常称为间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质;间;间;间;间隙式杂质原子一般较小,如离子隙式杂质原子一般较小,如离子隙式杂质原子一般较小,如离子隙式杂质原子一般较小,如离子锂(锂(锂(锂(LiLi+)。)
3、。)。)。n n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替位式杂质替位式杂质。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。似。似。似。n n 用单位体积中的杂质原子
4、数,也就是用单位体积中的杂质原子数,也就是用单位体积中的杂质原子数,也就是用单位体积中的杂质原子数,也就是杂质浓度杂质浓度杂质浓度杂质浓度来定量描述杂质含量多少,杂来定量描述杂质含量多少,杂来定量描述杂质含量多少,杂来定量描述杂质含量多少,杂质浓度的单位为质浓度的单位为质浓度的单位为质浓度的单位为1/cm1/cm3 3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi第3页,本讲稿共40页2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 施施 主主 掺掺 杂杂(掺磷(掺磷)2.1.2 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级施主杂质、施
5、主能级SiP+SiSiSiSiSiSiSi-磷替代硅,其效果是形磷替代硅,其效果是形磷替代硅,其效果是形磷替代硅,其效果是形成一个正电中心成一个正电中心成一个正电中心成一个正电中心P+P+和一和一和一和一个多余的价电子。这个个多余的价电子。这个个多余的价电子。这个个多余的价电子。这个多余的价电子就束缚在多余的价电子就束缚在多余的价电子就束缚在多余的价电子就束缚在正电中心正电中心正电中心正电中心P+P+的周围(弱的周围(弱的周围(弱的周围(弱束缚)。束缚)。束缚)。束缚)。第4页,本讲稿共40页+4+4+5+4多余多余价电子价电子磷原子磷原子n n族元素有族元素有5 5个价电子,其中的四个价电子
6、与周围的个价电子,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,族原子所在处也多余一个正电荷,称为正离子中心,所以,一个所以,一个族原子取代一个硅原子,其效果是形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。成一个正电中心和一个多余的电子。n n 电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为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。杂质电离。第5页,本讲稿共40页2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n2.1.2 2.1.2 施主杂质、施主
7、能级施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级施主杂质、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,而电的自由电子,而族原子形成一个不能移动的正族原子形成一个不能移动的正电中心。电中心。硅、锗中的硅、锗中的族杂质,能够释放电子而产生导电电子并族杂质,能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心,称为施主杂质或形成正电中心,称为施主杂质或NN型杂质,掺有型杂质,掺有NN型杂型杂质的半导体叫质的半导体叫NN型半导体。施主杂质未电离时是中性的,型半导体。施主杂质
8、未电离时是中性的,电离后成为正电中心。电离后成为正电中心。第6页,本讲稿共40页2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级带有分立的施主能级的能带有分立的施主能级的能带图带图施主能级电离能带图施主能级电离能带图第7页,本讲稿共40页n n被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级E EDD。n n施主能级位于离导带低很近的禁带中施主能级位于离导带低很近的禁带中n n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。具有相同能量的孤立能级。2.1 硅、锗晶体中的杂
9、质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n表表2-1 2-1 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)(eV)第8页,本讲稿共40页n n2.1.3 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 受受 主主 掺掺 杂杂(掺硼)(掺硼)SiB-SiSiSiSiSiSiSi+硼原子接受一个电子后,成硼原子接受一个电子后,成硼原子接受一个电子后,成硼原子接受一个电子后,成为带负电的硼离子,称为负为带负电的硼离子,称为负为带负电的硼离子,称为负为带负电的硼离子,称为负电中心(电中心(电中心(电中心(B B-)。带负电的硼。带负电的硼。带负电的硼。带
10、负电的硼离子和带正电的空穴间有静离子和带正电的空穴间有静离子和带正电的空穴间有静离子和带正电的空穴间有静电引力作用,这个空穴受到电引力作用,这个空穴受到电引力作用,这个空穴受到电引力作用,这个空穴受到硼离子的束缚,在硼离子附硼离子的束缚,在硼离子附硼离子的束缚,在硼离子附硼离子的束缚,在硼离子附近运动。近运动。近运动。近运动。第9页,本讲稿共40页空穴空穴B-+4+4+3+4族元素占据了硅原子的位置:族元素占据了硅原子的位置:族元素占据了硅原子的位置:族元素占据了硅原子的位置:族元素有族元素有族元素有族元素有3 3个价电子,它与周围的四个硅原子个价电子,它与周围的四个硅原子个价电子,它与周围的
11、四个硅原子个价电子,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,一个族原子取代一族原子取代一族原子取代一族原子取代一个硅原子,其效果
12、是形成一个负电中心和一个空穴个硅原子,其效果是形成一个负电中心和一个空穴个硅原子,其效果是形成一个负电中心和一个空穴个硅原子,其效果是形成一个负电中心和一个空穴第10页,本讲稿共40页2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n2.1.3受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级n n 空穴束缚在空穴束缚在族原子附近族原子附近,但这种束缚很弱,但这种束缚很弱n n 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,而导电空穴,而族原子形成一个不能移动的负电中心。族原子形成一个不能移动的负电中心。n n 硅、锗中的硅、锗中
13、的族杂质,能够接受电子而在价带中产生空穴,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,称为受主杂质或并形成负电中心的杂质,称为受主杂质或P P型杂质,掺有型杂质,掺有P P 型杂质型杂质的半导体叫的半导体叫P P型半导体。受主杂质未电离时是中性的,电离后成为负型半导体。受主杂质未电离时是中性的,电离后成为负电中心。电中心。第11页,本讲稿共40页2.1 硅、锗晶体中的杂质能级受主能级电离能带图受主能级电离能带图带有分立的受主能级的带有分立的受主能级的能带图能带图第12页,本讲稿共40页被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA。施主能级位于离价带顶很近的禁带中杂质原子间的
14、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)第13页,本讲稿共40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,并成为带正电的离子。如提供导电的电子,并成为带正电的离子。如 Si中中掺掺的的P 和和As受主:受主:Acceptor,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 提供导电的空穴,并成为带负电的离子。如提供导电的空穴,并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B 总
15、结第14页,本讲稿共40页总结总结第15页,本讲稿共40页2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n2.1.4 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: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氢原子的电离能第16页,本讲稿共40页2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级n n晶体内杂质原子束缚的电子:晶体内杂质原子束缚的电子:m0mn*,mp*;0 r0 施主杂质的电离能施主杂质的电离能:Si:Ge:Ge:受主杂质的电离能受主杂质的电离能第17页,本讲
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